水下结构物滑动设计和材料要求

邢广阔，王长涛，陈祥余，王凤云，高岳松

（海洋石油工程股份有限公司，天津 滨海新区3004510）

引言

水下生产系统是海洋油气资源开发的重要组成部分，在水下生产系统的油气开采过程中存在油气温度变化带来管线膨胀时，为保证管线的不发生侧向的屈曲，连接油气管线的水下结构物需要设计为可滑动式结构，来吸收管线的膨胀位移。一般滑动设计分为两种形式，结构物整体相对海床滑动和结构物相对自身基础结构滑动。本文通过水下结构物的滑动技术进行研究，结合实际海洋石油开发中水下结构物滑动设计经验，提出水下结构物滑动设计和材料的技术要求，为水下结构物的滑动设计提供研究参考。

1 水下结构物的滑动设计

一般滑动设计分为两种形式，结构物整体相对海床滑动和结构物相对自身基础结构滑动。两种结构形式的选型要考虑管线的膨胀频率高低、膨胀位移和膨胀载荷的大小，结构物自身结构尺寸重量和基础形式特点，以及海床土壤条件等。

1.1 结构物相对海床滑动形式

水下结构物的基础结构形式可分为，防沉板式、吸力锚式和打入桩式[1]，对不同的水下结构物形式和不同的海床土壤地址条件，所适用的基础形式也不同。当水下结构设计为防沉板基础形式时，当管线膨胀位移小、膨胀频率低的情况下，可以考虑水下结构物的滑动形式设计为结构物整体相对于海床滑动。此时结构主体和基础防沉板为一个整体结构（如图1），防沉板形式应为无裙板形式，防沉板端部可考虑利于滑动的向上弯翘设计，且要考虑结构物防沉板与海床土壤之间的摩擦力小于管线膨胀力。

图1 相对海床滑动的整体结构式水下结构物

1.2 结构物相对自身基础结构滑动形式

相对于结构物整体相对于海床滑动形式，结构物相对自身基础滑动的形式应用更加普遍，因为此种形式的适用条件比较广泛，滑动摩擦系数比较小，滑动效果更好。在此种类型水下结构物的设计中有可分为分体式滑动设计和一体式滑动设计。

分体式滑动设计是指基础结构预先安装至海床上，再将上部结构放置到基础结构上，上部结构可以相对基础结构进行滑动，如图2所示分体式水下结构物。分体滑动形式的优点是具有较大的滑动距离，可以吸收较大的海管膨胀位移。

图2 分体式滑动水下结构物

一体式滑动设计是指上部结构与基础结构作为一个整体安装到海床，上部结构与基础结构之间设有滑道，可以相对滑动，此种方式更多适用滑动量比较小的结构。一体滑动结构的上部结构和底部基础结构之间有着嵌套等连接机构（如图3），能够一次完成安装作业，节省了一次单独安装基础结构的安装工作量，经济性高。

图3 一体式滑动设计水下结构物

2 滑动设计材料要求

在结构物相对自身基础结构滑动形式的设计中，结构之间相对滑动的接触材料是滑动设计的一个关键部分。一般滑动材料的选择分为钢材或高分子材料。在滑动设计时，两种类型的选取要综合考虑各自的材料特点、使用环境、材料成本等。

2.1 钢材

钢材作为滑动接触材料的设计方式（如图4）材料成本低、结构强度高和制造价格简易等优点，适用于滑动频率低，滑动位移小的结构设计。

图4 钢材滑动材料设计方式

采用钢材作为滑动材料除以上优点外还需要注意以下几点：

（1）钢材之间摩擦带来防腐涂层破坏，要考虑海水环境下的防腐问题，考虑阳极的腐蚀余量。

（2）膨胀频率高的情况下钢材之间的磨损问题，考虑钢材的设计余量。

（3）膨胀频率低的情况下，海生物的生长带来的滑道卡死的风险，要定期清理观察。

（4）钢材相对滑动的摩擦系数一般取0.3，要充分考虑摩擦阻力小于膨胀载荷。

2.2 高分子材料

采用高分子材料作为滑动接触材料，也是海洋石油工程中水下结构物的滑动设计的常用设计。常用的材料有PTFE（聚四氟乙烯）复合材料和UHMWPE（超高分子聚乙烯板）等。

采用高分子材料作为滑动接触材料时一般考虑两种方式，即基础结构上铺设高分子材料板，上部结构为钢板与之接触的单层高分子材料滑动方式，或者基础结构和上部结构都铺设高分子材料的双层高分子材料滑动方式。两种方式，后者滑动系数更低，但制造施工工作量也随之增加。

高分子滑动材料的固定方式一般采用两种方式：采用螺栓等机械连接，将材料固定在结构表面；采用机加工嵌入方式固定到钢板表面。前者操作简单，建造成本低，后者固定更紧实稳定。

PTFE复合材料应用领域广泛，如石油化工、医疗卫生、国防航天、汽车及船舶制造等行业[2]。UHMWP具有摩擦系数小、磨耗低、耐冲击性、耐应力开裂、抗结垢性、抗冻性和卫生无毒等优良性能，在许多领域有广泛的应用前景[3]。高分子材料具有良好的滑动性能，同时不易附着海生物等。使用时应注意以下几点：

（1）明确材料的力学性能，尤其是抗压性能，以保证承受水下结构的重量以及操作载荷。

（2）明确材料的冲击性能，能够承受水下结构物安装时可能的冲击载荷。

（3）明确材料相对钢材和相对自身的摩擦系数。

（4）考虑特定海洋环境下的材料磨损率，老化催化等性能。

（5）根据特定项目，要提前考虑材料的材料成本、安装连接方式等。

3 结论

本文通过水下结构物的滑动设计和材料进行研究，得出以下结论:

（1）结构物整体相对于海床滑动的形式受基础形式和土壤条件等限制条件比较多，结构物相对自身基础滑动的形式应用更加普遍。

（2）采用高分子材料作为滑动接触材料，相对钢材滑动性能优越，在海洋石油工程中水下结构物的滑动设计的越来越多的被采用。