（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船舶管系设计与荷载计算研究.pdf

摘要 摘要 船舶管系设计与荷载计算研究是船舶与海洋平台的重要技术问题之一。本文通过介 绍管系的一般设计方法和标准，以及海洋钻井平台的七个典型管系，来确定管系荷载种 类并研究其计算方法。文中采用经典的水力计算方法和计算流体力学( c f d ) 方法来研 究管线的内部流体荷载：采用材料力学和流体力学来研究管线的外部荷载；应用有限元 方法来分析校核管线的强度。本文的目的是要综合考虑管线的各种荷载，更加合理地为 管道系统及其支撑结构的设计提供基本数据，以保证管系的最优化设计和运行安全。 本文完成的主要工作如下： 1 探讨管系设计方法和介绍著名的美国石油学会( a p i ) 管系标准。依据海洋钻井 平台的七张管系工作原理示意图，介绍各个管系所能实现的功能与所操作的要 求。在满足管系工作要求的情况下，总结了管系设计的一般原则及设计步骤 2 计算管线内部流体荷载，也就是管系的压力分布计算。对于某些边界变化剧烈 的局部区域，应用计算流体力学( c f d ) 方法进行数值模拟计算，即应用女一占 湍流模型方法进行管系局部压力分布数值模拟计算 3 计算风荷载考虑了多种因素，包括风压随高度变化而变化，管线结构的体型效 应，重现期的调整及风振的影响。 4 采用材料力学的梁理论，应用力法分析方法，计算出热膨胀导致的推力和弯矩。 5 采用材料力学的梁理论，应用力法分析方法，研究支撑结构移动导致的管系外 荷载重新分配规律，修正管系支撑结构的设计荷载。 关键词：管线；荷载；能量方程；n a v i c r - s t o k e s 方程；七一占湍流模型；梁；支座反力 一竺塑型 a b s t r a c t t h ei n v e s t i g a t i o no fs h i pp i p e l i n es y s t e md e s i g na n dl o a dc a l c u l a t i o n i so n eo ft h e i m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m sf o rs h i pa n dm a r i n ep l a t f o r m n el o a ds o r t so f p i p e l i n ei s d e t e r m i n e da n dt h em e t h o d c a l c u l a t i n gt h el o a di sa l s os t u d i e d ，t h eg e n e r a ld e s i g nm e t h o da n d s t a n d 缸do fp i p e l i n es y s t e ma n ds e v e nr e p r e s e n t a t i v ep i p e l i n e s y s t e m so fm a r i n ed r i l l i n g p l a t f o r ma r ei n t r o d u c e d 倒1 ec l a s s i c a lw a t e r p o w e rc o m p u t i n gm e t h o da n dc o m p u t i n gf l u i d d y n a m i c s ( c f d ) m e t h o da r ea d o p t e dt os t u d yt h e f l u i dl o a do fp i p e l i n e f i r s t l y t h e n m e c h a n i c so fm a t e r i a l sa n dh y d r o d y n a m i c sa r ea p p l i e dt os t u d yt h eo u t e rl o a do f p i p e l i n e s y s t e m l a s t l yt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i sa p p l i e dt o a n a l y s i sa n dc h e c k i n gt h e s t r e n g t ho fp i p e l i n e b a s i cd a t ac o u l db ep r o v i d e dm u c hm o r er e a s o n a b l yt ot h ed e s i g nf o r p i p e l i n ea n ds u p p o r t i n gs t r u c t u r et og u a r a n t e ep i p e l i n es y s t e mo p t i m i z a t i o nd e s i g nm o s ta n d r u n s a f e l y , a f t e rc o n s i d e r i n ga l lk i n d so f l o a d ss y n t h e t i c a u y t h em a i n a s p e c t so f r e s e a r c hw o r k a r ea sf o l l o w i n g ： 1 a p i p e l i n ed e s i g nm e t h o d i sd i s c u s s e da n dt h ef a m o u sa m e r i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t e ( a p l ) p i p e l i n e s t a n d a r di sa l s o i n t r o d u c e d a c c o r d i n gt o s e v e np i p e l i n ew o r k p r i n c i f ，l e s k e t c h m a p so fm a r i n ed r i l l i n gp l a t f o r m ，a l l a c h i e v e df u n c t i o n sa n d o p e r a t e dr e q u e s t so fe a c hp i p e l i n es y s t e ma r ei n t r o d u c e d u n d e rs a t i s f y i n gt h e p i p e l i n es y s t e mw o r kr e q u e s t s ，t h ec o m m o n l yp r i n c i p l ea n dp m c e d u r eo fp i p e l i n e d e s i g n a r es u m m a r i z e d 2 t h ef l u i dl o a di np i p e l i n ei sc a l c u l a t e d ，t h a ti sc a l c u l a t i n gt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no f p i p e l i n e t h ec o m p u t i n gf “dd y n a m i c s ( c f d ) m e t h o dw a sa p p l i e d t ot h e n a m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l c l l l a t i o nf o rs o m el o c a lr e g i o nw h e r et h eb o u n d a r yc h a n g e s a c u t e l y t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l c d a t i o no ft h el o c a lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nf o r p i p e l i n ew a sp r o c e s s e db ya p p l y i n gt h em e t h o d o fr a n s e q u a t i o n sw i t ht h e 七一s m o d e l 3 w h e n c a l c u l a t i n gw i n dl o a d ，m a n y 纽c t o 墙黜c o n s i d 既e d i n c l u d i n g w i n d p r e s s u r e v a r i e t ya l o n gw i t ha l t i t u d e ，b o d i l yf o r me f f e c to fp i f d i n es t r u c t u r e s , a d j u s t m e n to f r e c u r r i n gp e r i o d a n di n f l u e n c eo f w i n dv i b r a t i o n 4 t r u s tf o r c ea n db e n d i n gm o m e n tr e s u l ti nh e a te x p a n s i o n 锄c a l c u l a t e db ya d o p t i n g b e a mt h e o r yo fm e c h a n i c so fm a t e r i a l sa n da p p l y i n gf o r c ec o m p o n e n ta n a l y s i s m e t h o d 5 a d o p t i n gb e a mt h e o r yo fm e c h a n i c so fm a t e r i a l sa n da p p l y i n gf o r c ec o m p o n e n t a n a l y s i sm e t l l o d ，t h er u l et h a tt h eo u t e r l o a do f p i p e l i n er e s u l ti n p i p e l i n es u p p o r t i n g s t r u c t u r e sm o t i o ni s r e n e w e d l yd i s t r i b u t e dw a ss t u d i e da n dt h ed e s i g nl o a do f p i p e l i n es u p p o r t i n g s t r u c t u r ew a sr e v i s e d k e y - w o r d ：p i p e l i n e ；l o a d ；e n e r g ye q u a t i o n ；n a v i e r - s t o k e se q u a t i o n ；k 一占t u r b u i e n tm o d e l ； b e a m ；s u p p o r t i n g f o r c e s 船舶彗系设计与荷载计算研究 0 前言 船舶与海洋平台管线的设计和运行必须确定管线的内部和外部荷载，其中内部荷载 包括管内流体传输压力与脉动压力，外部荷载是管系自重和外部环境施加的荷载。应用 直接设计法对管线的结构强度进行校核是常用的设计方法之一，即应用总流能量方程法 对整个管系的流体压力分布进行计算，应用n s 方程与二模式湍流方程法对管系局部压 力分布计算，最终可以应用有限元分析法计算确定作用在管线以及支座、接头、端头、 法兰和阀门上的应力分布。本文介绍了管系设计概况、管系标准和海洋平台典型管系， 研究确定管系的内部和外部荷载，计算管系支座反力，并在工程设计中获得应用。 1 绪论 1 1 研究意义 随着社会生产力的发展，管道工程的应用范围越来越广泛，特别是在出现了各种高 效高压多功能的水力机械( 各种水泵、浆体泵、压缩机、鼓风机、抽风机等) 之后，管 道工程技术获得了迅猛的发展。在现代工业公用和民用建筑总都有大量的管道设施， 不仅用来输水、输气和其它液体，也用来进行石油、天然气的长距离输送，以水为载体 的煤炭、精矿、尾矿、泥沙、灰渣等固体物料的长距离管道输送，以水为载体的海底矿 产资源的气力管道提升，以空气为载体的粮食等颗粒物料装卸和气力管道输送，有些工 厂底工艺流程甚至用管道输送设施代替了其它输送机械，从而大大简化了工艺流程，降 低了投资、能耗和运营费。管道输送方式是继铁路运输、公路运输、水路运输和航空运 输之后兴起底新的大宗物料输送方式，成为国民经济运输体系重要组成部分之一。由于 管道输送底诸多优点，它的应用领域正在不断扩大，几乎所有底工厂、矿山、公用建筑 和民用建筑无不安装各种管道设施，例如冶金工厂、矿山、发电厂、选煤厂、石油化工 厂无不建有纵横交错的各类管道，高层建筑的供水、供热、供煤气和排水管道是必不可 少的，随着城乡建设的发展、人民生活水平的提高和建筑标准的提高，管道工程的投资 和工程量也在不断提高，在基本建设中所占的比重越来越大石油、天然气、固体物料 等的长距离管道输送在我国也获得了极大的发展，甚至出现了上千公里的石油、天然气 跨国管道，可以预测，在2 l 世纪必有众多的长距离管道输送工程开工建设。 管道的荷载包括管内流体传输压力与脉动压力，管系自重和外部环境施加的荷载。 外部环境施加的荷载有风荷载、温度荷载和支座对管系施加的荷载等等。管道系统的荷 载计算关系到管道的设计、制造和安装，有了管道的压力降计算就能得到管道的流体传 输压力和水头损失，这对管路设备的选择，像泵的扬程和功率的匹配选择、管路连接件 的选择、阀门的选择、管路材料的选择、管路尺寸的选择等提供正确的参考依据。 一般的管路研究只是限于管内的流体荷载，对于外部环境施加的荷载的研究涉及较 少。对于船舶和海洋平台管线而言，除了要计算管内的流体荷载，还要顾及环境施加的 各种外荷载，事实上，在某些特定环境下，外荷载对管线系统设计的影响很大，综合考 虑管线的各种荷载，更加合理地为管道系统的设计及其支撑结构的设计提供基本数据， 这就是本文的理论意义和应用价值。 船舶警系设计与荷载计算研究 1 2 国内外研究现状 管道系统研究是从最简单的管线和牛顿流体研究起。研究牛顿流体在直管线内流动 产生的摩擦阻力，得到层流和湍流的沿程阻力系数的计算公式；研究牛顿流体在边界变 化剧烈的局部区域的能量损耗，求得局部阻力系数。研究管道流体的速度分布和压力分 布，计算某些脉动量，分析管线的振动特性。研究管道系统的夕 部荷载，比如外部的流 体荷载、管道自身的温度热荷载和其他外部环境导致的管道支撑结构移动而产生的外荷 载。管道系统研究还包括其他诸如防腐、减阻和热传导等方面的内容 管网计算是在简单管线的研究基础上进行的，主要是进行各个分支的流量平衡和压 力降计算。管道系统研究从单相流扩展到多相流。单相流是指流体由单一流质组成，像 液体或气体；而多相流则指两种或两种以上流质组成，像气液、气固、固液和气固液等 等。管路水力和气力计算在单相流方面，无论是理论上还是技术上都比较成熟m ，工程 应用也比较多，但管路的多相流计算更贴近实际情况，更有实际应用价值，却由于多相 流的研究比较困难和复杂，因而其理论和技术都没有单相流成熟。目前国内外很多工作 者都在多相流方面下功夫，研究多相流流态，流变形态，希望能找到计算多相流的理论 方法“”。管路压力降计算“”大都是传统的静态计算，而动态计算很少，也比较难：简 单的管路系统比较容易计算，而复杂的管网就难了。现在为了实时监控和调度“1 ，平衡 管网流量和压力降，也就是实现动态计算管网的特性参数”，这在实际生产过程中是有 非常重要的意义。管路还存在水击现象“。”1 ，它严重影响和危害到管路的安全，可能会 致使管道和管路元件的破裂泄漏，造威严重的后果。 多相流的研究“、复杂管网的计算和管路的非恒定流计算是目前管路研究的发展趋 势。管系的流体脉动压力计算，管系与其周边结构物之间的变形耦合计算也是管道系统 设计和荷载计算的研究发展方向。 1 3 研究方法和内容 采用经典的水力计算方法计算管系内部的流体传输压力，也就是围绕总流能量方程 进行管系内部的流体总体压力分布计算。应用计算流体力学( c f d ) 方法来研究管系几 何边界变化剧烈的局部管件的流体压力分布，也就是局部压力分布用材料力学和流体 力学来研究管道系统的外荷载，包括风荷载、温度荷载和甲板在波浪中变形施加到管系 的荷载。应用有限元方法来分析管系应力分布状况，进行管系强度校核。 2 船舶管系设计与荷载计算研究 2 管系设计 2 1 管系设计 2 1 1 管系设计的方法 管道系统分析是船舶与海洋平台的重要技术问题之一，出于设计目的对管道系统特 性进行力学分析，以保证其最优化设计和运行安全可靠是非常必要的。管道系统分析方 法有： ( i ) 规范设计法 管道系统设计可以根据各种规范设计方法进行。规范包括了应用范围，参考标准， 各种定义，订货商需提供的信息，制造工艺和材料，材料要求，尺寸、重量、长度、缺 陷和端部型式，联接件，检验和试验内容与方法，标记，涂装和保护。文件，管线装载 等所有管线设计所必须的技术要求。 规范设计法的根据为管线的用途和使用的条件。根据管线的流体参数和系统布置可 以在规范中选取其尺寸、重量、长度，制造工艺和材料，端部型式，联接件，检验和试 验内容与方法，涂装和保护，装载以及必备文件等。 ( 2 ) 直接设计法 在规范设计法确定的管线基本结构与尺度的基础上，必要时可以应用直接设计法对 管线的结构强度进行校验，以保证管线的可靠运行直接设计法应用伯努力方程法对整 个管系的流体压力分布进行计算，应用纳维尔斯托克方程与二模式湍流方程法从事管 系局部压力分布计算，最终可以应用有限元分析法计算确定管线、支座和接头、端头、 法兰以及阀门的应力分布计算。 应用直接设计法从事管线的应力分析计算，荷载的确定是重要的通常，荷载包括 管内流体传输压力与脉动压力，管系自重，通过船体导入的外部荷载以及由于船体变型 引起的荷载等。所有的荷载会导致管线和支座的变型以及应力变化，管线内外的交变荷 载会导致管线的振动。 2 1 2 船舶与海洋平台管系设计的发展趋势 在规范设计基础上通过宣接设计进一步完善船舷与海洋平台管道系统设计，以实现 管道系统的优化设计为船舶与海洋平台管道系统设计的发展趋势。具体有待开发的设计 计算方法有： ( 1 ) 船舶与海洋平台管线环境荷载的计算。在船上管线安装在船体( 内) 壳体结构 或甲板结构上，船体遭遇的波浪荷载以及船体变型引起的荷载通过管线支座 传递到管线上。 ( 2 ) 管线内部流体流动的压力和脉动压力荷载的计算这一部分荷载不仅关系判 管线的强度与支座反力，同时还是引起管线振动的因素。 ( 3 ) 管线局部荷载的计算。鉴于流体在流动中由于管线截面的尺度、各种接头的 船舶警系设计与荷蛾计算研究 连接加工水平以及多向弯头尺度的变化，并且考虑到不同规格的法兰和阀门 的使用，沿管线局部流动压力的变化所致的局部应力变化是令人关注的。流 动压力和结构应力的变化不仅关系到管线结构的可靠性，也关系到管线的振 动特性，从而关系到管道系统的运行效率和安全性。 ( 4 ) 船体结构同管道系统相互作用的分析。船体同管道系统处于同一个结构系统 中，船体在外荷载作用下的受力与变型状态直接影响到管道系统的结构状 态：管道系统在运行中受力与变型状态的变化也对船体有直接的作用。从船 体结构系统的角度考虑船体和管道系统的可靠性与安全性是必要的。 ( 5 )管道系统运行流动和结构特性的动态响应计算与计算机模拟研究。 2 2 管系标准 美国石油学会( a p i ) 发布的标准，是世界公认并被各国广泛采用的标准在我国，特别 是在石油工业领域，多年来已经被丈家所熟悉。是否按a p i 标准生产，已成为衡量产晶质 量的条件，是否取得a p i 会标使用许可证已成为生产厂技术水平和管理水平的标志。 a p i 标准的制定历史久远。美国石油学会( a p i ) 成立于1 9 2 1 年，他们的标准化体系完 善，制定标准的目的明确。美国石油学会( a p i ) 开发部从1 9 2 4 年以来通过其标准化纲要。 为有助于使用和购买油田设备和材料所需的规范，为设计制造、安装、维护和使用这些设 备和材料所需的推荐作法，以及信息通报等的制定提供了一个论坛。由于世界广泛接受和 使用特别强调互换性、安全性、完好的工程实践和操作经验的a p i 标准，使石油工业和 消费者大众取得了无可估量的利益和经济效益长达8 0 年的标准化工作经验，完善的标 准化体系，明确的标准主题，充足的理论依据，其标准必然成为世界各国公认的先进标准， 成为石油机械生产的指导原则和验收产品质量的依据。 标准的溯源性强。a p i 每发布一个标准，都有明确的版本和实旌日期标记，每经过 次重新修订，延续一个新版本和规定新的实施曰期。让标准的使用者，通过标准的版本序 号就能看出该标准经过了几次修订，可大致推断出该标准的最初制定时间和延续历史。每 个标准的溯源性很强。 标准的可操作性强。a p i 标准是以产品的互换性和安全性为基本主题的，这是广大用 户最为关注的问题。良好的互换性和安全性使广大用户在安装和维护中极为方便，世界各 地只要按a p i 标准生产的产品都可以方便地安装和对接。这为产品的使用者和制造者提 供了极大的便利。 相对稳定的标龄。a p i 开发部发出通知，并在每个标准说明中明确指出：“一般情况 下a p i 标准至少每五年进行次复审和修订，重新认定和废止。必要时复审周期可以延 长胆延长期一次最多两年自发布之日起五年后本出版物不再作为a p i 执行标准发生 效力，被允许延长有效期时，则到新版本问世止。”这样，标准的使用者对标准的有效性一目 了然。由于标准定期修订，使a p i 标准能紧跟石油工业发展形势和科技进步，使其具有先 进性。 较强的延续性。a p ! 发布的每个新版标准，都在标准中将新增部分和已被修订部位的 侧面标有明显的粗实线，向标准的使用者传递出明确的信息新版本标准与原标准的 差异。便于产品生产者和使用者分析、研究和贯彻 4 船舶管系设计与荷载计算研究 严密的标准认证。美国石油学会自发布标准之日起，就相继开展了a p i 会标使用授 权工作产品资格认证。对经过总部严格检查，认定执行了a p i 标准、产品质量可靠 的生产企业发给证书，并公布于众，允许在产品上打印a p i 会标。定期对会标使用者进行 检查，发现违反规定的用户投诉，经验证属实，撒消其a p i 会标的使用权，强化了执行标准 的严肃性。 由于此说明书对管线的各种参数、制造工艺和材料、材料要求、检验和试验等规定 的比较详细，同时对需采购商提供的信息有清楚的要求，对于制造商的各项责任规定明 确，因此使用此说明书可以使设计人员在选择适合海洋工程中使用的管线时便于快速确 定管线的各种参数，有利于快速定货以及对于管线交货时的验收亦可依据本说明书顺利 进行。此外，国外海洋工程设计和管线制造商多采用此标准。有鉴于此，在海洋工程中 采用此说明书必将有利于设计的标准化和快速化，缩短定货周期以及验货成本，同时与 国际海洋工程接轨，不断提高产品质量和服务质量的重要保证。 2 3 典型管系介绍 2 3 1 高压泥浆系统介绍 高压泥浆系统( 运行原理图见附录a ) 主要部分由三组并行的泥浆增压泵和高压泥 浆泵组成，系统的主要功能要求是在正常使用中，高压泥浆系统应能以规定的压力和体 积输送所有的钻井液和返回泥浆。高压泥浆泵性能： 给定压力下的要求流量 ( 以8 5 的最大能力连续输出) 3 0 0 m 3 h r 砒2 6 0 b a r 最大操作压力 3 4 5b a r 在最大操作压力下的 要求流量( 连续输出) 2 1 0m 3 h r 3 0 0 m 3 p a r a t 2 9 0 b a r 4 2 0 b a r 2 1 0m 3 h r 高压泥浆泵的最大排放压力是5 1 7 m p a ：泥浆增压泵的尺度是8 ”8 ”，泵送能力是 2 6 0m 3 h ，排放压力是4 0 0 k p a ( 4 0b a r ) 。三台高压钻井泥浆泵最小功率为2 0 0 0 马力，各 类泵和从泵到立管的管汇，硬管，软管的额定工作压力为5 1 7 b a r 高压泥浆系统应该能完成以下操作： ( 1 ) 司钻室可以操作高压泥浆泵和增压泵。高压剪切系统要在不依赖于高压泥浆 泵的情况下独立操作。要有可能不依赖泵室或移动控制室的局部站台来操作 每一个泥浆泵，并且能提供替换移动末端和泵释放阀的提升管理。高压泥浆 泵要配备一台能直线移动的维护起重机，每个泥浆泵在维护中能从系统独立 出来。 ( 2 ) 高压钻井泥浆泵必须能抽吸所有豹正运行的和备用的钻井泥浆罐内的泥浆； 高压钻井泥浆泵必须能通过专用管线抽吸盐水罐内的盐水；高噩钻井泥浆泵 必须能够直接通过主供应罐抽吸海水。 船舶管系设计与荷载计算研究 ( 3 ) 离开安全阀，高压泥浆泵能排入有效的泥浆系统，在安全阀下游的管道能够 自排水，还应有冲洗的可能。高压泥浆泵的布置定位要强调出入简单和便于 供应马达、主曲柄轴、套筒、活塞、移动末端和阀门。 ( 4 ) 全部可移动末端部分要能够输送水萋和油基流体及不同类别的盐水。电气设 备要能适用于二类区环境。要求有单水龙带或单立管。要能够提供逆循环。 过滤器要防止大的颗粒进入井眼。 整个高压泥浆系统由以下四个部分组成： ( 1 ) 增压部分。采用双管线并联方式提高系统运行的可靠性和可维修性。管道漉 程是：从运行槽罐、化学品槽罐和备用槽罐到泥浆增压泵；从泥浆增压泵到 高压泥浆泵；从高压泥浆泵到泥浆立管、燃烧室( 喷水) 和至升降机的增压管。 ( 2 ) 冲洗排水部分。管道流程是：从海水冲洗槽罐到泥浆增压泵；从海水槽罐到 泥浆增压泵；从泥浆增压泵到高压泥浆泵：从泥浆增压泵和高压泥浆泵到平 台排水沟。 ( 3 ) 过高压释放部分。当高压泥浆泵排放压力大于5 1 7 m p a 时，则释放阀工作： 高压泥浆泵把流体输送到燃烧室( 喷水) 时，当流体压力大于1 0 2 m p a ，则释 放阀工作；高压泥浆泵( n o 3 ) 把流体输送到至升降机的增压管时，当流体压 力大于3 4 4 m p a ，则释放阀工作。管道流程是：从高压泥浆泵到运行吸入槽 罐；从高压泥浆泵到平台排水沟。 ( 4 ) 不经过泥浆增压泵的其他部分。管道流程是：从混合输送泵到高压泥浆泵； 从套筒喷射槽罐到高压泥浆泵；从运行槽罐到高压泥浆泵：从备用槽罐到高 压泥浆泵；从化学品槽罐到高压泥浆泵；从海水冲洗到高压泥浆泵：从海水 到高压泥浆泵。 2 3 2 固体控制系统介绍 固体控制系统( 运行原理图见附录b ) 应能通过去除砂块、细小颗粒和油气来回收 钻井液，而不造成钻井液和钻井液添加剂的不必要损失。 对钻井泥浆要求严格，因为钻井泥浆质量好坏直接影响钻井质量。对从井底返回的 泥浆要严格处理，必须把其中的气、砂、泥清除干净，因此要配有泥浆净化设备，包括 振动筛、除砂器、除泥器及砂泵等从井口出来的泥浆，由油水分离器把大量油气分离 出去，进入净化泥浆池上面的振动筛，除去大决泥砂，流入净化泥浆池，由砂泵将泥浆 分别注入除砂器和除泥器，将砂泥清除，经过多次循环处理后达到净化目的 固体控制系统处理设备的性能；分沙槽罐容积是8 5i 1 3 设计压力是标准大气压； 脱气槽罐容积是7 11 1 1 3 ，设计压力是标准大气压；脱气排放榷罐容积是7 2m 3 ，设计压 力是标准大气压；收集槽罐容积是7 2m 3 ，设计压力是标准大气压；泥浆离心器的尺度 是6 ”4 ”，处理能力是2 0m 3 h r ；泥浆沉淀池能力是3 0 0 1 1 1 3 1 1 r ；泥浆脱气装置的流量是 2 5 7m 3 脏( 每一个) 或4 2 0 0 l m i n ( 每一个) ；离心器泵的尺度是6 “x 5 “，泵送能力是3 4 m 3 h r ，排放压力是8 0 0 k p a ( 8 0b a r ) ；沉淀泵的尺度是8 ”x6 ”，泵送能力是2 7 0i n 舡， 排放压力是6 0 0 k p a ( 6 0b a r ) 。 处理设备应至少能处理在任何时间内的最大预计的循环流量。处理包括以最高的可 6 船舶管系设计与荷载计算研究 能去除钻井流体从井眼一起带出的所有不需要的颗粒和气体。为保证开孔内的泥浆的彻 底净化，泥浆处理系统应能去除大于7 5 1 x m 的颗粒。经验表明这可能要用1 5 0 目筛或更 好的筛。 固体控制系统性能： 最大井回流速率 最小筛目数 总沉淀池容积 离心器处理能力 总脱气能力 处理舱容 泥浆性质： 泥浆重2 o s g c l a s s i 4 0 0m 3 h r 气 4 0 0m 3 h r 4 0 m 3 h r 4 5 0m 3 p a r 5m 3 c l a s s i i 4 0 0m 3 h r 5 4 0 0m 3 h r 4 0 m 3 h r 4 5 0m 3 h r 5m 3 泥浆粘度7 0 c p ； 泥浆温度6 5 摄氏度。 固体控制系统应该能完成以下操作： ( 1 ) 泥浆处理系统应能被一个局部控制台操作，要有可能从钻井控制室和钻井液 控制室来操作该系统。砂块和细小颗粒应基本能被页岩筛去除所有的槽罐 应安装搅拌器以足够的翻转率来防止泥浆沉淀，搅拌器的变速箱要用油润 滑。所有的槽罐都应安装水平传感器。所有的槽罐都应安装进行冲洗的底排 阀和溢出阔。振动器箱必须安装倾倒阀和冲洗设备。 ( 2 )电气设备要能适用于二类区环境。泥浆处理槽罐带有观察窗口并要求完全封 闭和通风。泥浆处理槽罐设计要保证便于清洁和出入脱气装置通风口应发 送到一个排气的合适且安全的地方。泥浆处理区同样要安装设施来防止暴露 在热的、危险的油气和蒸气当中离心分离机要放在混合区域中的泥浆槽罐 顶上。 ( 3 ) 槽罐要装有两套水平传感器。振动器箱应分为几部分，有搅拌和冲洗可能。 页岩振动器筛的存放地方应位于靠近页岩振动器通风系统必须能充足提供 一个可接受的工作环境( 对于暴露在乳状钻井液的地方) 要考虑到振动器 室是一个长久的人工操作的地方从来流管线到振动器的分配系统应该能在 以下流速而保证不溢出循环和在任何气象条件下都允许钻井施行： 1 7 5 ”截面 1 2 - 2 5 ”截面 8 5 ”截面 流速，升份钟 4 5 0 0 3 5 0 0 2 2 0 0 筛尺寸，目 1 0 0 1 0 0 1 5 0 ( 4 )要有可能使钻并液直接从井里返回到运行的槽罐或备用槽罐而不需要涉及 到页岩振动筛和处理槽罐，逆循环时也一样。要有可能清空所有的振动器池 船舶管系设计与荷戴计算研究 到运行的或备用的系统。来自振动器筛的碎块必须收集在粹块泥亿系统里。 当一根船外软管用于碎块处理时，粹块泥化系统应该用来形成单一泥浆。此 外，应能通过软管以一个可控制的流速泵送泥浆。 整个固体控制系统由以下四个部分组成： ( 1 ) 泥浆净化处理部分。管道流程：节流嘴和逆循环槽罐经振动筛到分沙槽罐、 脱气槽罐和脱气排放槽罐；从分沙槽罐、脱气槽罐、脱气排放槽罐和收集稽 罐到离心泵和沉淀泵；从离心泵和沉淀泵至泥浆离心器和沉淀池；泥浆离心 器经收集槽罐到运行泥浆池。 ( 2 ) 排放到船外部分。管道流程：振动筛经砂块斜道到船外；各槽罐的倾倒管到 船外；分沙槽罐、脱气槽罐、脱气摊放槽罐和收集槽罐銎l 船外。 ( 3 ) 海水冲洗和砂块处理部分。管道流程：海水冲洗槽罐到砂块斜道及其它三通 和软管接头；砂块斜道到砂块处理 ( 4 ) 其它排放处理部分。管道流程：海水( 清洗槽罐) 到收集槽罐、脱气排放槽罐、 脱气槽罐和分砂槽罐；脱气槽罐到脱气排放槽罐；泥浆离心器至砂块斜道。 2 3 3 高压空气系统介绍 浮式的钻井装置要有补偿机构。这是因为半潜式钻井平台及船式钻井平台，由于受 到风浪的影响，平台不是静止的。在垂向，平台与海底井口设备有相对运动，由于这种 相对运动是周期性的，影响到井架和大钩于是，大钩荷载也发生周期性交化，钻头的 钻压不能保持所需要的数值并产生冲击，影响到钻并的质量和进度，同时也会影响到隔 水套管与井1 ：3 盘。为此，沿海底的隔水套管和井口盘导向基架的导索以及钻杆柱与平台 之间都应有补偿机构，才能保证平台的正常工作。 高压空气系统( 运行原理图见附录c ) 应该能完成以下操作： ( 1 ) 柱补偿器应有一个液压锁定装置锁定装置要配有一个警报嚣和一个锁定开 关键。在锁定位置，钻柱补偿器至少能承受提升系统核准过的荷载。钻柱补 偿器至少能补偿荷载运动，使之最小化。额定钻机荷载能力要大于整个钻机 提升高度。荷载最大偏差1 5 吨。关于补偿器控制功能的其余部分，应能 从司钻位置远距离控制空气压力罐阀。实际升降补偿器系统对海底设备的荷 载也应有效的。与钻机运动相比，暂时荷载运动减少9 0 * 4 当加载防喷器堆 时，实际系统要有称重能力，系统功能使其能够使用。在绳索作业过程中，包 含一个安全剪切销装置的系统应该有效。 ( 2 ) 万一液压软管裂开或钻柱破裂，应存在一个系统来防止冲击荷载。技术人员 要做详细的检测，避免在液压汽缸中发生爆炸，不是把用氮气作为气动媒介 就是用专门检测的非矿物油基液压流体在压缩空气中造成含油量。这些检测 要作记录。 整个高压空气系统由以下五个部分组成： ( 1 ) 器空气压缩机和干燥机制动装置的冷却部分管道流程：冷却淡水供应罐经 强力器空气压缩机和干燥机制动装置到冷却淡水返回罐；强力器空气压缩机 和干燥机制动装置到排水沟。 船舶管系设计与荷载计算研究 ( 2 ) 强力器空气压缩机和干燥机制动装置部分。管道流程：强力器空气压缩机和 干燥机制动装置到导索强力器控制制动装置和立管强力器的阀门控制制动 装置。 ( 3 ) 导索强力器控制制动装置和立管强力器的阀门控制制动装置部分。管道流 程：导索强力器气瓶组到导索强力器控制制动装置：立管强力器气瓶组到立 管强力器的阀门控制制动装置。 ( 4 ) 导索强力器和双立管强力器部分。管道流程：导索强力器控制制动装置到导 索强力器：从立管强力器的阀门控制制动装置到双立管强力器。 ( 5 ) 仪表空气和排水通风部分。管道流程：仪表空气到立管强力器的阀门控制制 动装置；立管强力器气瓶组到排水沟；导索强力器气瓶组到排水通风管线； 导索强力器控制制动装置到排水通风管线。 2 3 4 散装动力系统( 水泥) 介绍 水泥的作用：将该层套管粘结于地层上，从而支承和加强套管；保护油层不会流失： 封隔和防止污染可供民用的淡水层；保护其他可能有用的砂层；防止因套管外的高压层 引起的井喷；堵塞腐蚀性水层以保护套管；封堵漏失层和其他事故层；各层套管间注水 泥后，可以减轻振动的冲击负荷；防止套管和井壁闯地层流体上下流动；供安装井口装 置，以便在钻井时，有效地控制高压油、气、水地活动，确保安全钻进 水泥储藏罐粉尘收集器封装包容积是2 0m 3 ，设计温度是+ 5 5 0 0 c ，设计压力是 5 8b a r 。水泥储藏罐容积是9 0m 3 ，设计温度是+ 5 5 0 0 c ，设计压力是5 8b a r 。 散装动力水泥系统( 运行原理图见附录d ) 的要求。水泥系统的设计要能正常地混 合和泵送水泥，也能完成压力测验、井循环、封堵和注入操作设计应基于自动微调控 制系统，也可能作手动操作。这些装置和相关的设备应能在主动力失效时还可以操作。 流体( 泥浆混合脉泥) 控制宣应能控制这些操作。这些装置应靠近置放在泥浆区域和流体 控制室。所有管路系统、阀门和软管要在i 0 3 5b a r 工作压力下设计。设计包括在钻井平 台上的带有固定硬管接头的水泥立管来封堵和节流总管。从带有x o v e r 的水泥立管到 泵入接头的3 ”1 0 3 5b a r 伴热柔性软管，设计应考虑到软管带来的弯矩。 散装动力水泥系统性能： r a n g e i 额定压力( b a r ) 3 4 5 6 9 0 最大额定泵力( m 3 h ) 1 8 0 1 8 0 最大泥化能力( 1 3 2 5 s g ) 8 0 m t h 最大压力下泵力( m 3 1 1 ) 6 0 3 0 满荷载下柴油日用舱能力 ( 两个发动机都一样) 1 2h r s 泥浆最大比重 2 5 比重最大波动 1 0 9 r a n g e i i 6 9 0 ，1 0 3 5 1 8 0 1 5 0 8 0 m t h 3 0 ，2 0 船舶管系设计与荷载计算研究 添加剂和水的计量精度 仪表计量精度 1 0 0 1 散装动力水泥系统操作要求： ( 1 ) 在操作水泥装置过程中，工作人员不能直接暴露在高压之中。必要功能的操 作应在离高压设备的安全距离的控制台上发生，必要功能的例子大概有：转 动，速度、停启、必要阀门的开关。水泥装置要配上测量设备，该测量设备至 少要能测量和存储以下关于一个连续的主要成分的参数：比重( 在压力下测 量) 。需要一根水泥立管。在井台区域的井工作操作中，高压管线( r a n g e i6 9 0 b a r & r a n g e i i1 0 3 5 b a r ) 要可用设备中强制用作连续操作的那部分应 有后备设备，这样个持续不断的操作能以一个可接受的性能水平完成。水 泥装置的设置应强调便于接近和便于提供替换发动机和泵的零部件。 ( 2 ) 该装置能泵送水泥浆、重晶石块状物、盐水、柴油、酸液、氮化物和其他刺 激性流体。该装置应得到的供应有：淡水、海水、钻井液、完井液、基液、 柴油、重晶石、水泥、空气和电力。能通过专用管线在泥浆和盐水系统之间 来回传输。应安装带有储藏罐的自动液体添加系统，其中储藏罐配有水平指 示器、搅动器或再循环系统，有彻底排放和清洗的可能住该罐应置放在加 热的地方。在注水泥的过程中，理论上对于操作者的位置来说，所有使用中 的阀门操作应是简单的。应安装一根环形管线用来提取来自混合，存储槽罐中 的水泥浆样本和重量。重晶石输料速度应给水泥系统提供这样的可能性：允 许以5 0 0l r a i n 的速度混合和泵送密度为2 5 9 ，c m 3 的重晶石加重钻井液。以 7 5 公吨4 , 时的稳定速度供应重晶石也以7 5 公堍小时的稳定速度供应散 装水泥。以3 5 0 0l r a i n 的速度把钻井液和海水输送到水泥装置。以1 5 0 0l m i n 的速度把淡水、基液和柴油输送到水泥装置。水泥装置配备测量设备和记录 系统，能测量和存储关于一个连续的主要成分的相关信息。 整个散装动力水泥系统由以下六个部分组成： ( 1 ) 把散装水泥从外船输送到水泥储藏罐。管道流程：左舷装载站台和右舷装载 站台到d v s 4 ；d v s 4 到d v s 5 ；d v s 5 到水泥储藏罐。 ( 2 ) 把散装水泥从水泥储藏罐输送到水泥回旋沉淀器( 下灰嚣) 。管道流程：注 入空气到水泥回旋沉淀嚣( 下灰器) ；水泥储藏罐到水泥回旋沉淀器( 下灰 器) 。 ( 3 ) 直接把散装水泥从外船输送到水泥回旋沉淀器( 下灰器) 。管道流程：左舷 装载站台和右舷装载站台到d v s 4 ；d v s 4 到d v s 5 ：d v s 5 到d v s 6 ； d v s 6 到水泥储藏罐。 ( 4 ) 散装动力空气中水泥粉的回收。管道流程：水泥回旋沉淀器( 下灰器) 到水 泥储藏罐粉尘收集器封装包；水泥储藏罐到水泥储藏罐粉尘收集器封装包： 水泥储藏罐粉尘收集器封装包到水泥储藏罐；4 1 4 b a r 散装空气到水泥储藏 罐；水泥储藏罐粉尘收集器封装包到水线上的通风管。 ( 5 ) 过高压排放部分。管道流程：4 1 4 b a r 散装空气到水线上的通风管；水泥储藏 罐粉尘收集器封装包到水线上的通风管：水泥储藏罐到水线上的通风管。 1 0 船舶管系设计与荷载计算研究 ( 6 ) 添加重晶石。管道流程：重晶石槽罐到水泥回旋沉淀器( 下灰器) 。 2 3 5 防喷器和分流器液压控制系统介绍 为了防止井内出来的油、气体的爆喷，要设防喷装置。在正常情况下，钻井液柱高 度构成一种静压力，当它大于井孔地层压力时，井喷是不会发生的，但为了安全，预防 万一，所有的钻井平台都设有防喷装置，在井喷使能及时控制，并且使高压井液进行有 限制的放喷，从而使并孔恢复到正常平静的状态：或是完全封闭井1 2 。因此，防喷装置 要具有下列性能：紧紧封闭钻杆并使通常的井压液得以循环：有能力在长时间内维持这 种压井状态；能吊钻杆，封闭井1 2 ，使平台暂时离开井位；在平台返回原井位时，能找 到井位，连接钻杆立即循环泥浆r 当某一功能失效时，能采取其他措施来补救。 防喷装置用液压遥控，其控制机构一般设在钻机前、液压遥控装置处和控制室三个 地方。放喷管系和压井管系通常都与闸板防喷器壳体上得遁孔连接，是在井口封闭后， 有效控制井内压力得手段。放喷管系是控制井内压力过高，卸掉部分压力得装置，因此， 井内的高压泥浆经减压，返回到泥浆净化装置；而压井管系是要压住井内压力，因此， 可通过它向井眼泵入一种比重很大的泥浆秣为重泥浆进行压井上述管路都装有安 全阀，及阀门可通过液压装置进行远距离操纵。 防喷器和分流器液压控制系统( 运行原理图见附录e ) 的功能要求：如果原先的井 障( 钻井液) 不能达到预期目的，该系统就应保证能完全控制和监控钻井情况 防喷器和分流器液压控制系统的主要部分组成：单防喷器；铡试桩；泵测试器：控 制系统；钻杆安全阀；钻井立管；井头连接器；分流嚣壳；分流器管线。 防喷器和分流器液压控制系统性能： 防喷器堆内孔 高压立管内孔 高压立管额定压力 低压立管内孔 低压立管额定压力 分流器内孔，壳 分流器工作压力 分流器管线最小内径 防喷器堆额定工作压力为1 0 3 5b a r 。防喷器堆能平衡调整，服务予硫化氢。所有的 柱塞都配有在1 3 0 。c 持续温度下工作的封隔器。失效安全阀和柔性软管( 跨接管) 的设 计工作压力为1 0 3 5b a r 和设计工作温度为1 3 0 0 c 持