海上固定平臺橇裝式壓力容器設(shè)計要點

1、海上固定平臺橇裝式壓力容器設(shè)計要點劉家員吳旭維劉羽胡明勝海洋石油工程股份有限公司摘要：從壓力容器所處的海洋環(huán)境、海上設(shè)施的設(shè)計理念、橇裝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、設(shè)計 資質(zhì)和取證要求等方面出發(fā)，介紹了海上固定平臺橇裝式壓力容器相對于陸地 壓力容器的不同特點和橇裝設(shè)計的一些注意事項。重點闡述了海上壓力容器設(shè)計 過程中3s風(fēng)速和基本風(fēng)壓之間的換算方法、壓力容器局部載荷計算的適用標(biāo)準(zhǔn) 以及不同設(shè)計體系下壓力容器安全閥泄放量計算原則，并對整個設(shè)計過程中遇 到的其他一系列問題提出了解決辦法，對今后海上橇裝式容器設(shè)計具有指導(dǎo)性 的作用。關(guān)鍵詞：壓力容器;海上同定平臺;橇裝式系統(tǒng);設(shè)計;作者簡介：劉家員（1976-）

2、，男，天津人，工程師，學(xué)士，長期從事海上壓力 容器設(shè)計和制造工作。收稿日期:2017-06-02key design points of skid mounted pressure vessel on offshore fixed platformliu jiayuan wu xuwei liu yu hu ming-shengoffshore oil engineering co. ltd.;abstract：the differe nt characteristics and attention matt ers bet ween the offshore skid mounted pre

3、ssure vessel and the onshore pressure vessel in inspects of offshore environment, design idea, standards, codes, qualifications and certifications are introduced. the conversion method between3 swind speed and basic wind pressure during the design process of offshore pressure vessel, the applicable

4、standards of local load calculation of pressure vessel, and the principle of calculating the relief capacity of pressure vessel under different design system are focused on, and some methods are given to solve the other problems in design process, then took guiding effects on future pressure vessel

5、skid design.keyword：pressure vessel; offshore fixed platform; skid mounted system; design;received： 2017-06-02海上平臺壓力容器所處海洋環(huán)境惡為，不僅經(jīng)受風(fēng)浪的襲擊、地震的危害、海水 及海洋性大氣的鹽霧腐蝕，而且各工藝、公用、控制系統(tǒng)等布置在同一狹小空間 內(nèi)，大多處于易燃、易爆的危險環(huán)境中，對電氣產(chǎn)品有防爆要求。同時，重要設(shè) 施應(yīng)滿足可靠性、冗余性、可冋收性的3r要求，因此海上平臺容器比陸地容器 具有更高的安全裕量和設(shè)計壽命。根據(jù)原國家經(jīng)貿(mào)委2000年發(fā)布的海上固定 平臺安全規(guī)則山，要求

6、海上固定平臺容器設(shè)計和制造單位取得行政許可，容 器還需取得國家質(zhì)檢總局核準(zhǔn)的檢驗檢測機(jī)構(gòu)頒發(fā)的監(jiān)督檢驗證書和安監(jiān)總 局核準(zhǔn)的檢驗檢測機(jī)構(gòu)頒發(fā)的海上固定設(shè)施產(chǎn)品檢驗證書垃良2014年，特 種設(shè)備安全法開始施行，首次明確了適用于海上壓力容器，并由安監(jiān)總局下屬 的海油安辦（監(jiān)管一司）進(jìn)行管轄和實施。海上平臺的壓力容器本體及其附展設(shè)施，包括管線、閥門、儀表、電纜等布置在 一個公共底座上，形成一個獨立的、具有特定功能的模塊，稱之為橇裝式壓力容 器系統(tǒng)，其設(shè)計主體為容器設(shè)計。文中介紹了海上固定平臺橇裝式壓力容器相對 于陸地壓力容器的不同特點和橇裝設(shè)計中的注意事項，其余通用部分的設(shè)計與 gb 150. t1

7、50. 42011壓力容器3等標(biāo)準(zhǔn)一致。1海上平臺壓力容器設(shè)計1.1設(shè)計資質(zhì)海上固定平臺壓力容器一般按gb 1502011或asmev1ii-12017壓力容器建造 規(guī)則ill進(jìn)行規(guī)則設(shè)計，也可按jb 47321995 （2005年確認(rèn)）鋼制壓力容 器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)固或asmev1ii-22017壓力容器建造另一規(guī)則進(jìn)行分析設(shè)計。但無論采用哪種設(shè)計方法，只要用于中國國內(nèi)包括所屬領(lǐng)海內(nèi)的 壓力容器，都必須取得國內(nèi)壓力容器設(shè)計資質(zhì)或質(zhì)檢總局認(rèn)可的其他標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計 資質(zhì)。1. 2設(shè)計壓力和溫度確定也海上壓力容器的設(shè)計裕量比陸地壓力容器的大，對于裝有超壓泄放裝置的正壓 容器，當(dāng)操作壓力不大于3. 5 mpa

8、時，設(shè)計壓力取操作壓力加0. 35 mpa;當(dāng)操作 壓力大于3. 5 mpa吋，設(shè)計壓力取操作壓力/0. 9。對于裝有真空泄放裝置的負(fù)壓 容器，當(dāng)絕對操作壓力小于0. 035 mpa (a)時，設(shè)計壓力取-01 mpa (g);當(dāng) 絕對操作壓力大于等于0. 035 mpa (a)且小于0. 1 mpa (a)時，設(shè)計壓力按以 下公式計算：式中，pi為按gb 1502011取值的設(shè)計壓力,p2為按q/hs 30422014海上生 產(chǎn)設(shè)施設(shè)計壓力和設(shè)計溫度確定的推薦作法也取值的設(shè)計壓力，p為設(shè)計壓mpa (g) ;pa為絕對操作壓力，mpa (a)。對于容器最高設(shè)計溫度，取操作溫度加30°

9、;c,但不得低于50°co對于容器最低 設(shè)計溫度，通常取最低操作溫度減5°c、泄壓產(chǎn)牛的最低溫度減5°c和歷年月平 均氣溫的最低值此三者的最小值。1. 3材料選擇選擇海上壓力容器、管線等材料時主要考慮內(nèi)部介質(zhì)腐蝕和外部環(huán)境腐蝕。內(nèi)部 腐蝕性介質(zhì)一般包括含鹽、水、硫化氫、二氧化碳的原油或天然氣，海水及壓縮 空氣等，外部環(huán)境主要是潮濕的含鹽大氣。因此，當(dāng)硫化氫的含量超過一定值時, 根據(jù)nace mr0175-2015石油和天然氣工業(yè)油氣開采中用于含h2s環(huán)境的材料 宜選擇合適的抗硫化物應(yīng)力開裂(ssc)或氫致開裂(iiic)材料，并在施工中 采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的焊后熱處理等

10、措施。當(dāng)介質(zhì)為海水時，通常選用抗點蝕當(dāng)量更高 的雙相鋼、鈦或銅鎳合金材料。當(dāng)介質(zhì)為其他腐蝕介質(zhì)且主要為均勻腐蝕，點蝕 和晶間腐蝕不明顯時，優(yōu)先采用316l類不銹鋼或不銹鋼復(fù)合碳鋼板。若在不銹 鋼復(fù)合鋼板制造過程中需要通過熱處理來恢復(fù)其力學(xué)性能，應(yīng)綜合考慮腐蝕風(fēng) 險和強(qiáng)度風(fēng)險，通常選擇保證基材性能進(jìn)行熱處理，并在升溫和降溫過程屮快 速避開奧氏體敏化溫度區(qū)間，以保證復(fù)合材料的性能。除內(nèi)部介質(zhì)外，述應(yīng)考慮 海上鹽霧環(huán)境，禁止使用304和鋁制等材料，奧氏體不銹鋼的外部保溫材料應(yīng) 根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力腐蝕試驗、ph值測量和鹽含量測量等，以免奧氏 體不銹鋼外表面產(chǎn)生嚴(yán)重的層下腐蝕。1. 4基本風(fēng)壓換

11、算9-11gb 500092012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范曲未統(tǒng)計國內(nèi)海域風(fēng)壓值，而設(shè)計海上 平臺時采用重現(xiàn)期為100a、時距為3s的風(fēng)速，因此當(dāng)采用gb 1502011進(jìn)行 高聳壓力容器設(shè)計時，不能直接套用該風(fēng)速，而應(yīng)換算成我國標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為 50a.時距為lomin的平均風(fēng)速，否則壓力容器設(shè)計將十分保守。目前，國內(nèi)外 應(yīng)用最廣泛的時距風(fēng)速換算可參考asce/sei 7-10建筑物和其他結(jié)構(gòu)最小設(shè)計 荷載回中圖c26. 5-1,從圖中查岀)。和巾，其比值約為07,考慮到地理位 置的差異和一定的安全系數(shù)，可適當(dāng)提高此值到0. 75o對于普通設(shè)計者，由于 缺少相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)而無法進(jìn)行重現(xiàn)期換算時，根據(jù)gb

12、50009-2012中我國近海 岸140多個地區(qū)50a與100a重現(xiàn)期的風(fēng)壓比值多在0. 850. 9,并參考其他相關(guān) 文獻(xiàn)，推薦換算系數(shù)"取上述風(fēng)壓比值的上限0.9進(jìn)行簡易換算，從而得到風(fēng)速 轉(zhuǎn)換公式（4）,然后根據(jù)式（5）計算出風(fēng)壓值，最終的基木風(fēng)壓取距海上平 臺最近海岸地區(qū)的風(fēng)壓值和式（5）計算的風(fēng)壓值兩者的大值。式中，v6oo為重現(xiàn)期50a、lomin的平均風(fēng)速，v?為重現(xiàn)期50a> 3s的風(fēng)im, m/s;q6oo 為重現(xiàn)期50a.l0min的平均風(fēng)壓，q為海上平臺距離大陸最近海岸的基木風(fēng)壓, q°為基本風(fēng)壓，kpa; n為不同重現(xiàn)期風(fēng)速與50q重現(xiàn)期風(fēng)速的

13、換算系數(shù)。1. 5局部載荷計算13,14 外部管線受到溫度等因素影響，將會通過接管接口處（通常為法蘭而）作用6 個方向的力和力矩，并在容器壁和接管根部區(qū)域產(chǎn)生額外的局部應(yīng)力，見圖1。 如果容器設(shè)計不周或接管外載過大，在內(nèi)壓的共同作用下會產(chǎn)牛過高的局部應(yīng) 力，造成容器破壞。因此從海上容器高可靠性要求出發(fā)，所有技術(shù)規(guī)格書都要求 對該局部應(yīng)力進(jìn)行分析和控制。圖1容器接管外載 下載原圖目前國內(nèi)主要采用hg/t 205822011鋼制化工容器強(qiáng)度計算規(guī)定15中基 于國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的美國焊接委員會wrc 107公報和wrc297公報得出的公式 進(jìn)行局部應(yīng)力計算。一般情況下，吊耳、支座等實心結(jié)構(gòu)件對容器壁

14、作用產(chǎn)生的 局部應(yīng)力計算采用wrc107,本體接管對容器壁作用產(chǎn)生的局部應(yīng)力計算采用 wrc297,但該方法通常只適用于小開孔率，且適用范圍很窄，主要是因為接管 與容器的壁厚比限制范圍以及接管在容器壁上的位置范圍均較窄。2013年容標(biāo) 委發(fā)布的指導(dǎo)性技術(shù)文件cscbpv-td001內(nèi)壓與支管外載作用下圓柱売開孔應(yīng) 力分析方法進(jìn)一步拓寬了原以wrc297進(jìn)行圓柱殼接管局部應(yīng)力求解的適用范 圍，提高了計算精度。以上方法都有一定的適用范圍，當(dāng)超出適用范圍時，可采 用有限元分析方法進(jìn)行局部應(yīng)力計算，但此方法費時、費力，對設(shè)計者的水平要 求較高。歐盟標(biāo)準(zhǔn)bs en 134452014非燃燒壓力容器16在

15、局部應(yīng)力求解 方面提供了一種新的方法，并且具有更寬的適用范圍，但其用于對売體的評定 偏于安全，對接管的評定偏于冒進(jìn)，且目前尚未被海洋平臺容器技術(shù)規(guī)格書所 采納，設(shè)計者在使用此方法時需要多加考慮。1. 6支座設(shè)計一般情況下，海上固定平臺容器中立式容器和塔式容器都采用裙座支撐，臥式 容器采用鞍座支扌掌，極少數(shù)小型設(shè)備，比如立式濾器等采用腿式支扌掌。高聳的結(jié) 構(gòu)受外載時通?？珊喕癁槠矫媪航Y(jié)構(gòu)作平面振動，一般包括剪切振動、彎曲振動 和扭轉(zhuǎn)振動。對于矮粗結(jié)構(gòu)的立式容器而言，主要以剪切振動為主;對于細(xì)高的 塔式容器而言，主要以彎曲振動為主。兩者都可以參考nb/t 47041-2014塔 式容器17及其附錄

16、e進(jìn)行裙座設(shè)計和校核，然而在計算時-般需同時考慮容 器主管線接管載荷對容器的疊加。對南海海域固定平臺上的壓力容器，由于洋流 和風(fēng)載較大，推薦考慮平臺水平和垂直加速度與地震載荷的疊加。與陸地容器另 一不同點在于，立式容器或塔式容器裙座與海上固定平臺連接方式一般為焊接 而非螺栓連接，因此需校核裙座筒節(jié)與基礎(chǔ)環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)與平臺甲板之間連接焊縫 的強(qiáng)度。對于臥式容器鞍座，也需要考慮以上風(fēng)載、地震載荷、接管外載荷、平 臺水平和垂直加速度對鞍座的影響，可以按照nb/t 470422014臥式容器 18進(jìn)行鞍座設(shè)計。與立式容器不同,對臥式容器，由于軸向安裝和使用時受溫 差和接管外載等影響，需要考慮其軸向伸縮，

17、鞍座與基礎(chǔ)之間仍然與陸地容器 一致，采用螺栓連接。1.7安全閥泄放量計算目前，國內(nèi)外海洋平臺工藝系統(tǒng)采用美標(biāo)設(shè)計，而國內(nèi)海上平臺的容器絕大部 分采用國標(biāo)設(shè)計。這種“系統(tǒng)美標(biāo)、容器國標(biāo)”的現(xiàn)狀，容易造成國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)混 用，甚至錯用等情況。對于國標(biāo)設(shè)計的壓力容器安全閥泄放量，gb 150. 1-2011 附錄b提供了確切的計算方法，而容器外部的管線等采用asme b31. 32016工 藝管道19設(shè)計,其安全閥泄放量采用apt 520-2014煉油廠壓力釋放裝置 的尺寸、選擇與安裝20等方法計算,因此當(dāng)容器和外部管線等設(shè)施作為一個 整體組成一個系統(tǒng)時，安全閥泄放量的計算方法往往容易選錯。gb 150

18、2011和api 5202014在安全閥的泄放量計算公式及適用條件上有所 不同，比如某相同的設(shè)備在火災(zāi)工況下的泄放量，按gb 150-2011計算岀來的 泄放量要比按api 520-2014計算出來的大，如果用美標(biāo)計算出的泄放量選擇安 全閥來保護(hù)國標(biāo)設(shè)計容器，就會出現(xiàn)安全隱患21。因此，當(dāng)容器采用gb 1502011設(shè)計時，單獨保護(hù)容器的安全閥泄放量也按gb 1502011計算，保 護(hù)系統(tǒng)安全閥泄放量計算公式為：式中，w為安全閥泄放量，w、為容器按gb 1502011計算的泄放量，wv為容器按 api 5202014計算的泄放量，敗為外部管線、設(shè)施按api 5202014計算的泄 放量，kg/

19、ho2橇裝設(shè)計2.1設(shè)計資質(zhì)橇裝設(shè)計的主體為容器，通常按gb 150-2011設(shè)計，而少量的橇內(nèi)壓力管道按 asme b31.32016設(shè)計。特種設(shè)備安全監(jiān)察局于2012-05明確了橇裝式壓力容 器的設(shè)計單位只需取得壓力容器設(shè)計資質(zhì)，而不強(qiáng)制要求取得壓力管道設(shè)計資 質(zhì)。2. 2設(shè)計重點典型的橇裝式壓力容器見圖2。圖2典型橇裝式壓力容器下載原圖在橇裝式壓力容器中，橇內(nèi)附屬設(shè)施以更好地完善系統(tǒng)功能、保障系統(tǒng)安全為首 要目的。相對陸地橇裝式系統(tǒng)，海洋平臺上的橇裝式系統(tǒng)設(shè)計需嚴(yán)格控制其幾何 尺寸和重量，并提供精確的重心用于平臺重控分析，在特殊情況下甚至以犧牲 操作的便利性來限制尺寸，否則會造成平臺成本

20、大幅增加。在有限的海洋平臺橇 裝式系統(tǒng)空間內(nèi)應(yīng)合理布置操作維修空間，避免與逃生通道或其他結(jié)構(gòu)等發(fā)生 干涉。設(shè)計時，各種儀表、閥門、管線布置緊湊，常需在容器上焊接支架等對外 部管線或儀表進(jìn)行支撐，布置支撐吋需考慮不對容器產(chǎn)生過大的外載。當(dāng)容器設(shè) 計過程屮接管外載過大時，可以考慮在外部管線增加支扌掌施加約束，從而減少 對容器強(qiáng)度的影響。3結(jié)語（1）海上容器設(shè)計壓力的取值與gb 150-2011有很大不同，尤其是真空容器設(shè) 計壓力的取值，需兼顧gb 1502011和q/i1s 30422014。（2）選用海上容器材料時不僅要考慮內(nèi)部介質(zhì)的腐蝕，還要考慮外部海洋環(huán)境腐蝕，尤其避免使 用不具有抗晶間腐蝕

21、和點蝕能力的304不銹鋼和鋁制等材料。（3）海上平臺容 器給定的風(fēng)載荷通常為重現(xiàn)期100a、時距為3s的風(fēng)速，在缺乏其他數(shù)據(jù)時，可 采用本文給定的公式轉(zhuǎn)換成基本風(fēng)壓進(jìn)行計算，否則設(shè)計過于保守。（4）優(yōu)先 選擇iig/t 205822011和cscbpv-td001的方法對接管外載引起的容器局部應(yīng)力 進(jìn)行計算，當(dāng)超過適用范圍時可采取必要的分析設(shè)計手段。（5） 般需考慮接 管外載對海上容器支座的影響，對于南海海域的平臺，推薦考慮平臺水平和垂 直加速度對支座的影響。（6）計算安全閥泄放量時一定要注意安全閥保護(hù)的對 象及對象的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，尤其對安全閥單獨保護(hù)容器的情況，不能采用美標(biāo)安全 閥泄放量保護(hù)國標(biāo)

22、容器，否則會產(chǎn)生容器超壓泄放危險。（7）橇裝設(shè)計過程中, 應(yīng)嚴(yán)格控制整橇尺寸和重量，合理布置操作維修空間，否則會造成平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng) 度或剛度不足，增加平臺建造投入。參考文獻(xiàn)3 gb 150. 1150. 42011,壓力容器s(gb 150. t150. 42011, pressure vesselss.)4 asmevh1 -12017,壓力容器建造規(guī)則s (asmevifl-l2017, rules for construetion of pressure vesselss)5 jb 47321995 (2005年確認(rèn)),鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)s(jb 47321995 (r2005) ,

23、steel pressure vesselsdesign by analysiss.)6jasmev111-22017,壓力容器建造另一規(guī)則s (asmevhi-22017, rules for construction of pressure vessels, division 2, alternative rulcss)7 q/hs 30422014,海上生產(chǎn)設(shè)施設(shè)計壓力和設(shè)計溫度確定的推薦作法s (q/hs 3042一2014, recommended practice for determination of design pressure and design temperature

24、 of offshore production fac訂itiess.)8 nace mr0175-2015,石油和天然氣工業(yè)油氣開采中用于含h2s環(huán)境的材料 s. (nace mr0175一2015, petroleum and natural gas industries一materials for use in h2s-containing environments in oil and gas productions)9 asce/se1 7-10,建筑物和其他結(jié)構(gòu)最小設(shè)計荷載s (asce/se1 7-10, minimum design loads for buildings an

25、d other structuress.)10 徐軍不同標(biāo)準(zhǔn)下的風(fēng)載荷取值研究j.港工技術(shù)，2014, 51 (5) :36-3& (xu jun. study of wind load value selection undor diffcrcntcriteriajport engineering technology, 2014, 51 (5) :36-38)11 劉剛.中國與美國規(guī)范風(fēng)荷載計算分析比較j.鋼結(jié)構(gòu)，2010, 2512 :47-52, 79. (liu gang. wind load analysis and comparison between chinese c

26、ode and american standardj.steel construction, 2010, 25 (12) : 47-52, 79.) 12gb 500092012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范s (gb 500092012, load code for the design of building structuress.)13 hg/t 205822011,鋼制化工容器強(qiáng)度計算規(guī)定s. (hg/t 205822011, specification of strength calculation for steel chemical vesselss)14 高翔.外載荷作用下局部應(yīng)力的有限元分析j.石油化工設(shè)備技術(shù)，