深水半潜平台船体压载系统管道选材方案研究

纪志远 雷俊杰

海洋石油工程股份有限公司设计院, 天津 300451

0 前言

随着世界油气能源需求的不断增长,深海油气田开发已成为世界海洋油气领域的重要发展方向。深水半潜平台(Semi-submersible Platform)作为大型浮式结构物,是集油气处理、储卸油、生活、供电等多功能于一身的海上油气综合开发处理中心,其作业水深可达2 000 m,是深海油气田开发的重要装备[1-8]。深水半潜平台船体压载系统位于船体底部,具有稳定船体平衡,控制吃水、排水,减少船体变形及减轻船体振动的作用,对深水半潜平台船体系统十分重要[9-15]。在保证船体系统安全稳定的前提下,选取合适的管道材质应用于压载系统,实现管道应力水平、管道重量控制及整体经济性最佳的设计方案,成为各工程公司面临的棘手问题。因此,本文采用CAESAR II软件分别对采用碳钢涂塑、铜镍和玻璃钢三种管道材质的深水半潜平台船体压载系统进行研究,对比分析管道应力比、管道重量、管道穿舱载荷、管道固有频率以及经济性五个方面差异,并得出压载系统管道选材最佳推荐方案。

1 压载系统介绍

不同于浅海固定平台,深水半潜平台由上部组块与船体部分构成,船体部分可分为中间立柱和下部浮体,见图1。

图1 深水半潜平台示意图Fig.1 Semi-submersible platform

深水半潜平台下部浮体呈“回”字形结构,见图2。

图2 下部浮体“回”字形结构图Fig.2 The concentric square shape structure of hull

在平台调载过程中,位于浮体底部的压载系统通过压载水泵和压载管道将海水注入压载舱内以及排出船体,调整船体吃水深度。海水具有腐蚀性,因此适用于压载系统的管道材质主要有碳钢涂塑、铜镍和玻璃钢,材质属性对比见表1。

表1 三种耐海水腐蚀管道材质属性对比表

2 计算标准

结合深水半潜平台船体复杂运动及千年一遇工况环境要求,对船体金属管道设计选用标准ASME B31.1—2016《动力管道》,相较于ASME B31.3—2014《工艺管道》对材料的许用应力限定更低,计算结果更保守。碳钢涂塑管道及铜镍管道计算标准选用ASME B31.1—2016《动力管道》。

玻璃钢管道是非金属管道,计算标准选用UKOOA—1994《海洋平台玻璃钢管的使用规范及操作规程》[16-18]。

3 计算分析

3.1 设计参数

以某深水半潜平台船体压载系统为例,计算直径324 mm压载系统管道,介质为海水,设计温度50 ℃,操作温度35 ℃,最低环境温度11 ℃,设计压力1 700 kPa,水压试验压力2 550 kPa。

基于相同设计压力,结合管道商业壁厚资料,碳钢涂塑管道壁厚选取9.525 mm,铜镍管道壁厚选取7 mm,玻璃钢管道壁厚选取4.9 mm。

3.2 计算模型

在CAESAR II软件中,建立深水半潜平台船体压载系统管道计算模型,模型边界为管道固定穿舱,见图3。管道固定穿舱与管道导向穿舱设计方案见图4。

图3 压载系统管道计算模型图Fig.3 Piping calculation model of ballast system

固定穿舱 导向穿舱图4 管道固定穿舱与管道导向穿舱示意图Fig.4 Piping fixed and guided penetration

3.3 定义工况

压载系统管道应力分析需要考虑以下载荷:管道重量荷载W,充水管道重量WW,设计压力荷载P1,水压试验HP,设计温度T1,操作温度T2,最低设计温度T3,风荷载WIN1与WIN2,船体运动加速度荷载U1、U2、U3。持续应力工况为SUS,操作工况为OPE,偶然工况为OCC,热膨胀工况为EXP,工况组合见表2。

表2 操作工况组合表

4 方案对比

4.1 管道应力比

分别应用碳钢涂塑、铜镍和玻璃钢三种管道材质进行模拟计算,计算所得水压工况、持续工况、热膨胀工况、偶然工况下最大应力比见图5。

图5 管道最大应力比图Fig.5 Maximum piping stress ratio

由图5可知,三种管道材质管道应力水平均小于100%,满足标准要求,碳钢涂塑管道应力水平低,铜镍管道居中,玻璃钢管道较前两种材质应力水平高。水压工况下,玻璃钢管道应力水平较铜镍管道、碳钢涂塑管道应力水平高约18%及52%;持续工况下,玻璃钢管道应力水平较铜镍管道、碳钢涂塑管道应力水平高约23%及62%;铜镍管道应力水平较碳钢涂塑管道应力水平高约58%;偶然工况下，玻璃钢管道应力水平较铜镍管道、碳钢涂塑管道应力水平高约22%及64%。

4.2 管道重量

重量控制对深水半潜平台十分重要,重量的变化会影响深水半潜平台的装载和压载能力。当实际空载重量超过设计重量时,深水半潜平台的装载能力会降低,严重时可导致倾覆；反之，空载重量低于设计重量,因压载能力受限,深水半潜平台在满压载水状态仍不能达到下潜深度,会直接影响功能使用[19-20]。

分别应用碳钢涂塑、铜镍和玻璃钢三种管道材质,对比计算同一压载系统管道重量,见图6。

图6 管道重量对比图Fig.6 Piping weight comparison

由图6可知,碳钢涂塑管道重量比铜镍管道与玻璃钢管道重1.68 t和9.25 t。

4.3 管道穿舱载荷

分别应用碳钢涂塑、铜镍和玻璃钢三种管道材质进行模拟计算,评估节点2530与节点1060的管道固定穿舱处荷载,见图7～ 8。

由图7可知，节点2530处玻璃钢管道的受力最小。在Fx方向受力较碳钢涂塑、铜镍管道降低约87%与82%;在Fy方向受力降低约74%与27%;在Fz方向受力降低约81%与71%。

图7 节点2530管道固定穿舱处载荷图Fig.7 Loads of piping fixed penetration node 2530

图8 节点1060穿舱处载荷图Fig.8 Loads of piping fixed penetration node 1060

由图8可知，节点1060处玻璃钢管道受力最小。在Fx方向受力较碳钢涂塑、铜镍管道降低约89%与87%;在Fy方向受力降低约78%与68%;在Fz方向受力降低约86%与78%。

对比分析出现以上差异原因,玻璃钢管道弹性模量较碳钢涂塑、铜镍管道小,在受到相同外力下,管道柔性更好、自身更易变形,因此，相较其他两种管道材质玻璃钢管道受力更小。

4.4 管道固有频率

压载系统管道位于下部浮体底部,船体结构中垂中拱变形通过支架传递到管道,长期交变荷载作用下存在疲劳风险。因此,需要进一步评估管道的固有频率,从而提高压载系统管道抵抗船体变形的影响。

评估应用于碳钢涂塑、钢镍和玻璃钢三种材质的管道固有频率，见图9。

图9 管道固有频率对比图Fig.9 Comparison of piping natural frequency

管道固有频率越高,产生系统共振的可能性越低,系统越稳定。由图9可知,三种管道材质一阶固有频率均大于4 Hz,满足设计标准要求。碳钢涂塑管道固有频率最高、铜镍居中、玻璃钢最低。分析原因，主要为碳钢涂塑的刚度比较铜镍、玻璃钢大,管道更不容易产生相对变形趋势,因此管道固有频率比铜镍、玻璃钢大。

4.5 经济性

从经济性角度分别应用碳钢涂塑、铜镍和玻璃钢三种管道材质进行评估,价格对比见图10。应用铜镍材质的价格比碳钢涂塑与玻璃钢高约91%与93%(参考2020年4月现货市场平均价,仅供参考)。

图10 经济性对比图Fig.10 Comparison of price

4.6 结果分析

基于以上计算结果,应用CAESAR II软件，模拟碳钢涂塑、铜镍和玻璃钢三种管道材质运用于深水半潜平台船体压载系统,将管道应力比、管道重量、管道穿舱荷载、管道固有频率以及经济性这五个方面按照最优、较好、一般三个等级进行评估,见表3。

表3 三种管道材质对比分析汇总表

由表3可见，玻璃钢的管道应力比满足标准要求,管道重量最轻，管道穿舱荷载最低，管道固有频率满足标准要求,同时经济性最佳,选择玻璃钢应用于压载系统管道,可满足管道使用、安全、经济等方面要求。

5 结论

压载系统对于深水半潜平台船体至关重要,本文基于CAESAR II软件,分别采用碳钢涂塑、铜镍和玻璃钢三种管道材质对深水半潜平台船体压载系统进行了方案研究,对比分析了管道应力比、管道重量、管道穿舱载荷、管道固有频率以及经济性等方面的差异,给出了深水半潜平台最佳推荐方案。