海底懸空管纜拋砂回填裝置及其定向拋填精度分析

孫寧松，史永晉

（1.中石化集團(tuán)公司勝利油田分公司工程建設(shè)管理處，山東東營257000；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257000）

海底管纜是淺海油田開發(fā)的重要設(shè)施。但由于海洋環(huán)境較為復(fù)雜，大量海底管纜底部出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，這可能會(huì)引發(fā)管纜橫向失穩(wěn)、渦激振動(dòng)，從而導(dǎo)致管纜薄弱處斷裂和疲勞破壞［1-4］?，F(xiàn)場資料顯示，臨海油氣管纜懸空現(xiàn)象普遍，懸空長度為3～40 m，嚴(yán)重時(shí)甚至達(dá)到60～70 m，懸空高度為0.5～3.0 m［5-7］。針對海底管纜存在的安全隱患，拋砂掩埋是目前最成熟可靠的解決方法［8-11］。國內(nèi)一般采用人工拋砂或履帶散砂拋投方式來掩埋海底管纜的懸空區(qū)域，其中人工拋砂是最常用的方式。但是，海底管纜裸露段較多，拋砂工作量巨大，使用傳統(tǒng)人工拋砂方式需要投入大量施工成本，且拋砂位置不準(zhǔn)確和砂袋在海水中的下沉軌跡不易控制，導(dǎo)致拋砂量和拋砂效果不可控，此外還存在人員安全隱患問題［12-15］。國外通常采用專用的特種船舶及設(shè)備進(jìn)行拋砂，其自動(dòng)化程度較高，可利用動(dòng)力定位和軌跡控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)砂袋的定點(diǎn)定量投放，且能夠?qū)崟r(shí)顯示海底的拋砂情況，但設(shè)備的造價(jià)較高。因此，有必要自主研制可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)拋砂且拋砂軌跡可控的高效率拋砂設(shè)備。針對人工拋砂方式存在的問題，筆者研制了一種具有定位定向功能的新型拋砂回填裝置，根據(jù)管纜方位，依靠伸縮投放機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)砂袋的拋投定位與軌跡控制。同時(shí)，利用有限元分析方法計(jì)算新型拋砂回填裝置關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度，并通過陸上和海上定向拋投試驗(yàn)來驗(yàn)證該裝置的可行性。

1 拋砂回填裝置設(shè)計(jì)

拋砂回填裝置主要由固定基座、輸送機(jī)構(gòu)、鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)、伸縮投放機(jī)構(gòu)（由支耳、伸縮臂、牽引座和底座等組成）、絞車固定支架和液壓動(dòng)力單元等組成，如圖1所示。拋砂回填裝置固定安裝在船舷側(cè)，其工作原理為：液壓動(dòng)力單元為鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，以推動(dòng)伸縮投放機(jī)構(gòu)在固定基座上橫向移動(dòng)，同時(shí)利用輸送機(jī)構(gòu)將砂袋輸送至伸縮投放機(jī)構(gòu)的投放口，伸縮投放機(jī)構(gòu)利用其伸縮臂將砂袋拋投至海底管纜懸空處。拋砂回填裝置利用伸縮投放機(jī)構(gòu)可伸縮至海底管纜懸空區(qū)域的功能實(shí)現(xiàn)了拋砂位置的精確定位，利用伸縮投放機(jī)構(gòu)的框架式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了拋砂軌跡可控。拋砂回填裝置的伸出狀態(tài)如圖2所示，其主要性能參數(shù)如表1所示。

圖1 拋砂回填裝置結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure composition of sand throwing backfill device

圖2 拋砂回填裝置伸出狀態(tài)示意圖Fig.2 Extended state diagram of sand throwing backfill device

2 拋砂回填裝置關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核

表1 拋砂回填裝置主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of sand throwing backfill device

2.1 伸縮投放機(jī)構(gòu)水力建模與計(jì)算

拋砂回填裝置伸縮投放機(jī)構(gòu)伸至海底時(shí)，其伸縮臂下方受到水流力的作用，為給后續(xù)強(qiáng)度校核時(shí)提供依據(jù)，利用有限元軟件ANSYS對伸縮投放機(jī)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算。將伸縮投放機(jī)構(gòu)簡化為圓管并建立圓管模型，取圓管直徑為1.1 m，管壁厚度為8 mm，長度為17 m，其中水面以下的長度為12.36 m，總質(zhì)量為2 t。選取作業(yè)水深為15 m，水流流速為1.025 m/s。利用莫里遜（Morison）公式計(jì)算單位長度圓管所受的波浪力。莫里遜公式的一般形式為：

其中：

式中：F為單位長度圓管在垂直于長度方向上所受的波浪力，kN/m；FD為波浪的曳力，kN/m；FI為單位圓管的慣性力，kN/m；ρω為海水密度，kg/m3；A為單位長度圓管在垂直于長度方向上的投影面積，m2；CD為曳力系數(shù)，CD=1.2；CA為附連質(zhì)量系數(shù)；CM為慣性力系數(shù)，CM=CA+1，取CM=2.0；V為單位長度圓管的體積，m3；u為垂直于圓管長度方向上海水質(zhì)點(diǎn)的速度分量，當(dāng)海流與波浪聯(lián)合作用時(shí)，u為波浪速度矢量與海流速度矢量之和在垂直于圓管長度方向上的分量，m/s；u?為垂直于圓管長度方向上海水質(zhì)點(diǎn)的加速度分量，m/s2；x?為垂直于圓管長度方向上圓管的速度分量，m/s；x?為垂直于圓管長度方向上圓管的加速度分量，m/s2。

在有限元分析時(shí)，不考慮伸縮投放機(jī)構(gòu)中立柱間的群樁效應(yīng)。根據(jù)新型拋砂回填裝置的尺寸、作業(yè)水深以及環(huán)境條件，采用斯托克斯五階波波浪理論來計(jì)算波浪的速度和加速度。海水表層流速為1.23 m/s，方向與波浪傳播方向相同，沿水深方向均勻分布，其流載荷作用中心在物體投影面積的形心。將波浪速度與海流速度疊加后作為計(jì)算速度。

利用PIPE59單元來模擬近似為圓管結(jié)構(gòu)的伸縮投放機(jī)構(gòu)。以水平面為坐標(biāo)原點(diǎn)，在伸縮臂距離水面3 m處施加約束，對伸縮投放機(jī)構(gòu)施加自身重力和海流力，通過計(jì)算得到其應(yīng)力分布（伸縮臂與水面垂直），如圖3所示。

圖3 伸縮投放機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution of telescopic release mechanism

提取伸縮投放機(jī)構(gòu)約束點(diǎn)的支反力，如表2所示。在計(jì)算伸縮投放機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度時(shí)，將與支反力大小相同、方向相反的約束力施加到各零部件上。

表2 伸縮投放機(jī)構(gòu)約束點(diǎn)的支反力Table 2 Reaction force at the constraint point of telescopic release mechanism 單位：kN

2.2 支耳強(qiáng)度校核

支耳是伸縮投放機(jī)構(gòu)的組成零件之一，共2組。2組支耳的間距為0.9 m，每組有2個(gè)支耳，單個(gè)支耳的高度為120 mm，厚度為30 mm，支耳上下均焊接15 mm厚的鋼板，鋼板與背面牽引座和兩端牽引座均焊接，以加強(qiáng)鋼板的強(qiáng)度。伸縮投放機(jī)構(gòu)中支耳的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 支耳結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of supported ear

建立單個(gè)支耳的有限元模型，并采用SHELL63單元進(jìn)行模擬，在支耳背面的鋼板上施加與支反力FX、FZ大小相同、方向相反的約束力。通過分析得到支耳的應(yīng)力分布，如圖5所示。

江蘇是一個(gè)經(jīng)濟(jì)大省，又是一個(gè)水利大省。江蘇的經(jīng)濟(jì)社會(huì)現(xiàn)代化發(fā)展，不僅需要水利提供更高標(biāo)準(zhǔn)的防洪安全保障，還需要提高水資源和水生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)支撐，以水利的現(xiàn)代化支撐和保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)的現(xiàn)代化發(fā)展。

2.3 伸縮臂強(qiáng)度校核

伸縮臂由角鋼和鋼板焊接構(gòu)成，共有3節(jié)，截面尺寸逐節(jié)減小；總長度為17 m，通過支耳與牽引座連接。其中，角鋼和鋼板的型號為80型，厚度為12 mm。選用BEAM188單元模擬角鋼，SHELL63單元模擬鋼板。將三節(jié)臂簡化為一個(gè)整體，在伸縮臂上部連接處施加與支反力大小相同、方向相反的約束力，通過分析得到伸縮臂的應(yīng)力分布，如圖6所示。

圖6 伸縮臂應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of telescopic boom

伸縮臂的材質(zhì)為Q235。經(jīng)分析計(jì)算可知，伸縮臂的最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近連接點(diǎn)的角鋼處，為179.8 MPa，小于許用應(yīng)力188 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

2.4 牽引座強(qiáng)度校核

牽引座由工字鋼、槽鋼和方管構(gòu)成，其中槽鋼的型號為16a。選用BEAM188單元模擬工字鋼和槽鋼，其截面特征尺寸如圖7所示。選取牽引座下方受力部分進(jìn)行建模分析，在兩邊的槽鋼上施加與支反力大小相同、方向相反的約束力，通過分析得到牽引座的應(yīng)力分布，如圖8所示。

圖7 工字鋼的截面特征尺寸Fig.7 Characteristic size of section of I-beam

圖8 牽引座的應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution of traction seat

牽引座的材質(zhì)為Q235。經(jīng)分析計(jì)算可知，牽引座的最大應(yīng)力出現(xiàn)在工字鋼的上斜撐焊接處，為97.5 MPa，小于許用應(yīng)力188 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

2.5 底座強(qiáng)度校核

底座的總長度為9.408 m，寬度為1.905 m，由工字鋼、方管和鋼板構(gòu)成，其中工字鋼的型號為20a。底座前部擋頭處焊接鋼板的厚度為30 mm。選用BEAM188單元模擬工字鋼和方管，SHELL63單元模擬鋼板，在位于底座下方的工字鋼上施加固定約束，并在底座上方工字鋼上施加與支反力F大小相同、方向相反的支反力。當(dāng)伸縮臂與船體成15°時(shí)，水平方向的支反力FY=FZ·tan 15°=8.576 kN，將與FY大小相同、方向相反的約束力施加到底座前部的擋頭工字鋼上。通過分析得到底座的應(yīng)力分布，如圖9所示。

圖9 底座的應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution of base

底座的材質(zhì)為Q235。經(jīng)計(jì)算分析，底座的最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼板與工字鋼的焊接處，為134.6 MPa，小于許用應(yīng)力188 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

3 拋砂回填裝置現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 陸上定向拋投試驗(yàn)

在拋砂回填裝置應(yīng)用前，需先在陸上碼頭對其伸縮、拋投等功能進(jìn)行測試。拋砂回填裝置實(shí)物圖如圖10所示。首先，啟動(dòng)拋砂回填裝置的電動(dòng)機(jī)和油泵，空轉(zhuǎn)5～10 min。液壓油從油泵出油口泵出后經(jīng)過多路換向閥流回油箱，操作多路換向閥左1手柄（行走馬達(dá)），伸縮投放機(jī)構(gòu)伸縮臂向前伸出，當(dāng)其伸縮至工作位置后，將換向閥手柄調(diào)至中位，液壓驅(qū)動(dòng)下伸縮臂的水平伸出狀態(tài)如圖11（a）所示。操作多路換向閥左4手柄，伸縮臂向下旋轉(zhuǎn)，當(dāng)伸縮臂旋轉(zhuǎn)至與垂直平面夾角約為30°時(shí)，將換向閥手柄調(diào)至中位，根據(jù)作業(yè)深度要求調(diào)整伸縮臂長度，同時(shí)操作多路換向閥左2、左3手柄，伸縮臂向下伸出，當(dāng)伸縮臂外端面與海底管線距離為1.5～2 m時(shí)，將換向閥手柄調(diào)至中位，伸縮臂下放狀態(tài)如圖11（b）所示。在測試完成后回收裝置，如圖11（c）所示。陸上定向拋投試驗(yàn)結(jié)果表明，拋砂回填裝置的伸縮、定向拋投功能正常，可以進(jìn)行海上定向拋投試驗(yàn)。

圖10 拋砂回填裝置實(shí)物圖Fig.10 Physical map of sand throwing backfill device

圖11 拋砂回填裝置陸上定向拋投試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.11 On-land directional throwing test site of sand throwing backfill device

3.2 海上定向拋投試驗(yàn)

將研制的拋砂回填裝置應(yīng)用于埕島中心一號生產(chǎn)平臺(tái)CB11A—CB11B段海底輸油管線（約為557 m）懸空治理工程，其中CB11A平臺(tái)拋砂防護(hù)區(qū)域管纜長度為97 m，CB11B平臺(tái)拋砂防護(hù)區(qū)域管纜長度為85 m，中間段采取挖溝防護(hù)。通過水下探摸調(diào)查和多波束水深測量發(fā)現(xiàn)，管線沖刷坑高度差為0.13～0.51 m。該治理區(qū)域要求拋填精度為±1.5 m。

拋砂回填裝置海上下放現(xiàn)場如圖12所示?；谌奥晠葴啙崴畱铱瘴恢贸上窦夹g(shù)［16-17］，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，確定拋砂回填裝置伸縮臂的下放位置和下放深度。在海上定向拋投試驗(yàn)中，拋砂回填裝置的操作步驟與陸上相同。圖13為掃描得到的局部海底管纜附近的砂袋覆蓋情況。由圖可知砂袋堆積在管道周圍，覆蓋區(qū)域的砂袋分布均勻，達(dá)到預(yù)期效果，說明該拋砂回填裝置的拋砂效果較好。

圖12 拋砂回填裝置海上下放現(xiàn)場Fig.12 Lowering site of sand throwing backfill device on the sea

圖13 局部海底管纜附近砂袋覆蓋情況Fig.13 Sandbag coverage near local submarine pipelines and cables

3.3 拋砂效果綜合分析

拋填完成后，運(yùn)用側(cè)掃聲納和多波束測深儀等設(shè)備對拋砂回填裝置的拋砂效果進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖14所示。拋砂回填速率為108 m3/h時(shí)拋砂作業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。結(jié)果表明，拋砂回填裝置的拋砂效果完全符合管線防護(hù)要求，拋填精度達(dá)到±1.2 m，實(shí)現(xiàn)了定位拋砂且拋砂軌跡可控，既提高了拋砂效率又降低了施工成本［18］。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，影響拋砂回填裝置拋填精度的因素主要為移動(dòng)船位置，伸縮臂下放位置、下放深度以及海流的速度和方向。與人工拋砂方式相比，拋砂回填裝置利用實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行砂袋拋投位置定位，且其在伸縮投放機(jī)構(gòu)框架內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡可控，僅在離開伸縮臂后的1.5～2 m內(nèi)于流動(dòng)的海水中下落，因此其拋填精度較高。

圖15為人工拋砂方式和本文拋砂回填裝置的拋砂效果對比。與人工拋砂方式相比，拋砂回填裝置的每船最大日拋砂量為600 m3以上，拋砂效率提高了200%；每船只需配備6名工人，人員數(shù)量減少了70%；完成CB11A—CB11B段輸油管線懸空治理工程僅需9 d，施工周期縮短了70%，人工、船舶成本為32萬元，降低了53%。

圖14 不同平臺(tái)處拋砂回填裝置的拋砂效果Fig.14 Sand throwing effect of sand throwing backfill devices at different platforms

表3 拋砂回填裝置拋砂作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics table of sand throwing operation data of sand throwing backfill device

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)人工拋砂和履帶散砂拋投方式存在的問題，研制了一種新型拋砂回填裝置，利用有限元軟件對其關(guān)鍵零部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核并開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，具體結(jié)論如下：

1）新型拋砂回填裝置由固定基座、輸送機(jī)構(gòu)、鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)、伸縮投放機(jī)構(gòu)、絞車固定支架和液壓動(dòng)力單元等組成。新型拋砂回填裝置利用伸縮投放機(jī)構(gòu)伸縮至海底管纜懸空區(qū)域的功能實(shí)現(xiàn)了拋砂位置的精確定位，利用伸縮投放機(jī)構(gòu)的框架式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了拋砂軌跡可控，既提高了拋砂效率又降低了施工成本；

圖15 人工拋砂方式與拋砂回填裝置的拋砂效果對比Fig.15 Comparison of sand throwing effect between artificial sand throwing method and sand throwing backfill device

2）新型拋砂回填裝置的關(guān)鍵零部件——支耳、伸縮臂、牽引座和底座的最大應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

3）新型拋砂回填裝置現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，其拋砂效果完全符合管線防護(hù)要求，拋填精度達(dá)到±1.2 m，能夠解決目前海上油田懸空治理工程所面臨的難題，大大提高了工作效率，且保證了施工的安全性。