FPSO管道支架設(shè)計(jì)流程

曾偉　羅東浩　王嘉

摘 要：支架設(shè)計(jì)是浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（FPSO）配管設(shè)計(jì)的重要組成部分。正確設(shè)計(jì)管道支架，對(duì)于降低管道應(yīng)力、改善管道振動(dòng)有著重要的作用，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響著管道系統(tǒng)的安全與壽命。本文依據(jù)相關(guān)項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了FPSO管路支架的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)流程和注意事項(xiàng)，為類似項(xiàng)目的支架設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：FPSO；管路支架；設(shè)計(jì)流程

中圖分類號(hào)：U664.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Design of the piping support is a significant part of FPSO piping design and good design of the piping support will reduce the pipe stress， improve pipe vibration， extend the pipe service life and ensures the pipe safety. This paper summarizes the characteristics of FPSO piping support and the design process and matters needing attention of it.

Key words： FPSO； Piping support； Design process

1 前言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（FPSO）的管道系統(tǒng)，與常規(guī)船型相比，管道數(shù)量巨大、管徑較大、所受載荷復(fù)雜，需要適用于惡劣的環(huán)境條件和較長(zhǎng)的服役周期（如：滿足50/100年一遇的風(fēng)浪條件，十幾甚至二十幾年不進(jìn)塢維修等要求），具有更高的安全性和可靠性要求。作為FPSO管道系統(tǒng)重要組成部分的管道支架，不僅需要承受管道內(nèi)壓和重量等載荷，保證管道的一次應(yīng)力合格，同時(shí)還要對(duì)管道的變形加以控制，從而減小管道的二次應(yīng)力和設(shè)備的管嘴載荷，保證管道與設(shè)備的安全運(yùn)行。另外，對(duì)于存在振動(dòng)的管道，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)闹Ъ芸梢赃_(dá)到改善管路振動(dòng)、減小管道疲勞損壞的目的。

因此，為了保證FPSO管道應(yīng)力合格、系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行，需要對(duì)管路支架進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。本文主要分析FPSO管路支架的特點(diǎn)，闡述支架的設(shè)計(jì)流程，并對(duì)支架設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)進(jìn)行總結(jié)。

2 管道支架介紹

2.1 支架設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

FPSO在船廠建造/改裝時(shí)，按照以往習(xí)慣，船體部分采用船舶標(biāo)準(zhǔn)，上部模塊部分則采用石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這種做法在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和接口標(biāo)準(zhǔn)上比較復(fù)雜。近年來(lái)國(guó)外逐漸改變這一做法，提議船體部分的標(biāo)準(zhǔn)及圖紙?jiān)O(shè)計(jì)也向石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)靠攏，使FPSO成為獨(dú)立的海洋結(jié)構(gòu)物。FPSO管路支架也分為船體部分和上部模塊部分，筆者參與的幾個(gè)項(xiàng)目，都是采用下述美國(guó)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：

ASME B31.3 化工裝置和煉油廠管道；

MSS SP-58 管道支吊架-材料、設(shè)計(jì)和制造；

MSS SP-69 管道支吊架-選擇和應(yīng)用；

MSS SP-89 管道支吊架-制作和安裝實(shí)踐。

ASME B31.3規(guī)定了對(duì)管道支吊架的一般要求，論述了設(shè)計(jì)支架的必要條件；MSS SP三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了管道支架的材料、設(shè)計(jì)、制造、安裝、試驗(yàn)、檢驗(yàn)和運(yùn)行等方面的具體要求。目前，國(guó)內(nèi)參照并綜合了上述標(biāo)準(zhǔn)，制定了管道支架的國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB/T 17116.1/2/3。

2.2 支架種類

管道支架主要由支撐框架和固定附件組成：支撐框架根據(jù)管道布置的空間位置生根在FPSO船體及模塊結(jié)構(gòu)上，是將載荷從管道或管附件傳遞到船體結(jié)構(gòu)上的元件，一般采用鋼結(jié)構(gòu)框架，如門形架、T形架、L形架、I形架等；固定附件是指用焊接、螺栓連接或夾緊方法附裝在管道上的元件，如管吊、U型管卡、管鞋、綁帶等。

管道支架按功能和用途可分為：承受管道載荷的承重型支架；限制管道位移的限制型支架；控制管道振動(dòng)的減振支架三大類。管道支架的作用本質(zhì)是為管道提供必要的約束，約束可沿船體坐標(biāo)X、Y、Z方向分解成六個(gè)自由度。按提供的約束組合，F(xiàn)PSO管道支架還可進(jìn)行小分類。

2.3 典型支架型式

FPSO管道支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、型式眾多，一些典型的支架類型見圖1所示。

3 管道支架設(shè)計(jì)

管道支架是FPSO整個(gè)管道設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，它的設(shè)計(jì)流程如下：支架標(biāo)準(zhǔn)建立→支架選用設(shè)計(jì)→支架驗(yàn)證計(jì)算→支架修改出圖。

3.1 支架標(biāo)準(zhǔn)建立

一般船廠的管路支架標(biāo)準(zhǔn)僅適用常規(guī)船舶，不滿足FPSO惡劣的環(huán)境條件和高標(biāo)準(zhǔn)的配管設(shè)計(jì)要求。為了讓FPSO管道支架設(shè)計(jì)和后期現(xiàn)場(chǎng)報(bào)驗(yàn)有據(jù)可依，船廠需根據(jù)船東提供的相關(guān)規(guī)格書，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初建立管道支架標(biāo)準(zhǔn)并取得船東及船級(jí)社認(rèn)可。FPSO管道支架標(biāo)準(zhǔn)，至少要包括管道允許跨度、典型支撐框架的選型圖集、常用管路固定附件的選型圖集等內(nèi)容。

管道的允許跨度是管道兩相鄰支架的最大允許間距，跨距一定要設(shè)計(jì)合理?？缇嗵∫馕吨芗軘?shù)量要增加，也就是要增加費(fèi)用和投資；跨距過(guò)大，將會(huì)影響管道自身安全。管道的允許跨距需同時(shí)滿足管道強(qiáng)度條件和剛度條件，取兩者中的小值。按強(qiáng)度條件確定跨距時(shí)，通過(guò)校核管道一次應(yīng)力得到最大允許跨距；按剛度條件確定跨距時(shí)，假定管道為一單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)校核管道彎曲擾度得到最大允許跨距。另外，管道允許跨度推薦值可參照MSS SP-69標(biāo)準(zhǔn)。

支撐框架作為傳遞管道載荷的主要元件，它承受的載荷主要有：管道及液體的自重、熱膨脹載荷、風(fēng)載荷、船體運(yùn)動(dòng)作用下的管路加速度、船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形位移、其余的動(dòng)載荷等。FPSO的管道支撐框架多由角鋼或工字鋼拼接而成，具體形狀由管道布置和框架生根點(diǎn)確定，典型形狀有門形、T形、L形、I形等。針對(duì)這些形狀，制定出典型支撐框架的選型圖集，給出典型框架的材料、結(jié)構(gòu)尺寸、適用范圍等技術(shù)要求。

支架固定附件的選型圖集是支架標(biāo)準(zhǔn)的核心內(nèi)容，根據(jù)約束力方向，固定附件可概括為剛性支架、軸向止動(dòng)型、導(dǎo)向型、限位型、固定型、彈簧支架等。以上述分類為基礎(chǔ)，制定出滿足FPSO管路常用的固定附件的選型圖集，給出固定附件的材料要求、結(jié)構(gòu)參數(shù)、適用范圍及技術(shù)要求等。常見的依附于管道上的固定元件有U型管卡、管鞋、綁帶等。U型管卡在常規(guī)船舶和FPSO中應(yīng)用都非常普遍，可分為導(dǎo)向型和固定型；管鞋和綁帶是FPSO上用的非常多的固定元件，管鞋可控制管道軸向或徑向位移，綁帶適用于大管徑管路的固定。

管路支架標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)船級(jí)社認(rèn)可后，需要輸入到軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便后續(xù)在軟件中進(jìn)行支架參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)配管的三維立體建模。同時(shí)，支架標(biāo)準(zhǔn)也要作為施工文件發(fā)給車間施工單位學(xué)習(xí)。

3.2 支架的選用設(shè)計(jì)

FPSO支架設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之前，先要熟練掌握已被認(rèn)可的管路支架標(biāo)準(zhǔn)，然后根據(jù)管線布置情況進(jìn)行支架選用設(shè)計(jì)。管支架的初步設(shè)計(jì)包括管道支架位置的確定、支架的選用、支架草圖輸出等三部分。

管道支架位置的確定，一般應(yīng)根據(jù)管徑、管道形狀、閥門與管附件的位置以及可生根的部位等因素綜合考慮后確定，通常需滿足下列設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）必須滿足支架標(biāo)準(zhǔn)中管道允許跨度的要求；

（2）在設(shè)備管嘴附近應(yīng)設(shè)支架，以減少管嘴受力；

（3）管道閥門及管附件附近需設(shè)置支架；

（4）有集中載荷時(shí)，支架要布置在靠近載荷的地方，以減少偏心載荷和彎曲應(yīng)力；

（5）盡可能利用船體結(jié)構(gòu)骨材作為支架的生根點(diǎn)，且應(yīng)考慮生根點(diǎn)所能承受的載荷。

初步確定了管道支架位置后，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步判斷出支承點(diǎn)所承受的載荷方向、管道的位移情況，結(jié)合管道工作溫度、管道材質(zhì)等條件，選用軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中合適的標(biāo)準(zhǔn)支架并進(jìn)行三維建模。待管路建模完成后，可直接導(dǎo)出支架草圖和帶支架位置、編號(hào)等信息的管路軸測(cè)圖（ISO圖），這兩份圖紙將作為管路應(yīng)力計(jì)算的設(shè)計(jì)輸入。

3.3 支架的驗(yàn)證計(jì)算

FPSO上有部分管線工作溫度、壓力條件比較苛刻，受力比較復(fù)雜，被定義為重要管線，這些管線的支架需通過(guò)應(yīng)力分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理；其余非重要管線支架應(yīng)由經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行校審，判斷其設(shè)計(jì)的合理性。下面將重點(diǎn)介紹重要管線支架的驗(yàn)證計(jì)算。

重要管線支架的驗(yàn)算一般是通過(guò)管道應(yīng)力計(jì)算來(lái)確定，本文以當(dāng)前FPSO上應(yīng)用較廣的CAESAR II應(yīng)力分析軟件為基礎(chǔ)，介紹管支架驗(yàn)算流程。首先，管道應(yīng)力計(jì)算工程師根據(jù)管路ISO圖建立重要管線的模型，并根據(jù)支架詳圖添加管路約束；然后對(duì)整條管道進(jìn)行靜力分析，通過(guò)調(diào)整不合理的管路布置、約束位置和類型，使整條管路應(yīng)力合格；最后把調(diào)整好的管路約束信息反饋到ISO圖上，并提交給管支架設(shè)計(jì)人員修改。

在重要管線的支架設(shè)計(jì)驗(yàn)算過(guò)程中，由于管道應(yīng)力分析與支架設(shè)計(jì)所用軟件不同，ISO圖將是雙方設(shè)計(jì)人員相互溝通的主要文檔，必須及時(shí)更新，詳細(xì)反映出相關(guān)支架信息。

3.4 支架修改出圖

管道支架經(jīng)過(guò)驗(yàn)證計(jì)算后，需根據(jù)相關(guān)意見完成修改，接下來(lái)就可以輸出管支架加工詳圖，支架詳圖必須經(jīng)管道應(yīng)力計(jì)算工程師會(huì)簽后方可下發(fā)車間施工。支架加工詳圖一般應(yīng)表示清楚支架型式、尺寸、定位、材料清單、對(duì)應(yīng)管線編號(hào)、其余的必要參數(shù)等，由于支架是通過(guò)選取標(biāo)準(zhǔn)選型圖集得出，支架圖可不用再表達(dá)焊縫高度、連接詳圖等細(xì)節(jié)信息。

4 管道支架設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

管道支架應(yīng)根據(jù)管道系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)構(gòu)想和規(guī)格書中的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

（1）在選擇管道支架的結(jié)構(gòu)型式前，應(yīng)仔細(xì)研究管道布置周圍的結(jié)構(gòu)及相鄰管道，支架必須生根在可靠的船體結(jié)構(gòu)上，且留有必要的操作維修空間；

（2）直接與管道接觸的支架零部件材料應(yīng)按設(shè)計(jì)溫度選用，且存在電極腐蝕的不同材料之間需用絕緣材料隔開；

（3）FPSO所處環(huán)境惡劣，管道支架設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少腐蝕可能，如：避免采用點(diǎn)焊、支架零部件設(shè)計(jì)不應(yīng)存在積液死角等；

（4）利用已有船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)置管道支架時(shí)，不應(yīng)破壞承載鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，并應(yīng)經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員同意。同時(shí)應(yīng)將管道支架的支反力提供給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，供其對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度進(jìn)行校核；

（5）支架應(yīng)按對(duì)其結(jié)構(gòu)最不利的組合載荷進(jìn)行選擇與設(shè)計(jì)；

（6）管道支架盡量選用已認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)支架，否則須經(jīng)過(guò)強(qiáng)度和/或剛度計(jì)算；

（7）管道支架宜設(shè)置在直管段上，不宜設(shè)置在局部應(yīng)力較高的部位；

（8）為降低因風(fēng)浪流等環(huán)境條件引起的船體運(yùn)動(dòng)所造成的對(duì)FPSO管路的影響，應(yīng)多設(shè)置一些導(dǎo)向支架。如無(wú)特別要求，2寸以下管路的支架全部采用導(dǎo)向支架，2寸以上管路兩相鄰支架中至少有一個(gè)導(dǎo)向支架。

5 結(jié)束語(yǔ)

管道布置、支架設(shè)計(jì)、管道應(yīng)力分析是FPSO配管設(shè)計(jì)不可分割的組成部分，設(shè)計(jì)人員在管道布置的過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮支架設(shè)置的可能性及合理性、管道應(yīng)力是否合格等因素，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、滿足使用要求的管道系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]ASME B31.3， Process Piping， 2008.

[2]海洋石油工程設(shè)計(jì)指南[M]. 石油工業(yè)出版社，2007.

[3]唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M]. 中國(guó)石化出版社，2003.