海洋工程管道支架布置与选型

罗江涛 / 深圳赤湾胜宝旺工程有限公司

海洋工程管道支架布置与选型

罗江涛 / 深圳赤湾胜宝旺工程有限公司

海洋工程当中的整体设施均为离岸作业系统，其中安全、环保等方面和陆地工程相其比较，有着一定的特殊性。管道系统是工程中最常规、最有效的流体输送方式，但是仅仅因为某一个管道元部件的失效，都可能会引起无法想象的安全问题，由此可见，管道设计水平的发展尤其重要。管道支架布置是海洋工程作业中的重要环节，但同时又是比较薄弱的环节，好的支架布置，需要工程师具备丰富的工程经验，与此同时需要在管道材料、管道柔性、管道力学等方面有一定的经验。

海洋工程；管道支架；布置；选型

前言

管道作为海洋石油平台的“血管”，其布置的经济性和安全性对于平台的运行是十分重要的。管道在布置时既要满足平台对生产工艺流程的要求，同时还应考虑到机械设备、泵、管道附件的受力情况，确保管路能够长周期的安全运转。通常衡量管道能否安全运行的重要标准是管道一次应力和二次应力的大小。当管道的一次应力过大时，会将管道破坏。管道的一次应力是由管道内的流体压力和外部载荷产生的，其大小与作用在管道上的外部载荷及管道自身或管道附件的截面有关。当某个海洋石油平台的生产规模确定后，该平台的管道管径大小也就随之确定了，不能够任意改变。而通过设置管道支吊架可以调整管道内应力与承受外部载荷的大小。管道的支吊架不仅支撑管道自身的重量、管道内流体的重量、管道外部电伴热电源线以及保温材料的重量，同时可以将管道内流体传递来的压力、管道外部载荷及温度变形引起的弹性力传递到结构梁柱上。因此，管道支架的设置直接决定着管道一次应力的大小。管道二次应力的大小同样是衡量管道能否安全运行的重要标准。管道变形受阻时会在管道内产生二次应力，在管道上合理设置支吊架，不但能够使管道适应变形的需要，而且还可以根据平台运行的要求，限制管道某个方向的位移，以控制管道的二次应力。同时管道的支吊架对改善管线的振动，防止管道和支架因振动引起疲劳损坏起着重要的作用。目前，在海洋平台上的管道支吊架的种类，就其结构而言形式是种类繁多的，但仅仅考虑其功能和用途时，可以分为以下几类。

1.新型支架的应力分析与形变计算

对于新型支架建立模型并用ANSYS软件对其进行应力分析与形变量的计算。其中新型材料密度为7.85×10-9t/mm3；弹性模量：210GPa；泊松比：0.3；屈服应力：235MPa。对于边界条件，支架材料各结合点处采用螺栓进行固定。在管支架横梁上施加载重量（700kg）作为载荷。由计算可得：角钢的最大von米塞斯应力的应力为100MPa，螺栓的最大von米塞斯应力为210MPa。而角钢主体最大位移约1.2mm，垂直方向最大位移0.94mm，管支架的强度和刚度都符合要求。

2.管道支架选型

2.1 滑动支架

滑动支架是限制管道约束点向下移动的支架。滑动的支架也是承重的支架，在进行设置是应参照计算或是推荐的支架跨距；如带有如保温层、保冷层或是人员防护的管道的绝缘层，滑动支架可以选用管鞋；在海上因为盐雾等自然环境的影响会导致腐蚀现象，管道在钢结构直接支撑时，除了可以使用管鞋还可以在管道的下部焊接护板，这样可以对管线和防腐层进行保护(特别是对管道壁后较薄的不锈钢、双相不锈钢等)。

2.2 固定支架

固定支架可以对管道中6个自由度的支架起到限制的作用。长直管道比如说：管排上的管道，一般情况下要设置并且也只可以设置布置一个固定的支架；像控制阀、调节阀等容易产生震动的阀门的一端可以设置一个比较固定的支架；在膨胀弯的两侧可以分别设置一个固定的支架，但是要注意两个之间的距离。

2.3 止推支架

止推支架可以对管道约束点的轴向移动支架起到限制作用。如果在由类似于水击、盲板力等冲击载荷的情况下，应设置适合的止推支架，这样可以预防冲击载荷给管道造成的影响；安全阀的出口管道，应该设置止推支架；在容易产生震动的管道中，应该再管道改变走向的位置设置止推支架，这样方便提升管道系统的自然频率，并降低震动；非金属管道，如玻璃钢管道等，可以适当的多设置一些止推支架，这样可以抵抗水压试验所引起的轴向荷载。

2.4 导向支架

导向支架可以对约束点横向移动的支架起到限制作用。为了降低一些自然现象的偶然荷载的影响，在运输期间应保持管道的稳定，这种方法比较适合水平管道但是也可以在竖直管道中使用；容易产生易振动的管道可以多设置一些导向支架；加入控制阀的一端有一个固定支架，那么另外一段就可以有一个导向支架；导向支架还包括U-Bolt，但其承受荷载力较小，所以一般使用在不带绝热层的非工艺系统管道中，且管线的尺寸应小于NPS4，尽量的防止其大于NPS12；如果有绝热层，其尺寸应不大于NPS2，并且应将操作的温度控制在60摄氏度以下，也可以适当的选用U-Bolt。

2.5 加强筋支架

采用焊接加强筋的方式，限制管道自由度，或者防止振动的支架为加强筋支架。对于海洋工程设施，尤其是浮式设施(如FPSO等)，会受到偶然载荷、船体结构变形(如横摇、纵摇、中垂、中拱)等的影响，从而对一些薄弱点(如连接压力表管道与主管的连接点)造成不利影响甚至破坏，此时，可采用加强筋支架，海洋工程中最常见的是加强筋支架。对于可能产生振动的管道系统(如连接安全阀的管道)，也可采用加强筋支架。

2.6 防振支架

防振支架一般用于易产生振动的管道系统，如与往复式压缩机/泵等易产生振动、脉动的设备连接的管道；存在水锤、段塞流的管道，排海管道等易振动的管道。

3.管道支吊架材料的选择

管道支吊架的材料选用时应本着经济性、合理性、通用性的原则，设计和制作时应选择通用规格化的型材和标准化材料，使其既满足管道的运行要求，又能与所支撑的管道材料相匹配。依据以往海洋平台设计及施工经验，在平台上管道支吊架的钢材用量约为管道所用总钢材的10%-15%。因此合理选用管道支架的材料不仅可以达到节省材料的目的，而且会给材料采办、管道支吊架预制和安装节省更多的人力。以往海洋平台的管道支吊架通常选用角钢、H型钢和无缝钢管等材料，材料之间采用焊接的形式连接在一起，这种施工工艺会在管道支吊架安装的过程中增加大量的焊接工作。为了更节省人力消耗和焊接工作，在某海洋石油公司某地的海洋平台项目中拟选用多孔角型钢、多孔平板型钢等新型材料用于管道支吊架来替代常规项目中的角钢、扁钢等材料。

4.新型管道支吊架在海洋平台的应用

通过荷载应力分析、建立三维模型等研究，确认其强度满足使用要求,最终将新型组合支架应用于某海洋石油公司某地的海洋平台中。与传统的碳钢支架相比，新型的支架具有焊接作业少、施工程序简单、灵活度高等方面的优点。支架各型材之间使用螺栓进行紧固连接，免去了大量的焊接作业，施工效率较以往项目得到了大幅度的提升。

5.结语

综上所述，海洋工程中管道支架不仅可以用来支撑管道,也可以用来支撑电缆桥架。如果电气专业电缆托架支架、仪表专业仪表电缆托架支架同样选择使用新型支架材料时，管道支架可以与它们相互生根和支撑，形成组合型的支架。由于多孔角型钢、多孔平板型钢等新型的材料具有质量轻、焊接作业少、施工程序简单等方面的特点，在船舶工程领域、建筑工程领域等多个工程领域有着极其广泛的应用前景。

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