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海洋平台栈桥管道应力分析的模拟方法

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采 用 １０年 一遇 的数值 ，即： １ 时 内的平均 风速 为 ２ ． ｓ ０ 小 ８４ 。 ｍ／ ２ ２ 位移 组合 ．
根据 前述 ，栈桥 在 Ｐ Ｐ平 台和 ＷＨ Ａ 平 台两端 的安 装 固定方 式分 别为 滑动连 接 和铰接 ； 当平 台 Ｓ Ｐ
间发 生相 对运动 时 ，管道会 同时产生轴 向滑动 和横 向运动 。 移 组合 时，假 定 ＷＨＰ 平 台静止 ， Ｐ Ｐ 位 Ａ Ｓ 平 台相 对于 其运 动而 产生 的位移 参 见表 １ ；然后 ，根 据位 移判 断管 道处 于拉 伸还 是压缩 状态 ，取两 者
．
固定 支架 ，其 余部分 为平 台管 道 。 ２ ４计 算结 果 ．
２４１应 力 分布 ．．
管 道拉伸 和压 缩状 态下 的应 力分布 结 果参 见表 ２ 。可 见 ，管道在 拉伸 和压缩 状 态下 的最 大应 力点 位置 和最 大应 力 比均发 生 了变 化 ，前者 出现 在节 点 ２ ０三通 连 接处 ， 为 ５ ．％，后 者 出现 在 节点 ３ ８ ７ ７８ ９
１ 荷 载 考 虑
跨 栈桥 的管 道与 平 台上 的管道相 比 ，应 力分 析 中需 要考 虑的 荷载 除 了压 力 、重 力 、温 度和 各种 偶
然 荷载外 （ 震加 速度 、风 载 、安全 阀泄 放 反力和 水锤 力 等 ）Ｌ，还 需要重 点考 虑平 台 间相对运 动 导 地 ２ Ｊ
致 管道 产生 的位移 荷载 。
关 键 词：栈桥管道；位移荷载；应力分析 中图 分类 号 ：Ｔ ９ ３ Ｅ ７ 文献 标识 码 ：Ａ
０ 引 言
栈 桥是 连接 海上 油气 田两个 或 多个平 台间油 气水 管线 、电控线 缆和 人员通 行 的通道 ，一 般采 用空 间框 架钢 结构 ， 也有 少数 采用平 面框 架钢 结 构…。 大 ２．／２２油 田开 发项 目中原油外 输 时采用 的是 旅 ７２３．
横向
轴向
Ｄ Ｘ
ＤＺ
ｌ ０． ６ ９９ ０５７ ．
一帅 一
‘
２ ３管 道模型 ．
管 道应 力分 析模 型参见 图 １ 点 １－ ０为高 度 Ｅ ２ ｍ 栈桥 管道 部 分 ， 中节 点 １ 栈桥 中心 ，节 ０４ Ｌ６ 其 ０为 处 的固 定支架 ，节 点 ２ ０和节 点 ３ Ｏ为承 重支 架 ，节点 ４ ０为导 向支 架 。节点 ４ ０ ５ ０为 高度 Ｅ １ｍ 栈 ５～ ０ Ｌ５ 桥管 道部 分 ，其 中节点 ４０为导 向支架 ，节 点 ４ ０和 节 点 ４ ０为承 重支 架 ，节 点 ５ ０为栈桥 中心 处 的 ５ ６ ７ ０
海洋平 台栈桥管道应 力分析 的模拟方法
张海成，刘 敏，罗 翊 ，王 明鑫 ，李 韬
（ 海洋石油工程股份有 限公 司，塘 沽 ３ ０ ５ ） ０ ４ １
捅 要 栈桥是连接海上油气田两个或多个平台间油气水管线、电控线缆和人员通行的通道。平台间在风、波
浪 、船舶 靠泊等荷 载作用 下会发生相对运 动，通 过栈桥的管道会承 受平台间相 对运 动产 生的位移荷载 ，管
５ ２卷
增刊 １
张海成，等： 洋、 台栈桥管道应力 分析的模拟 方法 海 ｛
２３ ０
专
．
／
人
◇一
图 ２ 栈桥上布置膨胀弯
∥ ｌ
ｉ
人
图 ３ 栈 桥 滑 动 端 布 置 膨 胀 弯
４ 结 论
本文通 过 旅大 ２ —／２２油 田开发 项 目栈桥 管道柔 性计 算 实例 ，介绍 了栈桥 管道 应 力分析 中需要 ７２３ ． 重 点考虑 的 问题 和模 拟方法 ，并根 据计 算 结果对 管道 布置提 出建议 和进行 优化 ，为 以后栈 桥管 道 的设 计提供 计算 方法 和参考 依据 ，结 论如 下 ：
动：而铰接时，栈桥在平台运动 中可 以相对于原始位置产生一个转角，在水平方向发生一定的转动，
收稿 日期 ：２ １－４０ ：修改稿收稿 日期：２ １．７１ ０ １ —８ ０ ０ １０ ．３
张海成，等： 海洋 台栈桥管道应 力分析 的模拟方法
２ ０ｌ
因此管道 的运 动趋 势是 轴 向滑 动和 横 向运 动 。
引起 ＷＨＰ 平 台出现 较大 的晃 动 ， 由于 栈桥 中心 固 定支架 处产 生 的反 力是传 递 的力 的一部 分 ，因此 Ａ 需要 计算 固定 支架 处 的反力 大小 ，并避 免其值 过 大 。本 例 中，栈 桥 中心 固定 支架 另一侧 连接 着 ＷＨ Ａ Ｐ
平 台，管 道处 于拉 伸和压 缩 状态 下的 反力 分别 为 ５ ４ 和 ６６ｔ ． ｔ ．２，需要 提交 相关 专业 进行校 核 。 ２
２ 管道柔性计算实例
旅大 ２ ．／２２油 田包括 Ｐ Ｐ平 台、ＷＨＰ 平 台 以及 ＷＨＰ ７２３ — Ｓ Ａ Ｂ平 台 ，其 中 Ｐ Ｐ平 台与 ＷＨ Ａ 平 台 Ｓ Ｐ 通 过栈 桥连 接 ；栈 桥长 ３ ｍ，与 Ｐ Ｐ平 台北 向成 ３ 。 角 ，分 两层布 置 在高度 Ｅ １ｍ 和 Ｅ ２ ｍ 的空 ０ Ｓ ０夹 Ｌ５ Ｌ６
道应 力分 析 处理方 法 的文献 尚不 多见 ，本 文应 用 Ｃ Ｓ ＡＥ ＡＲＩ软件 ，结合 旅 大 ２ ．／２２油 田开 发项 目 Ｉ ７２３ —
栈桥 管道 应 力分析 实例 ，详 细介绍 了栈桥 管线 应力 分析 的模 拟方 法 ，并根据 计算 结 果对栈 桥管道 布 置 提 出建议 进行 优化 ，为 以后 栈桥 管道 的设 计提 供计 算方 法 和参考 依据 。
中的最 大值 施加 在管道 支撑 上 。
表 １ 栈桥管道位 移值
位移值
横 向运 动 与轴 向 拉 伸组 合 位 移 ／ ｍｍ 横向 轴向 Ｄ Ｘ Ｄ Ｚ
—
Ｅ ５ 栈桥管道 Ｌ１ｍ
一
Ｅ ２ ｍ 栈桥管道 Ｌ６
４． ７７
９９ ７ ．５
横 向运动 与轴 向压缩组合位移／ ｍｍ
５ ２卷
增刊 ｌ
中
圉
造
船
Ｖｏ．２ Ｓｐ ｃａ １ ５ ｅ ｉｌｌ
Ｊ ｌ ０１ ｕｙ２ １
２１ ０ １年 ７月
Ｓ Ｐ ＵＩＤＩ ＦＣ ＨＩＢ Ｌ ＮＧ Ｏ Ｈｎ Ａ
文 章 编 号 ： １０．８ ２２ １） １０ ０ －５ ０ ０４ ８ （０ Ｓ —２ ００ １
２ １基础 数据 ．
管道柔 性计 算 时的基础 数据 如 下 ： 管道 为 ｌ”壁 厚 ９５ｍｍ， 作温度 ２ ℃ ， 低环境 温度 ．８ ４， ．２ 操 １ 最 １ ℃， 最高 设计温 度 ６．℃，设计 压力 １０ ｋ ａ ７８ ６ ０Ｐ ，水压试验 压 力 １５ｋ ａ ６０ Ｐ 。管道 应 力计算 时需 要考 虑地 震加 速 度和 风速 偶然荷 载 的影 响 ，三 个方 向地 震加速 度 分别 为 ０１０ ．５ ．３ ，０３７和 ０１４倍 重力 加速度 ，风速 ．３
（ ）栈 桥 管道应 力 分析 时 ，除 了考 虑 压力 、重 力 、温 度 和各 种偶 然荷 载 （ １ 地震 加速 度 、风载 、
安 全 阀泄放 反力 、水 锤力 等 ）外 ，还 需要 重点考 虑在 风 、波 浪 、船 舶靠 泊作用 下平 台 间相对运 动 导致
管道 产 生的位 移荷 载 ，栈桥管 道 的运 动 趋势取 决 于栈桥 在平 台两端 的安装 固定 方式 。
台的连接处 （ 参见图 ２ 和图 ３ ）。本文中，跨栈桥管道在与 Ｐ Ｐ平台滑动连接端处水平布置了两个膨 Ｓ
胀弯 ，其 臂 长为 ２５ ．ｍ；正是 这 两个膨 胀 弯 的存在 吸 收 了管道 的位 移 ，使 得管 系 的二次 应 力满足 规 范 要求 。同 时，膨 胀 弯臂长 的增 大 可 以进 一步 减 小管 系应 力和管 道推 力 ；例 如 ，将 上述 两个 膨胀弯 的 臂
弯头 处 ，为 ７．％，说 明管 道处 于压 缩状 态时 的应 力水 平较 大 。 ８７
２论文
２４２ 管 道推 力 ．．
５ ０ｔ 输油 轮靠 泊时对 Ｐ Ｐ平 台 的撞击 力较 大 ， 过 栈桥 钢结 构和 管道将 力传 递 到 ＷＨＰ ００外 Ｓ 通 Ａ平 台，
（ ）对 位移 较大 的 管道上 的支 架 ，应注 意 防止 管托滑 落 ，管道 的布置应 考 虑管 道变 形 前后 的位 ３ 置 是否 与其它 管道 和结 构冲突 。
（ ）对 于一 些位 移较大 和 发生位 移 循环 次数 较 多的管 道 ，应根 据 管系预 计 使用寿 命 下 的全位 移 ４ 循环 当量 次数 ，来 确定管道 位移 应力 范 围的减 小系 数 ，从而减 小许 用位 移应 力 的范 围，防止管 系 出现
在风、波浪 、船舶靠泊等荷载作用下，平 台间会发生相对运动，生根在栈桥上的支撑会随着栈桥
一
起 运动 从 而带动 管 道产 生运动 ， 栈桥 在平 台两 端 处安装 固 定方 式的 不 同会 导致 管道 产 生不 同的运 动
趋势 。其 安装 固定方 式通 常 为一端 焊接 固定 ，一端 滑动 连接 ；或者 一端 铰接 ，一端滑 动 。滑 动连 接 时， 栈桥 与平 台直 接接 触 ，同时在 栈桥 两侧 设有 挡块 以限制 其横 向运 动 ，管道 的主要运 动趋 势 是沿轴 向滑
（ ）栈 桥管 道 自身 ，一般通 过 改变 管道 的走 向或 增设 膨胀 弯 的 自然 补偿 形式 ，来 吸 收平 台相 对 ２
运动 产生 的附加 位移 和管道 热位 移 ；管 道 的膨胀 弯适 宜布 置在栈 桥上 ，或布 置在 栈桥 与平 台滑动 端 的 连 接 处 。对 于位移 较大 的管道 应特 殊考 虑 ，在 增设膨 胀 弯后也 无法 完全 吸收位 移 或受 空间 限制无 法增 设膨胀 弯 的情况 下 ，应 考虑选 用 软管连 接 。
长分 别增 加 ４ 和 ２ 后 ，计算得 到 的最 大应 力 比从 ７ ．％减 ｄ Ｎ ５９ 管道 处 于拉伸 和 压缩状 态 下 ｍ ｍ ８７ ， ６ ．％， 的推 力分 别从 ５２ ｔ ６ ２ 减小 到 ３９ ｔ ３５ ｔ膨胀 弯 的具 体形式 和位 置 需要应 力计 算后 才 能确 定 。 ． 和 ．ｔ ４ ６ ． 和 ． ， ０ ２

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海底悬跨管道动力响应的试验研究和数值模拟

海底悬跨管道动力响应的试验研究和数值模拟

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收稿日期：2001-11-02；修改日期：2002-10-30 基金项目：辽宁省科学技术基金资助项目(972240)
问题。 笔者利用新近改造完成的 MTS 水下振动台， 考虑多种因素完成在输入正弦波荷载下海底悬跨 管道动力模型试验。本文根据试验数据，分析了海 底悬跨管道在动力荷载下的反应特点和影响因素。 并根据 Morison 方程建立的海底悬跨管线在地震作 用下的动力方程数值模拟海底悬跨管线的动力反 应。并与试验结果进行了比较，两者拟合得较好。
-6 x
式中： E 为管道弹性模量； I 为管道截面惯性矩； m 为管道单位长度质量，包括动水附加质量、管道
800 600 400 200 0 0 0.2 0.4 0.6
εm
a
0.8
1
x/L0 图1 Fig.1 陆地和水中管道最大应变沿管轴方向的变化 Distribution of maximum strain along axial direction of terrestrial pipe and submarine pipe
4
试验数据分析和数值模拟比较
4.1 试验概况 利用大连理工大学海岸和近海工程国家重点 试验室新近改造完成的水平与垂直两向激振的水 下振动台进行海底悬跨管道模型试验。模型材料采 用 PVC 管。 模型外径 R m =110mm， 壁厚 t p =2.8mm， 模型材料动弹性模量 E m =5000MPa ，密度 ρ =1.72 ×103kg/m3。 为了保证原型和模型中液体质量密度的比值 与模型和原型管道材料质量密度比值相等，要对模 型管道进行配重。根据公式(3)，采用铅环对模型管 道进行配重。 为便于发现试验结果的规律性，试验中动力输 入为每种工况下与管道基频相等的水平方向正弦 波。 根据本文第 2 部分的相似关系计算得到各参数 比尺，实现试验量测的模型反应数据与原型反应量
海洋平台井口管道应力及其影响因素

海洋平台井口管道应力及其影响因素

广 东 化 工 2012年 第15期· 120 · 第39卷 总第239期海洋平台井口管道应力及其影响因素分析黎昵，韩化凤，黄振东(湛江南海西部石油勘察设计有限公司，广东 湛江 524057)[摘 要]文章介绍了海洋平台井口管道应力分析方法，并以某平台井口管道应力分析为例，重点阐述采用CAESARII 进行管道应力分析的过程和结果分析情况；最后，就影响管道应力和端点推力的诸多因素如温度、压力、壁厚、设置支吊架、补偿器形式等进行了分析。

[关键词]管道应力分析；位移；支吊架；约束；海洋平台[中图分类号]TE973 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2012)15-0120-03Stress Anaysis and its Influencing Factors of Wellhead Piping inOffshore PlatformsLi Ni, Han Huafeng, Huang Zhendong(Zhanjiang Nanhai West Oil Survey and Design Co., Ltd., Zhanjiang 524057, China)Abstract: The paper described and took an exampe to the stress analysis methods of wellhead piping in offshore platforms, it focused on the process CAESARII pipeline stress analysis and the results of analysis of the situation and a platform wellhead pipeline stress analysis; Finally, the impact pipeline stress and fixed point thrust manyfactors such as the temperature, pressure and piping thickness, setting the hanger, the compensator forms were analyzed.Keywords: pipe stress analysis ；displament ；hanger ；restraints ；offshore platforms近20年来，管道设计技术逐渐为人们所重视，并取得了较大进展，管道应力分析与计算是管道设计的基础，它研究了管道在各种载荷作用下产生力、力矩和应力，从而作出对于管道安全性的评价，使设计的管道尽可能经济合理。

海洋平台井口管道应力及其影响因素分析

海洋平台井口管道应力及其影响因素分析

海洋平台井口管道应力及其影响因素分析摘要：海洋平台是指海上采集油气平台，安装在海洋之上，用于处理从海下开采出来的石油或天然气，由于在海洋之中，不确定因素太多，会受到很多方面的影响，远比在陆地上的环境要复杂得多，而井口又是输出石油或天然气的地方，对安全度的要求非常高，因此对于井口的管道要求更高。

本文阐述了海洋平台及管道应力的概念，对影响海洋平台井口管道应力的关键因素进行了论述，并对应力分析过程进行了探讨。

关键词：海洋平台；井口管道；应力；影响因素前言管道应力的分析不够全面准确会影响到管道的使用，导致可能造成管道的弯曲与扭转，甚至破裂，因而出现安全事故，造成人员的伤亡或经济损失，或者是石油或天然气渗入到海洋中，污染到海洋环境。

因此，海洋平台井口管道在建设前的数据分析非常重要，直接影响到管道工作时的安全。

为确保海洋平台井口管道的可靠性和安全性，使用的应力应小于最大应力的80%，并对每次的布局进行设计，同时，合理的管道是减少额外压力的关键，减小位移，即确保管线的应力值，包括管道是否足够的灵活性，使横向力减小。

为确保安全，连接好管道之间的布置，考虑附加位移，管道的设计必须在应力的分析指导下完成。

一、海洋平台及管道应力的概念1、海洋平台是一种海上建筑设施，主要为方便进行在海上的油气开采及运输、观测等活动，海上平台由钢结构构成，一般情况下可分为固定式和浮动式两种。

海洋平台井口是海洋平台上对油气进行初步处理的平台，井口是石油和天然气从深海输入到采油树的地方，这个地方的管道要承受的压力非常大，所以管道的设计就必须科学合理，管道的承受压力范围必须在安全的范围内，所以就需要对井口管道的应力进行分析。

2、管道的应力是指管道在单位面积上所受的力，应力可分为一次应力和二次应力，一次应力和二次应力都需要计算出来，其中一次应力的计算是为了防止铺设管道后管道的坍塌，而二次应力的计算则是为了防止管道在使用过程中出现的扭曲、变形等问题。

一种新的海洋平台管节点应力评估方法

一种新的海洋平台管节点应力评估方法

第20卷第11期 2016年11月船舶力学Journal of Ship MechanicsV o l.20N o.11Nov. 2016文章编号院 1007-7294(2016)11-1449-13一种新的海洋平台管节点应力评估方法粟京 ' 赵晓玲2袁刘刚3(1.中国海洋石油总公司，北京100028; 2.大连船舶重工集团设计研究所，辽宁大连116005;3.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116024)摘要：海洋工程焊接管节点受应力集中及复杂随机载荷的联合作用，容易发生疲劳破坏。

为了提髙焊接管节点结构疲劳寿命预测的准确性，文章以管壁厚方向上的一点作为疲劳评估点，提出了一种新的管节点结构应力计 算方法。

通过与国际上公开发表的疲劳试验数据进行比较，证明了文中方法应用于管节点结构的可行性及考虑 壁厚方向应力梯度的有效性。

基于数值计算，文中还提出了可用于T 型管节点应力集中系数计算的参数公式，并 对参数公式的精度进行了验证。

关键词院焊接管节点；应力集中系数；结构应力；应力梯度；疲劳寿命中图分类号：TG 405 文献标识码：A doi : 10.3969/j .issn .1007-7294.2016.07.012A new method for stress analysis of tubular J ointsin offshore platformSU Jing1, ZHAO X ia o -lin g 2, LIU Gang3(1. China National O ffshore Oil Corporation , Beijing 100028, China ; 2. Dalian Shipbuilding Industry Engineering andR esearch Institute , Dalian 116005, China ; 3. S tate Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment , Dalian University of Technology , Dalian 116024, China )A b s tra c t ： Fatigue damage in welded tu b u la rjo in ts is almost unavoidable due to combined effect of stress concentration and random stresses. To improve accuracy of fatigue life estimation of welded tubularjoints, a new structural stress approach for tubularjoints is proposed, where a point below the outer surface along the wall thickness direction is adopted as the fatigue assessment point. The applicability and correctness of the new method for fatigue strength assessment of tu bularjoints, as well as its effectiveness in considering the stress gradient along the wall thickness, are verified by comparing the numerical results with published ex­perimental data of fatigue tests. Based on finite element analysis, parametric equations are derived for cal­culating stress concentration factors at all angular positions along the intersection of tubular T -joints. The accuracy of the parametric equations is finally validated.Key w ords: welded tubularjoints; stress concentration; structural stress; stress gradient; fatigue life0引言焊接管节点在海洋工程领域有着极其广泛的应用。