海洋石油平臺上部組塊注水泵管線應力分析

姚宇婷

（森松（江蘇）重工有限公司，上海 201323）

海洋石油平臺是集油氣處理、人員生活等多功能于一體的海上油氣綜合開發處理中心。目前，國內針對海洋石油平臺設計還面臨著較多難點，特別是海洋石油平臺上部組塊管道應力分析仍面臨著較多挑戰，國內也沒有專門針對海洋石油平臺上部組塊注水泵及其連接管線的專門研究。

本文基于CAESAR Ⅱ軟件，以ASME B31.3為計算評判標準，研究了上部組塊注水泵及其連接管線工藝流程、應力分析原則與計算思路，完成注水泵及連接管道柔性設計，調整了管道支架型式，滿足了管道標準規范要求。管道應力比及泵設備口、設備管口荷載滿足設計要求，并成功實施應用于渤海某項目中。

1 相關工藝流程

1.1 工藝流程

海洋石油平臺上部組塊的注水泵部分工藝流程主要包括：介質從膜式進水緩沖罐流出，進入主管后分為3路，先進入過濾器，經過濾器過濾進入注水泵，從注水泵出來匯入主管線，通過主管線再分解進入下一工藝流程。

在本案例中，前后匯管均設計為10英寸，注水泵前管線為10英寸，出口管線為6英寸，3組泵為兩用一備（第3組為常閉工況），工藝流程如圖1所示。

圖1 注水泵及管道工藝流程圖

1.2 設計參數

根據上述工藝流程，梳理出海洋石油平臺上部組塊注水泵及管道涉及到的設計環境參數以及地震加速度，見表1和表2。

表1 環境設計參數

表2 地震加速度g

2 管道應力分析

2.1 管道應力分析原則

管道應力分析主要包括對管道所受一次應力、二次應力、偶然應力進行分析評估。一次應力是指在重力、壓力或其他外載作用下所受應力，二次應力是指由于管道所受熱脹冷縮或附加荷載后產生的應力，偶然應力則需要考慮如風載、安全閥卸放等對管道的影響，因此，偶然應力也需要評估。通過對管道的應力分析評估，應有效降低管道一次應力、二次應力和偶然應力，降低泵口或設備管口荷載，滿足設計標準及規范要求，保證管道系統安全穩定運行[1-5]。

2.2 管道應力設計思路

（1）應校核模型整體應力比，應力宜不超過80%，超過80%應具體分析原因后調整。泵口、管口載荷應滿足規范及廠家要求，其中，泵口載荷可以按照API610的2倍校核、設備管口應滿足設備廠家提供的許用荷載值[6-10]。在滿足管道應力比的前提下，對管道支架位置及支架型式進行調整，如導向支架、止推支架等。對于敏感設備可以降低摩擦系數，鋼與鋼之間摩擦系數為0.3，鋼與PTFE板之間摩擦系數為0.1，通過降低摩擦系數可以實現降低管口荷載的目的。

（2）對于泵及連接管線的最低頻率應滿足4Hz及以上。滿足4Hz以上需要增加一定的支架，但是往往管線支架少，管口受力就能降低，應在滿足跨距的基礎上，滿足頻率要求。

通通過彈簧支架可以降低豎直方向的支架荷載值，可適當設置，不宜使用膨脹節吸收管口荷載。

3 案例應用分析

3.1 建立模型

根據工藝PID（流程圖）、管道ISO（安裝小票圖）、三維模型對應建立管道應力分析模型，如圖2～圖4所示。

圖2 注水系統應力分析計算模型

圖4 泵應力分析模擬模型

3.2 應力比分析

加載應力分析工況，輸入不同工況下的設計參數，對海洋石油平臺上部組塊的注水泵及連接管道進行計算分析，應力比結果見表3。通過對比結果，一次應力、二次應力和偶然應力校核均通過，最大一次應力和偶然應力均出現在6930節點，一次應力應力比為31%，偶然應力應力比為33.7%；二次應力應力比出現在7230及3930節點，最大二次應力應力比為16.0%，滿足設計要求。

表3 工況應力比

圖3 濾器應力分析模擬模型

3.3 設備管口荷載分析

在應力比滿足要求的前提下，對設備管口進行校核，經過計算，設備管口荷載超過許用值，見圖5和圖6中紅色圓圈標記處。設備管口載荷見表4。

表4 設備管口載荷

原因分析：設備管口按照固定方式模擬，見圖5和圖6中紅色圓圈標記處。管道熱漲時從固定點向底部下方熱漲，直到遇到下方支架后受力返回，因此豎直方向上受力增大，受力狀態如圖5和圖6所示。

圖5 設備管口荷載模型

圖6 設備管口荷載分析模型

解決辦法：通過刪掉該支架，豎直向受力下降，但是同時要考慮撓度的因素。因此考慮將該支架向遠離設備管口方向移動，這樣既能保證管線撓度，也能降低管口載荷。按以上思路調整后，滿足設備管口荷載受力要求，校核通過，調整后設備管口載荷見表5。

表5 調整后設備管口載荷

3.4 過濾器管口荷載分析

對過濾器口荷載進行校核分析，經過計算，過濾器管口荷載超過許用值。過濾器管口載荷見表6。

表6 過濾器管口載荷

通過在設計溫度下管道的熱漲變形可知，泵及過濾器均由固定點處向上熱膨脹，然而過濾器變形趨勢較泵明顯，如圖7所示。

圖7 過濾器管口變形趨勢（設計溫度）

模擬過程中，由于過濾器的高度與泵口底座高度存在高度差（約445mm），導致泵與過濾器熱脹不同步，過濾器比泵口多脹了約0.2mm，由此導致受力增大。因此，需要調整過濾器底座高度，使其與泵口底座高度一致，保持同步熱脹，調整后受力滿足要求。調整后過濾器管口載荷見表7。

表7 調整后過濾器管口載荷

3.5 泵口荷載分析

對泵口進行校核，經過計算，泵口荷載超過許用值，泵口載荷見表8。其中由于過濾器與泵存在高度差，不僅對濾器管口荷載產生影響，對泵口荷載同樣產生影響。同時，濾器底座支撐摩擦系數及泵出口相連接管道支架摩擦系數也對泵口荷載產生影響，如圖8所示。

表8 泵口載荷

圖8 泵設備模型

通通過調整濾器高度、調整泵進出口支架型式及摩擦系數，增加PTFE板，使得泵進出口荷載滿足標注要求，泵口受力見表9。

表9 調整后泵口載荷

經過上述分析后，還應考慮第三組C泵為備用泵常閉工況。同時也應分別考慮A泵、B泵互為備用泵情況，校核應力比、管口載荷、泵口載荷。經過模擬分析，結果均滿足設計標準要求。

3.6 頻率分析

最后，需要核算管道系統的固有頻率是否滿足要求，注水泵及直接連接管道部分，一般要求其系統固有頻率應滿足大于等于4Hz，以避免可能產生的振動事故。計算后注水泵及連接管道系統頻率見表10，結果滿足要求。

表10 注水泵頻率校核

3.7 結論

在海洋石油平臺上部組塊管道設計過程中，建議首先考慮采用管道自然補償方式來滿足管道應力比的需求，但往往上部組塊空間狹窄、受限，管道多，儀表、托架、結構梁多，增加了調整的難度。

通過調整管道的走向、增加管道柔性來降低管道應力比，以及泵口、管口載荷，滿足管口的受力、力矩要求。同時也可以考慮調整管道支吊架型式與位置，在距離泵設備口附件支架增設PTFE板的型式，以此降低管支架摩擦力，從而在保證管道應力比的同時降低管口荷載，使其在標準規范許用的范圍內。

4 結束語

本本文對海洋石油平臺上部組塊注水泵及其連接管線的設計及管道應力分析相關內容進行了研究，滿足了管道標準規范要求，應力比及泵設備口、過濾器設備管口荷載均滿足設計要求，并成功實施應用于渤海某項目中，為今后海洋石油平臺上部組塊管道設計，特別是注水泵管道設計提供了參考依據。同時，通過自主研究，掌握了海洋石油平臺上部組塊注水泵及其連接管線管道應力分析技術，有效降低了外委設計成本，為我國海洋石油平臺管道設計奠定了重要基礎。