葉茂盛，鄭 瑋，馬君誠

(1.海洋石油工程股份有限公司 天津300451；2.中交疏浚(集團(tuán))股份有限公司 北京100013)

1 研究背景

中海油在役平臺的產(chǎn)量已不能滿足國內(nèi)對石油資源日益增長的需求，因此需要對在役平臺進(jìn)行改造，通過增設(shè)立管，鋪設(shè)海底管道以增加油氣產(chǎn)出量。目前，對平臺后安裝立管項目的立管管卡結(jié)構(gòu)設(shè)計一般有2種形式。

1.1 無預(yù)留立管卡子基座平臺

這類平臺通常在項目開發(fā)階段未設(shè)計預(yù)留立管卡子基座，平臺投產(chǎn)后需進(jìn)行適應(yīng)性改造，增加立管以提高產(chǎn)量。針對這一類型平臺的改造，通常設(shè)計抱卡結(jié)構(gòu)與平臺導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)連接以達(dá)到固定立管結(jié)構(gòu)的目的(圖1)。

圖1 無預(yù)留立管卡子基座平臺立管管卡結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Riser clamp for platform without reserved base for riser clamp

1.2 有預(yù)留立管卡子基座平臺

這類平臺通常在項目開發(fā)階段已經(jīng)設(shè)計預(yù)留立管卡子基座，平臺投產(chǎn)后，便于提高產(chǎn)量，對其進(jìn)行改造增加立管結(jié)構(gòu)。這一類型平臺通常在渤海海域，因水深較淺預(yù)留卡子數(shù)量少(一般設(shè)計 3～4個預(yù)留卡子基座)，可調(diào)整空間較大，海上施工難度小。針對此特點，一般設(shè)計與預(yù)留基座匹配的固定式法蘭盤螺栓連接結(jié)構(gòu)以達(dá)到固定立管結(jié)構(gòu)的目的(圖2)。

圖2 帶預(yù)留立管卡子基座平臺立管管卡結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Riser clamp for platform with reserved base for riser clamp

2 新型立管管卡結(jié)構(gòu)方案

隨著海洋油氣勘探開發(fā)不斷向深水領(lǐng)域發(fā)展，較深水固定平臺的適應(yīng)性改造項目在近幾年逐漸增多。對帶有預(yù)留基座的較深水固定平臺的后安裝立管改造項目，預(yù)留基座設(shè)計數(shù)量多(12個以上)，且預(yù)留基座在制造、組對和安裝過程中存在一定的偏差。

本論文基于南海某較深水固定平臺的立管改造項目，該平臺導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)有預(yù)留卡子基座 13個。本次后安裝立管改造需要利用現(xiàn)有基座設(shè)計立管管卡結(jié)構(gòu)。

該平臺導(dǎo)管架建造方僅在預(yù)留基座法蘭盤陸地安裝完成后進(jìn)行了測量，測量數(shù)據(jù)顯示僅有基座法蘭盤中心位置處在水平和縱向兩個方向上與設(shè)計值偏差(圖3，表1)，未對預(yù)留基座法蘭盤上螺栓孔的角度進(jìn)行測量。根據(jù)現(xiàn)場實測反饋，預(yù)留基座 12點位置螺栓孔偏離原設(shè)計位置大約5°。

圖3 建造方預(yù)留基座質(zhì)檢報告數(shù)據(jù)及測量位置Fig.3 Data and location of reserved base for riser clamp

若采用固定法蘭盤螺栓連接的卡子基座形式，立管極有可能無法被立管管卡固定而導(dǎo)致項目失敗。為此，根據(jù)項目的實際情況，提出了可旋轉(zhuǎn)式法蘭盤的管卡結(jié)構(gòu)，由立管連接的卡子結(jié)構(gòu)、支撐管、可旋轉(zhuǎn)法蘭盤以及盲板組成(本論文著重研究后3部分內(nèi)容)。此管卡結(jié)構(gòu)基于摩擦原理，通過對螺栓施加預(yù)緊力壓緊固定。該方案消除了卡子基座在建造、組對和安裝過程中產(chǎn)生的偏差，切實降低了立管安裝風(fēng)險。可旋轉(zhuǎn)法蘭盤管卡結(jié)構(gòu)方案見圖4。

表1 建造方預(yù)留基座測量值Tab.1 Detailed data of reserved base for riser clamp

圖4 可旋轉(zhuǎn)法蘭盤管卡結(jié)構(gòu)方案Fig.4 Riser clamp structure with rotatable flange

3 新型立管管卡結(jié)構(gòu)核算

可旋轉(zhuǎn)法蘭盤管卡結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行立管管卡穩(wěn)定性和強度核算。

3.1 新型立管管卡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性核算

可旋轉(zhuǎn)法蘭盤管卡結(jié)構(gòu)通過螺栓施加預(yù)緊力，預(yù)緊力通過法蘭盤至盲板與預(yù)留基座法蘭盤接觸以固定立管管卡支撐結(jié)構(gòu)。一方面立管管卡受立管的荷載產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩，另一方面立管管卡受環(huán)境荷載影響也會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩。因此，設(shè)計的可旋轉(zhuǎn)管卡結(jié)構(gòu)與預(yù)留基座的摩擦力應(yīng)能抵抗立管荷載以及環(huán)境荷載所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩。為保證摩擦力產(chǎn)生的抗旋轉(zhuǎn)扭矩大于立管荷載及環(huán)境荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩而不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，需要進(jìn)行以下3方面的校核。

3.1.1 螺栓預(yù)緊力的確定

設(shè)計選取 ASTM A193 B7M[1]螺栓，按照 AISC規(guī)范[2]要求計算其預(yù)緊力，同時考慮該平臺預(yù)留基座的強度影響螺栓預(yù)緊力的取值。利用ANSYS軟件建有限元模型，對法蘭盤施加荷載進(jìn)行計算。經(jīng)核算，在預(yù)留基座結(jié)構(gòu)強度滿足要求的情況下，確定允許螺栓的最大預(yù)緊力。分析模型見圖 5，有限元分析結(jié)果見圖6。

圖5 預(yù)留卡子基座實體結(jié)構(gòu)及有限元分析模型Fig.5 Reserved base for riser clamp and FEA model

3.1.2 抗旋轉(zhuǎn)扭矩計算

按照 OTH 88 283[3]要求，水下螺栓連接需要考慮一定的安全系數(shù)和折減系數(shù)。盲板與預(yù)留卡子基座間的摩擦系數(shù)按現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)取值(表2)。

圖6 預(yù)留卡子基座有限元分析結(jié)果Fig.6 FEA result of reserved base for riser clamp

表2 鋼板摩擦力系數(shù)現(xiàn)場實驗結(jié)果Tab.2 Steel friction coefficient test result

計算得到可旋轉(zhuǎn)法蘭盤管卡結(jié)構(gòu)的抗旋轉(zhuǎn)扭矩值為55.18kN·m，具體見表3。

表3 可旋轉(zhuǎn)法蘭盤管卡結(jié)構(gòu)抗旋轉(zhuǎn)扭矩計算Tab.3 Torque resistance calculation for Riser Clamp with Rotating Flange

3.1.3 可旋轉(zhuǎn)法蘭盤是否發(fā)生旋轉(zhuǎn)判斷

根據(jù)相關(guān)專業(yè)提供的卡子反力以及環(huán)境荷載計算可旋轉(zhuǎn)管卡法蘭盤處的實際旋轉(zhuǎn)扭矩，并與抗旋轉(zhuǎn)扭矩值進(jìn)行對比，見表4。

表4 可旋轉(zhuǎn)法蘭盤管卡結(jié)構(gòu)實際旋轉(zhuǎn)扭矩以及抗旋轉(zhuǎn)扭矩對比Tab.4 Actual torque and torque resistance compari-son for riser clamp with rotating flange

根據(jù)上述計算結(jié)果得出：可旋轉(zhuǎn)法蘭盤管卡結(jié)構(gòu)固定后，由摩擦力產(chǎn)生的抗旋轉(zhuǎn)扭矩大于實際旋轉(zhuǎn)扭矩。因此，可旋轉(zhuǎn)法蘭盤管卡結(jié)構(gòu)不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

3.2 新型立管管卡結(jié)構(gòu)強度校核

可旋轉(zhuǎn)法蘭盤管卡結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部位為法蘭盤結(jié)構(gòu)部分，采用ANSYS軟件對法蘭盤結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行強度校核。在ANSYS中建立可旋轉(zhuǎn)法蘭盤管卡結(jié)構(gòu)模型，施加螺栓預(yù)緊力以及實際扭矩進(jìn)行計算，模型及施加荷載見圖 7，軟件計算結(jié)果顯示強度滿足要求，具體結(jié)果見表 5，可旋轉(zhuǎn)法蘭盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖見圖8—圖12。

表5 可旋轉(zhuǎn)法蘭盤管卡結(jié)構(gòu)應(yīng)力匯總表Tab.5 Stress analysis for riser clamp with rotatable flange

圖7 可旋轉(zhuǎn)法蘭盤結(jié)構(gòu)模型及施加荷載Fig.7 Model and applied load of riser clamp with rotating flange

圖8 可旋轉(zhuǎn)法蘭盤結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力云圖Fig.8 Overall stress cloud of riser clamp with rotatable flange

圖9 法蘭盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud of rotatable flange

圖10 支撐管應(yīng)力云圖Fig.10 Stress cloud of support pipe

圖11 盲板應(yīng)力云圖Fig.11 stress cloud of blind plate

圖12 法蘭盤與盲板接觸面應(yīng)力云圖Fig.12 Stress cloud of contact surface between rotatable flange and blind plate

4 總 結(jié)

本文根據(jù)較深水固定平臺預(yù)留立管卡子的特點并結(jié)合平臺現(xiàn)場調(diào)研的情況，創(chuàng)造性地提出了可旋轉(zhuǎn)式法蘭盤立管管卡的結(jié)構(gòu)形式，解決了預(yù)留卡子基座在建造、組對和施工過程中產(chǎn)生的誤差以及現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)的問題，并對此新型立管管卡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了 2部分校核：①新型立管管卡穩(wěn)定性校核。此部分首先通過預(yù)留立管卡子基座的強度確定螺栓預(yù)緊力，同時，根據(jù)現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)的摩擦系數(shù)確定新型管卡的抗旋轉(zhuǎn)扭矩，并與實際旋轉(zhuǎn)扭矩進(jìn)行對比。②新型立管管卡強度校核。此部分采用ANSYS軟件對新型立管管卡的支撐管、盲板和可旋轉(zhuǎn)法蘭盤進(jìn)行了強度校核。

可旋轉(zhuǎn)法蘭盤管卡結(jié)構(gòu)設(shè)計在實際工程項目中得到了成功應(yīng)用，不僅提高了海上施工效率，節(jié)省了投入，創(chuàng)造出了較大的經(jīng)濟(jì)價值，同時可旋轉(zhuǎn)式法蘭盤結(jié)構(gòu)設(shè)計消除了預(yù)留卡子基座在建造、組對和施工過程中產(chǎn)生的誤差，切實降低了立管安裝的風(fēng)險，也為后續(xù)類似項目的后安裝立管改造設(shè)計提供了新的設(shè)計思路和方法。