海洋工程管道支架布置与选型

admin

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。長直管道比如说：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。
　　参考文献：
　　[1]郑伟，张敬莹，张佃臣，杨方东，牛超.海上工程管道支架的设计[J].辽宁化工，2011.
　　[2]陈静.海上油气田上部设施管道支吊架的工程设计[A].中国造船工程学会近海工程学术委员会.2007年度海洋工程学术会议论文集[C].中国造船工程学会近海工程学术委员会：，2007.
　　[3]李志勤.海上采油平台管道系统的设计[J].中国海上油气（工程），2015.