移動注熱平臺棧橋蒸汽管線設計方案

王春霞,雷俊杰,郝孟江,陳修輝,紀志遠

(海洋石油工程股份有限公司 設計院,天津 300451)

0 引 言

我國海上稠油資源豐富，渤海灣已探明多個稠油油田，儲量巨大。高效、經濟、安全的開發模式對稠油資源的開采具有重要意義。目前稠油資源的開發主要采用蒸汽吞吐、蒸汽驅、蒸汽輔助重力泄油等3種方式。渤海區域主要采用蒸汽吞吐的方法，原理是周期性地向油田注入蒸汽，加熱油層，降低原油黏度。實現稠油熱采需要配套鍋爐水處理、注汽鍋爐、氮氣系統、高黏原油集輸等配套工藝技術[1]，設計難度大、成本高，傳統模式是每個熱采平臺單獨配置一套鍋爐設備，無法實現各區塊規?；_發，經濟效益差。

渤海某油田開發項目突破傳統開發模式，首次利用自升式移動注熱平臺交替為熱采平臺提供注熱蒸汽，實現多個平臺的資源共享，降低鍋爐等設備的成本，提高稠油熱采的經濟效益。

1 棧橋與平臺連接方式

移動注熱平臺與熱采平臺通過棧橋連接，如圖1所示。

圖1 棧橋連接方案

棧橋采用旋轉設計方案，旋轉系統安裝在移動平臺端支撐立柱上；在固定平臺端設置搭接裝置，配置水平、豎直方向擋塊，約束棧橋過度運動。在進行海上安裝時，棧橋通過旋轉裝置旋至固定平臺端的搭接端進行安裝。棧橋在橫向分成2部分：一部分作為人行通道；一部分作為管道和電纜通道，為其提供支撐結構。棧橋蒸汽管線與兩端平臺采用硬管連接，在兩端棧橋連接處設置法蘭連接。在平臺移位時，通過法蘭將兩端管線拆除，棧橋收回放置到移動平臺休息臂上。

2 蒸汽管線工況定義

在移動注熱平臺進行海上作業時，需要分析其靜態工況和疲勞工況。

2.1 靜態工況

靜態工況按照載荷類型分為持續載荷、位移載荷、偶然載荷。持續載荷包括重力(管道、流體、保溫)、壓力載荷；位移載荷包括由溫度、棧橋位移造成的載荷；偶然載荷包括風、地震載荷?；竟r如表1所示。

2.2 疲勞工況

按照應變類型，疲勞分為低周疲勞和高周疲勞。低周疲勞的特點是高應力、低壽命(小于105次)，在疲勞中起主導作用的為循環應變，低周疲勞也被稱為應變疲勞或塑性疲勞。高周疲勞的特點是低應力、高壽命(疲勞壽命一般不低于105次)[2]。移動注熱平臺在通過棧橋蒸汽管線輸送蒸汽時，既有注熱啟停溫度變化引起的低周疲勞，又有波浪周期運動引起的高周疲勞。

某項目有2座熱采平臺，所處區域的波浪參數如表2所示。作業工況選擇一年一遇的波浪參數，自存工況選擇百年一遇的波浪參數。疲勞分析考慮3種疲勞工況：注熱啟停管道熱脹冷縮作用下的低周疲勞；作業工況波浪運動引起管道變形的高周疲勞；自存工況波浪運動引起管道變形的高周疲勞[3]。

某項目移動注熱平臺的設計壽命為20 a，前期注熱方案為蒸汽吞吐，交替服役于2座熱采平臺，共16個注熱周期，后期轉為化學輔助蒸汽驅，固定在1座平臺持續注熱。根據波浪周期，計算出在設計壽命內的高周疲勞循環次數如3表所示。

3 疲勞分析方法

3.1 理論基礎

管道疲勞分析方法一般分為疲勞極限分析法、ASME B31.3疲勞分析方法、疲勞累積損傷法等3種。本項目采用后2種相結合的分析方法。

ASME B31.3疲勞分析方法通過控制計算位移應力SE在規范許用的范圍之內來防止疲勞的發生。ASME B31.3規定材料的計算位移應力SE不能超過材料的許用位移應力SA[4]：

SE≤SA=f(1.25Sc+0.25Sh)

(1)

疲勞累積損傷法基于材料的疲勞曲線(S-N曲線)和Miner線性累計損傷理論[5]。該理論認為，當材料結構在多交變應力作用下發生疲勞破壞時，其總的損傷量D是各應力范圍水平下的損傷量之和：

(2)

式中：k為多交變應力范圍分級的個數，各級應力范圍用Si表示；ni為應力范圍Si在壽命內的實際循環次數；Nia為材料達到疲勞極限所允許的循環次數。用D來度量材料結構的疲勞累積損傷，當D=1時，認為材料發生疲勞破壞。

3.2 分析步驟

(1)基于ASME B31.3 確定各疲勞工況下的最大應力范圍SE。蒸汽管線的材質為A106B，設計溫度為390 ℃，最低環境溫度為-17.2 ℃。對應的Sc為138 MPa、Sh為105 MPa。保守考慮，f設置為0.8，求得SE為160 MPa。

(2)計算波浪運動引起的疲勞工況下全位移當量循環次數N。表3中計算的循環次數沒有考慮不同浪高作用在管道上的交變應力的差異性。由波浪玫瑰圖(見圖2)可知：低浪高出現的概率高，但交變應力小，對應的位移應力范圍小，在全壽命內的許用循環次數多；高浪高出現的概率低，但交變應力大，對應的位移應力范圍大，在全壽命內的許用循環次數少。應用DNV-RP-C203[6]的韋伯函數統計方法，假定最大浪高對應的位移應力范圍為SE，以0.1 m浪高為步長，計算每個浪高在對應位移應力范圍內的當量循環次數：

(3)

圖2 熱采平臺1波浪玫瑰圖

式中：Δσ為每個浪高對應的位移應力范圍，MPa；Q(Δσ)為超出應力范圍Δσ出現的概率，應力范圍出現的概率應為1-Q(Δσ)；q為韋伯函數尺度因子；h為韋伯分布函數形狀因子，根據循環次數和最大應力范圍，查DNV NOTES No.30.7 Table B-1，取1.04。

當量循環次數的折算公式為

(4)

式中：Δσ0為計算的最大位移應力范圍，MPa；Nwi為每個浪高單獨作用下引起的循環次數，Nwi=N0{1-Q(Δσi)-N0[1-Q(Δσi-1)]}，其中N0為生命周期內的循環次數。

根據API RP 2A-WSD(2010)，棧橋管線考慮2倍疲勞設計因子。平臺1在作業工況下的浪高為4.6 m，峰值應力范圍為160 MPa，在生命周期內的循環次數為48 450 033，韋伯函數形狀因子h為1.04，韋伯函數尺度因子q為10.098。波浪運動的全位移當量循環次數統計結果如表4所示。

表4 韋伯函數統計結果

同理，計算出平臺1在自存工況下以及平臺2在作業工況和自存工況下的全位移當量循環次數。將各工況進行累加，得出蒸汽管線在設計壽命內總全位移當量次數N=11 772。計算應力減小系數f=0.92。

編制疲勞分析工況。根據第2節定義的靜態工況和疲勞工況以及第3節計算的全位移當量循環次數。編制疲勞分析工況如表5所示。

表5 疲勞分析工況

確定疲勞分析曲線(S-N)。根據蒸汽管線的材料和溫度選用ASME Ⅷ DIV.2 ANNEX 3-F Figure 3-F.1M[7]作為疲勞分析曲線(見圖3)。該曲線適用于溫度不超過371 ℃的碳鋼，本研究課題蒸汽的最高操作溫度為355 ℃，在曲線的適用溫度范圍之內。蒸汽的最高設計溫度為390 ℃，超過曲線的最高溫度，但考慮設計溫度屬于事故溫度，發生的概率低、時間短，而疲勞分析考慮的是長期周期應力作用的結果，因此可基于該疲勞曲線進行疲勞分析。

圖3 溫度不超過371 ℃、拉伸強度不超過552 MPa的碳鋼疲勞曲線

4 棧橋蒸汽管線方案設計

4.1 方案描述

為滿足移動注熱平臺及棧橋能適應不同作業油田的差異性，減小棧橋位移對固定平臺和移動平臺內端管線布置的影響，盡可能在固定平臺和移動平臺與棧橋連接位置附近設置固定支架，主要通過在棧橋上設置π形彎來吸收棧橋位移及高溫引起的管道熱應力。

棧橋軸向位移達930 mm，考慮增加垂直于棧橋軸向的管段，即增加π形彎進行長度補償；棧橋側向位移達3 839 mm，考慮利用棧橋與平臺的高度差，或設置豎直π形彎進行補償。根據上述設計思路，對3種管道布置方案進行詳細的靜態分析和疲勞分析。

3種方案的管道布置如圖4～圖6所示。方案1在靠近熱采平臺端設置2個方向相反的水平π型彎，由于棧橋的尺寸限制，π型彎懸至棧橋外部。方案2在靠近熱采平臺端設置1個水平π型彎和1個豎直向下的π型彎。方案3在靠近熱采平臺端設置1個水平π型彎和1個豎直向上的π型彎。

圖4 方案1

圖5 方案2

圖6 方案3

4.2 分析結果

采用CAESARⅡ軟件分別對3種方案進行分析，3種方案的位移應力云圖和疲勞應力云圖如圖7～圖12所示，疲勞累積損傷率分別為0.38、0.06、0.03。

圖7 方案1位移應力云圖

圖8 方案2位移應力云圖

圖9 方案3位移應力云圖

圖11 方案2疲勞應力云圖

圖12 方案3疲勞應力云圖

4.3 方案對比

將應力分析結果、棧橋結構、管道維護等方面進行綜合對比，結果如表6所示。由表6可知，方案3的位移應力和疲勞應力最小，結構的附加設計少、占用空間小，可滿足蒸汽管線安全、經濟方面的要求。

表6 方案對比

5 結 論

(1)蒸汽管線高溫高壓且受棧橋大位移的影響，具有很高的危險性。必須進行管道靜態分析、疲勞分析，以對管道的安全性進行評估，保證生命財產的安全。

(2)棧橋蒸汽管線與移動注熱平臺及熱采平臺之間通過硬管(碳鋼材質)連接，采用管道自然補償,可吸收蒸汽高溫熱位移及平臺相對移動的棧橋大位移,同時消除波浪周期運動引起的管道疲勞。

(3) 借助韋伯函數的數據統計方法,考慮不同波高對管道作用的差異性,計算各波高對應的位移應力范圍,折算當量循環次數。與采用最大波高相比,設計更接近波浪真實的作用情況,避免設計冗余。

(4) 棧橋管線的布置方案除了需要考慮管道應力外,還需要考慮棧橋結構的強度、棧橋回放時布置空間的可行性、工藝的合理性等。

(5) 為滿足移動注熱平臺服役于不同平臺的兼容性,蒸汽管線布置方案在固定平臺和移動平臺端靠近棧橋連接處設置固定支架,將棧橋位移對平臺內部管線的影響限定在有限的范圍內。在詳細設計階段,在保證棧橋上管線方案不變的前提下,可將固定點的位置根據平臺內管道的柔性進行調整。

(6) 根據熱采平臺的移動需求,蒸汽管線與注熱平臺端管道連接須采用安全可靠的形式。本方案設計的是法蘭連接,并通過法蘭泄漏校核。但考慮熱采平臺實際就位的偏差,盡可能減少泄漏的原則,采用焊接的方案更可靠。