付方，黄会娣，张东卫，肖花

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

引言

海洋平台立管是现代海洋工程结构系统中的重要组成部分之一，同时也是薄弱易损的构件之一。海洋立管内部一般有高压的油气通过，外部承受波浪、海流荷载的作用。由于立管所处的海洋环境的复杂性，其影响因素也较多。船舶碰撞是导致海洋石油平台损坏的突出风险因素，例如，2005-06-27，印度国家石油公司BHN平台因供应船意外碰撞立管而引发平台爆炸后损毁。本文针对东海某平台后安装立管，采取了分区域布置安装的方式，避免了由于风、浪、流等海况影响，船舶操控失误等因素造成的船舶碰撞立管风险[1～2]。

1 常用的立管保护方法

根据海底管道设计规范DNV-OS-F101（2005版）所述“立管应布置于平台结构内侧，针对船舶碰撞荷载与其他受力作用必须考虑保护措施，立管不应布置于平台装/卸货区域内”的设计要求[3]， 避免和减少值班运输船、守护船、渔船等对立管可能造成的碰撞破坏，需要考虑对后安装立管进行保护。基于过往项目经验，常用的立管保护方案如下：

a) 将立管布置在导管架桩腿内侧，可直接避免船舶对立管撞击，该方法常应用于预安装立管。

b) 将立管布置在导管架桩腿外侧，同时为立管加装防护框架，避免船舶碰撞对立管造成损坏，该方法常应用于后安装立管，但常受导管架型式及立管布置位置的限制。

c) 采用管理手段，严格要求油田作业船舶选择良好天气和海况条件作业，根据规范要求风力大于6级或浪高大于1.0米，视线不良或能见度小于0.5海里时，禁止靠泊平台[2]。

2 平台后安装立管应用背景

a) 该海洋平台位于东海海域，政治因素敏感，沿线经济发达，海上交通运输和渔业活动较为频繁。

b) 该平台为中心处理平台，连接周边各井口平台，并将天然气外输到陆地终端，作用重要。

c) 该平台后安装立管为输气管线，安全风险等级高。

d) 业主方缺少相关船舶资料数据，无法根据DNV RP F107《管道保护的风险评估》规范，结合事件发生概率与后果影响对立管进行风险分析，从事故发生频次与后果影响确定立管碰撞风险等级[4]。

综合以上各因素，本项目必须为后安装22寸输气立管开展立管保护设计。

3 平台后安装立管应用型式

3.1 后安装立管布置

该平台后安装22寸立管总长约120米，受安装条件限制，无法将该立管整体布置到导管架桩腿内侧。另外该立管布置在导管架两轴桩腿之间的立面，导管架片在船舶碰撞区域没有合适的支撑结构为立管加装防护框架。为此，后安装22寸立管采用了分区域布置方法，将立管共分为四节进行安装，每节之间用法兰进行连接，在水下EL(-)8.5米位置采用两个弯头连接过渡，将靠近导管架顶部的立管段布置到导管架内侧，该方法可直接避免船舶对立管的撞击。

图1 后安装立管布置

图2 后安装立管有限元模型

3.2 立管设计输入参数

表1 22"立管设计参数

表2 环境参数

表3 土壤参数

应用有限元软件AUTOPIPE进行分析模拟，需要将立管、膨胀弯、海管同时进行模拟，立管顶部与配管系统连接处和海管端部入土处采用固定边界条件，用ANCHOR单元模拟。立管、膨胀弯、海管用管单元（PIPE RUN）模拟，弯头用BEND单元模拟，立管卡子用GUIDE模拟，悬挂法兰用LINESTOP（一种位移约束）模拟，BULKHEAD用BEAM/FRAME模拟，立管底部与膨胀弯、及膨胀弯之间连接用FLANGE模拟。

3.3 强度分析

立管在船舶碰撞区域采用两个弯头连接过渡，会改变该区域立管及悬挂法兰的应力分布，需要进行强度校核，以满足规范要求。

立管横截面在经受弯矩、有效轴向力和内部过压条件下需要满足下列设计要求[3]：

式中γA, γE, γF, γP为荷载效应因子；γC为条件荷载效应因子；γsc, γm分别为安全等级抗力因子和材料抗力因子；Md, MF, ME, MA分别为设计弯矩、功能荷载弯矩、环境荷载弯矩、偶然荷载弯矩；Sd, SF, SE, SA为设计有效轴向力、功能荷载轴向力、环境荷载轴向力、偶然荷载轴向力；ΔPd为设计压力差；Mp为塑性弯矩抗力，Mp=fy.(D-t2)2.t2；SP为特征塑性轴向抗力，Sp=fy.π.(D-t2)2.t2；Pb(t2)为破裂压力；αc为考虑应变硬化的流动应力参数，αc=(1-β)+ βfu/fy。

表4 立管组合荷载应力校核

悬挂法兰将立管的重量等载荷传递到支撑架上，锚固悬挂法兰为一整体锻造件，通过焊接与立管连接在一起，该种型式的悬挂法兰不仅安装方便，外表面也易于进行防腐处理，还拥有更高的强度与抗疲劳性能，因此也更加适用于较深水域。由于悬挂法兰的非规则结构导致其受力复杂，因此需要采用有限元软件ABAQUS实体建模来进行结构分析与计算。

图3 悬挂法兰受力模型图

表5 悬挂法兰应力校核

图4 悬挂法兰有限元模型

4结束语

由于海上风浪作用，停靠船只与平台的碰撞不可避免。本文针对东海某平台22寸后安装立管，在立管无法整体布置在导管架桩腿内侧，并且无法为立管增加防护框架的背景下，采用立管分区域布置安装方法，将可能受船舶影响区域的立管采用弯头、法兰连接的方式安装在导管架桩腿内侧。避免立管因可能的船舶碰撞破损而引发火灾、爆炸事故，造成人员伤亡、设备损坏及平台结构损伤。