新型噴沖式挖溝機(jī)總體設(shè)計與結(jié)構(gòu)安全性評估

王喆，馬洪新，李翔，王艷濤，李果，朱恒康，趙敏

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津600583;2.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240)

隨著我國對能源需求與日俱增，海洋石油資源的開發(fā)利用，海底管道挖溝技術(shù)也因工作需求發(fā)生了較大變化［1-4］。挖溝是海底管道保護(hù)和滿足管道穩(wěn)性要求的主要手段，近年來因第三方破壞而造成的海底管道事故頻發(fā)，如番禺、渤西登陸管線破損和東方1-1管線爆炸等。隨著渤海海域港口建設(shè)的發(fā)展，龍棲灣航道、葫蘆島航道、錦州航道和黃驊港航道均與管線交叉，工程建設(shè)者對海底管道挖溝深度和挖溝質(zhì)量都提出了更高、更苛刻的要求，以協(xié)調(diào)地方政府港口建設(shè)和海底管道安全運(yùn)營的沖突。地方政府對部分管段埋深要求至4～5 m，目前的挖溝裝備能力是無法達(dá)到的，如果動用挖泥船預(yù)先開挖，則工程費(fèi)用太高。

針對上述海底管道中開挖問題，各設(shè)計單位設(shè)計了水下作業(yè)面開挖處理設(shè)備，以解決開挖效率低、易回淤的難題，達(dá)到設(shè)計開挖深度。其中上海交通大學(xué)研制了系列化海底管線噴沖式挖溝機(jī)，最新的一代是中石油管道局“神龍?zhí)枴蓖跍蠙C(jī)和海洋石油工程股份有限公司高壓噴沖挖溝機(jī)。

但兩臺挖溝機(jī)都同時存在兩個問題:1)尺寸大，難于運(yùn)輸。挖溝機(jī)陸上運(yùn)輸受限，必需進(jìn)行拆解分段運(yùn)輸，然后再在碼頭或船上現(xiàn)場集成，效率低，且反復(fù)拆裝對于挖溝機(jī)的維護(hù)不利;2)重量大，易對管線造成傷害。挖溝機(jī)本體結(jié)構(gòu)重量過大，成本增加，設(shè)備起吊受限，水下重量也相應(yīng)增加，在作業(yè)過程中，挖溝機(jī)慣性大，拖曳不慎易對管線造成傷害。

針對這些問題開展新一代挖溝機(jī)的研制，闡述了總體設(shè)計方案，同時基于CCS潛水器規(guī)范［5］和有限元方法，對挖溝機(jī)的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了評估，并提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計加強(qiáng)方案。最后給出該型挖溝機(jī)在渤海灣錦州251工程和墾利海上石油管道挖溝工程的海試結(jié)果。

1 挖溝機(jī)總體設(shè)計

1.1 設(shè)計參數(shù)

基于減輕挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)重量和尺寸的目的，參照海洋工程設(shè)計規(guī)范［5-7］及一些工程實(shí)踐［8-9］設(shè)計，給出了新型海底管線噴沖式挖溝機(jī)總體設(shè)計的主要參數(shù)，具體如表1。

表1 新型挖溝機(jī)的主要設(shè)計參數(shù)Table 1 Main design parameters of the new type of trencher

1.2 系統(tǒng)組成

新型海底管線噴沖式挖溝機(jī)作業(yè)系統(tǒng)包括三大部分:水面支持系統(tǒng)、挖溝機(jī)本體和聯(lián)系水面水下的組合臍帶，各子系統(tǒng)組成如圖1所示。

水面支持系統(tǒng)包括水面動力站、水面監(jiān)控站、水面液壓站、臍帶絞車等子系統(tǒng)。開溝機(jī)本體工作于水下，采用拖曳方式循線航行，采用高壓噴沖結(jié)合抽吸的方式進(jìn)行水下開溝作業(yè)。

圖1 挖溝機(jī)作業(yè)系統(tǒng)的組成圖Fig.1 Diagram of trencher system

1.3 水下本體

新型挖溝機(jī)采用拖曳方式循線航行，利用高壓噴沖結(jié)合抽吸的方式進(jìn)行水下挖溝作業(yè)。水下本體主要由門型框架、上層浮體、噴沖泵、抽吸泵、噴沖臂、射流抽吸泵、抽吸臂、對中機(jī)構(gòu)、耐壓電控艙和動力接線艙等部分組成，如圖2所示。

圖2 新型挖溝機(jī)本體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Main structure of the new type of trencher

門型框架是挖溝機(jī)的主要承力部分，也是安裝所有水下設(shè)備的載體。在“神龍?zhí)枴焙透邏簢姏_挖溝機(jī)的總體設(shè)計過程中，均采用了臥式噴沖泵方案，導(dǎo)致系統(tǒng)尺度偏大。在新型挖溝機(jī)的總體設(shè)計上，采用了立式噴沖泵，使得本體結(jié)構(gòu)尺寸得到有效減少，結(jié)構(gòu)傳力路徑得到簡化，故結(jié)構(gòu)厚度也相應(yīng)減小。不同于“神龍?zhí)枴蓖跍蠙C(jī)和高壓噴沖挖溝機(jī)，新型海底管線噴沖式挖溝機(jī)的管匯為不完全獨(dú)立結(jié)構(gòu)，其部分結(jié)構(gòu)與門型框架合理的整合在一起，浮力材料也集中分布在門型框架上層中央，因此該新型挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊、重量更輕和尺寸更小。

此外，噴沖系統(tǒng)的設(shè)計在現(xiàn)有挖溝機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合CFD方法［10］進(jìn)行了優(yōu)化，噴沖效率得到提高，噴沖臂和抽吸臂前進(jìn)過程所受到的設(shè)計載荷得到下降，因此噴沖系統(tǒng)的設(shè)計重量也得到了減輕。

由于新型挖溝機(jī)的整體重量得到優(yōu)化減輕，而其海上工作的風(fēng)險性沒有改變，必須對其結(jié)構(gòu)安全性，尤其是中央門型框架進(jìn)行全面的評估，才能滿足海上作業(yè)安全的要求。

2 結(jié)構(gòu)安全性評估

挖溝機(jī)屬于水下重載作業(yè)裝備，目前尚未有專門規(guī)范進(jìn)行評估。本文采用CCS潛水器規(guī)范［5］和有限元技術(shù)，對新型挖溝機(jī)承力結(jié)構(gòu)——中央門型框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性評估，并針對結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中存在的缺陷提出加強(qiáng)方案。

2.1 結(jié)構(gòu)有限元模型

該挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若對所有結(jié)構(gòu)都建立有限元模型，工作量、計算量較大，故采用有限元法對挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析時，對少數(shù)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)建立局部模型，對各局部模型分別進(jìn)行強(qiáng)度校核和加強(qiáng)。各結(jié)構(gòu)之間的連接，采用質(zhì)量模型、邊界約束及施加作用力等方法進(jìn)行簡化。在對主框架結(jié)構(gòu)分析時，各設(shè)備采用質(zhì)量模型進(jìn)行模擬［11］;關(guān)鍵設(shè)備(如對中機(jī)構(gòu)、噴沖臂等)與主框架連接的部位，可作為邊界約束處理。

挖溝機(jī)的整體框架模型全部使用殼單元，單元大小50 mm×50 mm，局部地方需要細(xì)化;對中機(jī)構(gòu)、抽吸機(jī)構(gòu)、泵和浮力材料等均采用質(zhì)量點(diǎn)單元來模擬，整體有限元模型如圖3所示。

圖3 整體有限元模型Fig.3 Finite element model of full structure

多點(diǎn)約束法(MPC)用于表征一些特定的物理現(xiàn)象，結(jié)合粘結(jié)接觸技術(shù)使用可以定義實(shí)體－實(shí)體連接、殼－殼連接等多種單元連接和幾何約束［12］。MPC包括剛性單元與柔性單元，剛性單元的局部剛度無限大，柔性單元的局部剛度為零，不會對系統(tǒng)剛度產(chǎn)生影響［13］。

各設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和其重心位置對主框架結(jié)構(gòu)有較大影響，且與主框架之間多采用剛性連接、鉸接、滑動等鏈接方式，在對主框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，將各設(shè)備結(jié)構(gòu)用質(zhì)量點(diǎn)處理，采用柔性單元RBE3建立MPC將這些質(zhì)量點(diǎn)與主框架相應(yīng)部位進(jìn)行連接，以此模擬各設(shè)備結(jié)構(gòu)。

2.2 工況和載荷邊界條件

挖溝機(jī)作業(yè)過程包括船舶就位、挖溝機(jī)就位、正常挖溝作業(yè)、挖溝記錄及監(jiān)控以及挖溝機(jī)回收［14］。從停放在甲板到起吊下水的典型工作過程中，選取3種典型工況，分析出現(xiàn)最大載荷的可能工況。

甲板停放工況主要考察挖溝機(jī)在吊放過程中與甲板接觸瞬間所產(chǎn)生的沖擊;空中起吊工況主要考察起吊鋼絲固定在挖溝機(jī)頂端吊耳上起吊的作業(yè)情形;水下極限工作工況主要考察整個挖溝機(jī)全部浸入水中，考慮挖溝機(jī)受到的摩擦力和水流來力。

1)甲板停放工況

挖溝機(jī)在甲板停放工況除受到自身重力外，還受到與甲板接觸瞬間產(chǎn)生的沖擊載荷。由達(dá)朗貝爾原理可知，作用于系統(tǒng)的真實(shí)力和達(dá)朗貝爾慣性力相互平衡［15］。根據(jù)結(jié)構(gòu)所受沖擊大小以及挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)自身重量推算出在甲板停放工況下整個結(jié)構(gòu)所承受最大沖擊載荷，并換算成整體模型的整體加速度。挖溝機(jī)在甲板停放工況考慮將其與甲板接觸部位進(jìn)行邊界約束。

2)空中起吊工況

“潛水器規(guī)范”［5］中給出船舶上的吊放系統(tǒng)在處于吊放狀態(tài)時，垂直于甲板的加速度為1個重力加速度。整體模型給予2個重力加速度(向下)的慣性力。因此將挖溝機(jī)上各個機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量乘以2個重力加速度以集中力形式加載在相應(yīng)集中質(zhì)量處。挖溝機(jī)在空中起吊工況考慮對吊耳的位移自由度進(jìn)行邊界約束。

3)水下極限工作狀況

水下極限工況時，整個挖溝機(jī)全部浸入水中，挖溝機(jī)將受到浮力的影響，重力加速度可設(shè)為0.5個重力加速度。另外，此工況還需考慮在滑靴底部受到的摩擦力，以及橫向的水流力。

水下極限工況時，需要考慮噴沖臂破土、抽吸臂與泥漿、以及滑靴與土的相互作用力，這些載荷較大，對結(jié)構(gòu)的安全性影響至關(guān)重要。

2.3 結(jié)構(gòu)安全性評估和加強(qiáng)方案

本挖溝機(jī)主體結(jié)構(gòu)采用了Q345鋼，其材料特性為:楊氏彈性模量 E=2.06×105MPa;泊松比 v=0.3;質(zhì)量密度 ρ=7.85 nt/mm3;屈服強(qiáng)度取值為σs=345 MPa。取安全系數(shù)為2.0，即許用應(yīng)力取值σ=170 MPa。

2.3.1 甲板停放工況

甲板停放工況時，整體模型的應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)在停放工況下能夠保證足夠的強(qiáng)度，最大單元相當(dāng)應(yīng)力為69.9 MPa，出現(xiàn)在滑靴支架于主框架相連接橫板處，應(yīng)力云圖如圖4、5所示。

圖4 停放工況整體模型應(yīng)力云圖Fig.4 Stress contour of full model when laid on deck

圖5 超過50 MPa的應(yīng)力云圖Fig.5 Stress contour above 50 MPa

2.3.2 空中起吊工況

空中起吊工況時，模型整體框架的應(yīng)力值大部分小于170 MPa。應(yīng)力較大處主要位于滑靴于門型框架連接處以及支撐泵的4個垂向橫板處，最大應(yīng)力值為222 MPa，高應(yīng)力區(qū)均為應(yīng)力集中。應(yīng)力云圖如圖6、7所示。

圖6 起吊工況整體模型應(yīng)力云圖Fig.6 Stress contour of full model when hung up

圖7 超過170 MPa的應(yīng)力云圖Fig.7 Stress contour above 170 MPa

2.3.3 水下極限工作狀況

水下極限工況情況下，模型的最大變形出現(xiàn)在前段框架底部處，主要是因?yàn)楹蠖吮患s束住前端受到較大的拉力引起，最大位移為60.1 mm，對應(yīng)的變形圖如8所示。

水下極限工作工況時，整體模型的應(yīng)力大部分小于170 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在前端底部抽吸裝置處，最大應(yīng)力值達(dá)到2 930 MPa;另外滑靴與框架連接處以及吊耳和底部抽吸裝置的框架處的單元應(yīng)力值也較大，需進(jìn)行加強(qiáng)。對應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖9所示，整體模型應(yīng)力超過170 MPa的應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖8 水下極限工作狀況整體模型的變形圖Fig.8 Deformation image of full model in extreme working condition

圖9 整體模型應(yīng)力云圖Fig.9 Stress contour of full model

圖10 超過170 MPa的應(yīng)力云圖Fig.10 Stress contour above 170 MPa

2.3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計加強(qiáng)方案

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)有限元計算結(jié)果，考慮對抽吸裝置的框架和浮體結(jié)構(gòu)作用的托梁進(jìn)行加強(qiáng)，延伸抽吸裝置的框架并在前后框架與管道連接處添加兩道槽鋼;同時考慮將浮體結(jié)構(gòu)的托梁由角鋼改成槽鋼并在槽內(nèi)添加分段肘板。加強(qiáng)方案如圖11所示。

針對加強(qiáng)方案重新進(jìn)行了強(qiáng)度計算和評估。結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后整體模型對應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖12所示，整體模型應(yīng)力超過170 MPa的應(yīng)力云圖如圖13示，應(yīng)力集中云圖見圖14和圖15。由圖中計算結(jié)果可知，采用加強(qiáng)方案以后，整體應(yīng)力水平得到顯著降低。整體框架能夠滿足強(qiáng)度設(shè)計要求，僅在滑靴與框架連接處、框架底部前端抽吸裝置處出現(xiàn)了部分應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖11 加強(qiáng)方案前后對比圖Fig.11 Comparison of before and after strengthening

圖12 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后整體模型應(yīng)力云圖Fig.12 Stress contour of full model after strengthening

所述的新型挖溝機(jī)分別于2013年7月和8月完成了“錦州251工程”海試和“墾利工程”管道鋪設(shè)施工作業(yè)。錦州251工程的海試結(jié)果表明:挖溝機(jī)本體功能正常，實(shí)際挖溝深度達(dá)2.5 m(聲吶測得的挖溝溝形圖見圖16)，挖溝速度滿足要求。

圖13 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后超過170 MPa的應(yīng)力云圖Fig.13 Stress contour above 170 MPa after strengthening

圖14 應(yīng)力集中云圖－滑靴與框架連接處Fig.14 Stress concentration contour－the joint between slippers

圖15 應(yīng)力集中云圖－框架底部抽吸裝置處Fig.15 Stress concentration contour－the bottom of jetting leg

圖16 聲吶測得的挖溝溝形圖(墾利工程)Fig.16 Trenching shape of Kenli project by sonar

墾利工程是針對墾利海域的海洋石油平臺之間進(jìn)行海底管道鋪設(shè)，全長30余公里，所述挖溝機(jī)歷時39天完成了挖溝作業(yè)工程。在墾利工程中，對于較硬土質(zhì)，平均挖溝速度可達(dá)105 m/h;行船為勻速絞錨時，挖溝機(jī)前進(jìn)速度均勻，挖溝工作狀態(tài)良好，噴沖系統(tǒng)破土效果好;抽吸系統(tǒng)功能正常，抽吸干凈，無回淤。在作業(yè)過程中，出現(xiàn)了在六級海況下從水下回收挖溝機(jī)的工作狀況(圖17)，和因?yàn)椴俅д`導(dǎo)致牽引力達(dá)到了額定狀態(tài)2倍的工作狀況，在上述極限工況下，挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)正常工作、未出現(xiàn)異常，表明針對挖溝機(jī)強(qiáng)度進(jìn)行的有限元評估是安全、有效的，對今后的挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的工程意義。

圖17 水下回收挖溝機(jī)實(shí)際工作狀況(墾利工程)Fig.17 Recovery of underwater trencher in Kenli project

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)噴沖式挖溝機(jī)尺寸和重量過大的問題，提出了一種新型海底管線噴沖式挖溝機(jī)的總體設(shè)計方案?；贑CS潛水器設(shè)計規(guī)范和有限元技術(shù)，針對甲板停放、空中起吊以及水下極限3種工況進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估，并提出結(jié)構(gòu)設(shè)計的加強(qiáng)方案，為該類型挖溝機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度評估提供了依據(jù)。該挖溝機(jī)在渤海灣錦州251工程完成了海試，并于墾利海上石油管道挖溝工程完成了30 km的管道鋪設(shè)，結(jié)果表明:挖溝機(jī)作業(yè)時功能正常，挖溝深度和速度滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計評估標(biāo)準(zhǔn)。因此本文提出的新型海底噴沖式挖溝機(jī)總體設(shè)計是成功的，對于今后此類挖溝機(jī)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展具有重要工程參考意義。

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