海洋导管架平台立管设计方法研究

海洋导管架平台立管设计方法研究摘要：本文以在近海某处从现有的2平台到拟定1平台的管道铺设设计为例说明此类设计的过程。

假定1位于2油气生产设备以西大约53km。

1区域的水深是53m。

采用10英寸的全井流管线将1的油气输送到2全套设备进行进一步的加工。

进行管线和立管的基本设计是为1平台到2平台的10英寸全井流管线的详细工程设计提供所有需要的数据和参数。

因此，在管线和立管设计中始终依照本文，用以把握管线立管设计过程中所有设计参数的变化。

关键词：海底管线立管设计平台1 设计准则和标准管线系统的设计优先满足最新的国家标准和ISO/API规范标准。

如果政府或地方当局的法律法规比国家标准更加严格，则优先采用前者。

背离与这些标准的部分应该经客户的同意和批准。

初步的管线和立管系统设计准则应该和国家规范保持一致。

2 系统描述2.1测量参数包括：DGPS卫星数据、地方统计调查数据、基准面移参数2.2平台位置需列出拟定平台的UTM坐标：平台1，东699100.00英尺，北1363600.00英尺；平台2，东867180.83英尺，北1365919.87英尺。

2.3管线和立管工作参数管线和立管工作参数包括公称直径、材料等级、作业状态、管道长度、设计压力、水压试验压力、法兰额定值、最大工作压力、设计温度、最大工作进口温度、流量、设计寿命、最大油气密度、最小油气密度。

2.4生产工具生产工具规定详见参考文献5。

井内流体：井流流体成分和原油属性参照参考文献6。

2.5管线钢属性下面的钢材料属性包括钢的公称直径、钢密度、杨氏模量（E）、泊松比（ν）、膨胀系数、热传导系数、结构阻尼系数。

材料大致包括碳钢、阴极铝合金、混凝土重量涂层、安装接头填充材料（海洋胶泥）、3层聚丙烯、沥青瓷漆，材料密度取值根据不同的材料参照规范选取合适的数值。

2.6环境数据除非另作说明，环境数据都来自于实际工作海域的考察和气象预报数据以及DNV规范中有关的规定。

包括风、浪、流的数据。

2.7海水属性海水属性应该遵照：密度= 1025 kg/m3近海床最小温度= 21 ℃近海床最高温度= 24 ℃2.8水动力系数管线和立管的环境荷载一般来源于波浪和流。

水动力荷载的计算需要使用Pierson Moskovits波谱方程来得到升力，拖曳力和惯性力，在DNV 1981年的规范中（参考文献2）有详细定义。

管道和立管设计中用以计算波、流载荷的水动力系数列于表3.14中。

2.9海生物关于立管组装的海生物厚度在平均海平面中被假定为90mm。

海生物厚度随水深的增加而减小，假定水深每增加2米，厚度减小1mm。

海生物的密度被假设为和海水密度相同。

海生物的密度取为1025 kg/m3，也就是海水的密度。

假定搁在海底的管道不存在海生物。

2.10岩土数据一般情况下，海床顶部土层可分类为从极软的到软的沙质/淤粘土以及偶尔存在的表面薄层沙。

土壤属性通过1到2平台拟定的管道路径分析最终报告[参考文献.8] 和1到2路径分析最终实际报告V ol.1得到。

值来源于深度不超过0.3米的土壤样品。

2.11 管道/土壤摩擦系数管道膨胀分析中将纵向摩擦系数定为0.40。

管道稳定性分析所需的横向摩擦系数按照国家规范中说明的土壤类型与切变强度来计算。

土壤对管线运动的阻碍作用是由传统的土壤摩擦组成，且同时由于管道的埋设，它也是摩擦的一部分。

2.12管道内部腐蚀已经进行了的管道内部腐蚀的研究,是为了估计拥有一定腐蚀余量的碳素钢的适用性。

此估计以管道的设计工作条件为基础，且使用了De Waard和Milliams1975年得出后经C.de Waard和U Lotz修正的公式。

按保守的假设，管道从头到尾的工作温度和压力被认为一样的。

根据研究结果，从1平台到2平台的管道材料推荐使用具有3毫米腐蚀余量的碳素钢。

3 管道的设计技术要求除非另有说明，此节的管道的设计技术要求按照标准管道工程惯例。

3.1管道路径将遵循以下的路径标准：（1）最短的实际路程（2）到达平台的困难的方法的回避（3）路径的选择需使管道沿着较平坦的海底，无论何处尽可能的避免海底低洼处，这种地形可能会导致过大的管线跨距、珊瑚的生长、摇动的地表岩层、柔软的或液化的泥土以及其他海底障碍物。

（4）靠近海上平台的管道应尽可能的被安排在走廊里，以有助于锚泊船只的支持和未来平台的建筑活动。

（5）同时还需考虑到被计划的气体运送管道，从而才能得到一种为将来的气体运送和FWS管线安装的可接受的平台方法。

（6）管道路径还应避开平台装载或着陆区域。

立管不应放置在火炬/排气臂下。

（7）在顾及安装方法的同时，管道路径还需考虑驳船的锚泊形式、平台的船只可达性和锚链起锚抛锚的运动。

（8）路径的选择也应以管线在新旧平台的铺设为基础，靠近平台处的路径至少500米是直线。

（9）管道或缆绳应尽可能在可能出现交叉的地方避免交叉。

当交叉不可避免时，现存管道或水下缆绳在交叉处的角度应不小于30度。

（10）当邻近一个现存的管道安装时，两根平行的管道的最小距离应不小于15米，或者是这个数值和与此相对应的安装设备，以较高者为准（除了在接近平台的情况下）。

根据水深和安装方法，从平台，走廊里的管道之间的距离应在大约25到50米之间更好。

（11）假定在井内采用钻机锚泊方式。

在选择最终的管道路径之前，需要得到海上勘探调查的基本资料，包括海底地形，水深，平台定位，海床起伏，障碍物和土壤数据等等。

路径选择须依照国家规范。

3.2许用标准应力根据DNV规范相关内容，查询许用标准应力值。

3.3管道区域划分管道系统将被分成Zone 1和Zone 2两类，定义如下：Zone 2:是管线系统的一部分，位于近海平台从水下立管底部，包括超过管道底部弯端或装配至少五倍的管道直径的多余长度Zone 1：指管线系统的剩余部分3.4管道壁厚常量自然力（OD）原理在设计中被采用，且此设计以客户协议和生产能力为基础。

3.4.1关于内部压力的设计管道由于内部压力受到周向的箍应力。

所需的最小壁厚按照参考3中的详细说明。

管道壁厚将使用OPR公司内部研发并被验证了的电子计算表来计算。

3.4.2关于外部压力的设计安装和运转两种情况下（最恶劣载况）的计算都使用OPR公司内部研发并被验证了的电子计算表来进行。

使用最大水深（HAT）来计算静力流体压力，此最大水深（HAT）包括风暴高度和百年一遇的浪高。

3.4.3其他标准除上述提及的主要标准外，下面的几个标准也需考虑：（1）外径和壁厚的比率不应超过60，以保证管道的安装性，避免管道安装时的弯曲。

（2）管壁对母管的变薄效应被用来制造弯曲。

以PTS 20.144[参考文献. 11] 的要求为基础，根据所需的弯曲半径（比如：3倍直径或5倍直径），许用的管壁削弱量将在8%（5倍直径弯曲）和13%（3倍直径弯曲）范围之内。

（3）最终的管壁厚度还需考虑腐蚀余度。

3.5管道末端膨胀对于以下的情形管道末端膨胀分析须与国家规范一致：管道工作压力、工作温度曲线图和最小底端附近海水温度水压试验膨胀分析所用方法需用文件说明和提供一种独立核查的方法。

节流阀端盖压力负荷、热膨胀位移量和土壤摩擦阻力的作用须在分析中考虑。

3.6管道ON-BOTTOM稳性将各自按一年一遇和百年一遇的风暴条件，来评估安装与工作时的横向与纵向稳性。

保证稳性的主要方法是混凝土加重涂层。

混凝土加重涂层的厚度需增加到管道的稳性满足标准为止。

此分析将使用电子计算表格，并依照国家规范。

3.7外部抗腐蚀保护外部抗腐蚀涂层保护设计是根据DNV RP B401中的有关规定来进行的。

3.7.1抗腐蚀涂层将考虑以下的几种表面涂层：（1）沥青搪瓷（AE）（2）三层聚丙烯(3LPP)（3）熔结环氧树脂(FBE)每种涂层都有一个工作温度限制，当达到此温度时涂层会恶化或者分解。

上述各涂层系统的工作温度限制列于表4.2中。

3.7.2阴极防蚀阴极防蚀是防腐蚀系统的补充，按挪威船级社RP B401 [参考文献. 4]采用铝合金半外壳手镯阳极。

阴极防蚀设计需包括，通过调节和正极工作特性得到的每根管道的工作温度曲线图。

4立管设计技术要求除非另有说明，此节的立管设计技术要求均按照标准管道工程惯例。

4.1立管构造以下标准须在定义立管构造时考虑：（1）立管的位置须满足管道的路径，方法以及甲板设备布局的要求；（2）在现存的平台上，并采用传统的stalk-on安装法时，立管布置采用建筑驳船是合理的；（3）除非没有可用空间，立管不应装在平台上的起重机附近，立管应该用防护装置或挡板来提供足够的保护，以避免船只的碰撞；（4）立管的重量由位于平台甲板高度下的一个悬挂法兰支持；（5）立管弯曲半径是管道外径的五倍。

4.2许用标准应力立管的极限应力详见参考文献4和5。

4.3立管结构设计立管和管道的分界面定义为从较低的立管弯曲末端到至少五倍于管道直径的这个额外长度。

4.3.1管道内压的设计立管内压的设计采用和管道最小壁厚计算一样的设计原理，都使用由OPR公司内部研发和验证的电子数据表。

4.3.2管道外压的设计立管的水下部分采用和抵抗外压的管道一样的设计原理，但不考虑弯曲传递，具体计算过程参照DNV规范的规定。

4.3.3适当位置的应力分析立管原位置的应力不会超出列于表5.1中的极限值。

此分析包括作业和水压试验两种情形。

通过第一立管夹具恰当的位移，管道的膨胀将集中到立管上，这无论在什么情况下都实用。

若要减小立管中的最大应力将使用膨胀环。

4.3.4立管夹具设计立管夹具的设计将依照国家规范中的规定。

设计中将用到以下两种类型的永久夹具：?承载夹具（或悬挂夹具）?滑动夹具（或引导夹具）在可能的地方，立管夹具将主要被附到导管架的水平支撑上。

然而，若需要更多的夹具时，也将使用导管架对角拉条。

同时在可能的地方，也可以使用依照国标设计的标准立管夹具。

在此过程中，从立管应力分析得到的设计载荷不可以超出以下标准给定的值:4.4外部抗腐蚀保护4.4.1抗腐蚀涂层以下的抗腐蚀涂层将用在立管上：立管：设计温度低于60℃时，熔结环氧树脂(FBE)当设计温度大于等于65℃低于115℃时，三层聚乙烯（3LPP）?安装接头涂层：热收缩套筒?立管溅浪区：0.5毫米FBE外加12.7毫米氯丁橡胶4.4.2阴极防蚀第一立管末端弯曲处（此处被设计作为管道的一部分），需要为阴极防蚀在提供两个额外的正极。

这对平台两端的管道部分很合适。

4.5管道立管安装法管道立管安装可行性研究须确定关于管道立管的最高效费比与合适的安装方法。

为了支持这项工作，需进行一些初步分析，比如管道铺设分析、吊柱起重分析（也就是拾取分析与管道的下放和回收分析）。

4.6 管道清管要求管道应设计成能让工作智能清管器通过。

清管的发射和接收装置将被各自安装在1平台和2平台上。