基于DNV GL規(guī)范的海底管道鋪設(shè)索具設(shè)計(jì)及應(yīng)用

戶 凱李建楠趙 剛李 斌高慶有劉 凱

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

海洋工程中常常涉及結(jié)構(gòu)物吊裝、海底管道鋪設(shè)等作業(yè)，這些作業(yè)均需使用索具連接完成。在鋪設(shè)海底管道時(shí)，常使用鋼絲繩和卸扣等索具，索具設(shè)計(jì)對(duì)保障施工安全至關(guān)重要。特別是對(duì)于深水海底管道鋪設(shè)，由于水深較深，鋪設(shè)所需張緊器張力較大，并且深水海況惡劣，因此索具設(shè)計(jì)的安全性更為重要。

常用索具有鋼絲繩和卸扣等。鋼絲繩是由鋼絲螺旋捻制而成的，廣泛應(yīng)用于海洋工程中。鋼絲繩根據(jù)繩端接頭形式可分為壓制鋼絲繩、插編鋼絲繩、環(huán)形鋼絲繩等。鋼絲繩的公稱抗拉強(qiáng)度等級(jí)可分為1 570 MPa、1 670 MPa、1 770 MPa、1 870 MPa和1 960 MPa等。鋼絲繩抗拉強(qiáng)度等級(jí)并不是越高越好，高抗拉強(qiáng)度等級(jí)高的鋼絲繩承受載荷和抗擠壓能力較好，但韌性較差，鋼絲較脆，承受彎曲和扭轉(zhuǎn)的能力較差[1]。鋼絲繩在不同的使用場(chǎng)所的安全系數(shù)計(jì)算方法不同。安全系數(shù)也受鋼絲繩自身結(jié)構(gòu)形式、使用方法、材料性能、沖擊性等因素影響[2]。卸扣主要用于鋼絲繩之間、鋼絲繩與結(jié)構(gòu)物吊點(diǎn)之間以及鋼絲繩與海管封頭之間的連接。

本文以DNV GL規(guī)范為依據(jù)[3-4]，介紹了海底管道鋪設(shè)涉及的吊裝作業(yè)和海管鋪設(shè)作業(yè)中的索具設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用到南海某深水海管鋪設(shè)項(xiàng)目中。

1 索具設(shè)計(jì)依據(jù)

索具的承載能力和損傷情況關(guān)系著生產(chǎn)設(shè)備的安全運(yùn)行和操作人員的人身安全。海底管道鋪設(shè)過(guò)程中的吊裝作業(yè)和海管鋪設(shè)作業(yè)中索具的合理設(shè)計(jì)選型對(duì)于保障施工安全至關(guān)重要。本文索具設(shè)計(jì)方法采用規(guī)范DNVGL-ST-N001 Marine Operations and Marine Warranty和GL NOBLE DENTON 0029/ND Guidelines for Submarine Pipeline Installation。本文將兩個(gè)規(guī)范統(tǒng)稱為DNV GL規(guī)范。規(guī)范DNVGLST-N001和GL NOBLE DENTON 0029/ND分別對(duì)吊裝作業(yè)和海管鋪設(shè)作業(yè)中的索具設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的規(guī)定。

2 吊裝作業(yè)索具設(shè)計(jì)

海管鋪設(shè)施工時(shí)會(huì)涉及一些小型結(jié)構(gòu)物吊裝作業(yè)，比如海管、海底管道終端(PLET)、水下管匯等的吊裝?；贒NVGL-ST-N001規(guī)范對(duì)吊裝索具設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。

2.1 鋼絲繩索具設(shè)計(jì)

2.1.1 受力分析

在索具設(shè)計(jì)時(shí)所用的力為索具使用時(shí)的最大動(dòng)態(tài)力，該力可以通過(guò)專業(yè)軟件模擬得到，但有時(shí)軟件模擬需要投入很多人力和時(shí)間[5]。因此，可以通過(guò)DNVGL-ST-N001規(guī)范中動(dòng)態(tài)放大系數(shù)(dynamic amplification factor，DAF)來(lái)計(jì)算所需的最大動(dòng)態(tài)力。

索具的使用方式不同，也會(huì)影響到受力分析。鋼絲繩對(duì)折使用或者使用環(huán)形鋼絲繩時(shí)，在鋼絲繩彎曲處會(huì)受到摩擦力的影響，因此在彎曲處兩側(cè)鋼絲繩受力不均勻，鋼絲繩受力按照45∶55的比例分配，如圖1所示，即鋼絲繩受力分析時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮0.55倍系數(shù)[3]。

2.1.2 安全系數(shù)選取

1) 吊裝系數(shù)(lifting factor，γf)[3]

吊裝系數(shù)通常取1.3。對(duì)于索具承受的環(huán)境載荷(如風(fēng)、波浪、海流等)，可以詳細(xì)計(jì)算的情況規(guī)范也給出了吊裝系數(shù)的計(jì)算方法。

2) 后果系數(shù)(consequence factor，γc)[3]

后果系數(shù)通常取1.3。對(duì)于吊裝作業(yè)，單根鋼絲繩斷裂不影響整體結(jié)構(gòu)物的吊裝作業(yè)，后果系數(shù)可適當(dāng)減小。

3) 折減系數(shù)(reduction factor，γr)

圖1 鋼絲繩受力分析

在鋼絲繩結(jié)構(gòu)的繩端和彎曲處，鋼絲繩的強(qiáng)度會(huì)有所折減。折減系數(shù)分為端部折減系數(shù)和彎曲折減系數(shù)。對(duì)于鋼絲繩的同一部分[鋼絲繩的主體(sling body)或者琵琶頭(sling eye)]，折減系數(shù)應(yīng)取端部折減系數(shù)和彎曲折減系數(shù)中的最大值。

圖2 鋼絲繩結(jié)構(gòu)

(1) 端部折減系數(shù)(termination factor，γs)。

對(duì)于鋼絲繩繩端不同的接頭形式，端部折減系數(shù)取值也不相同。當(dāng)鋼絲繩繩端是插編接頭時(shí)，端部折減系數(shù)取1.25(對(duì)于六股鋼絲繩插編接頭，端部折減系數(shù)取1.33)，是壓制接頭時(shí)端部折減系數(shù)取1.12，是澆鑄接頭時(shí)端部折減系數(shù)取1.00[3]。

(2) 彎曲折減系數(shù)(bending factor，γb)。

鋼絲繩與卸扣、滑輪、滾筒、吊鉤等連接時(shí)，會(huì)由于彎曲而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，而彎曲應(yīng)力是影響鋼絲繩壽命的主要因素。彎曲應(yīng)力會(huì)使鋼絲繩的強(qiáng)度減弱，因此安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)考慮彎曲應(yīng)力的影響。與鋼絲繩連接結(jié)構(gòu)的直徑不宜過(guò)大或者過(guò)小，直徑過(guò)大，會(huì)對(duì)鋼絲繩接頭產(chǎn)生不利影響；直徑過(guò)小，會(huì)使鋼絲繩琵琶頭承載能力減弱。DNVGL-ST-N001規(guī)范中推薦鋼絲繩琵琶頭長(zhǎng)度不小于鋼絲繩直徑的10倍并且琵琶頭內(nèi)部張開(kāi)的角度不超過(guò)20°。

彎曲折減系數(shù)計(jì)算公式為[3]

式中：d為鋼絲繩直徑，mm；D為與鋼絲繩連接結(jié)構(gòu)(如卸扣、滑輪、滾筒、吊鉤等)的最小直徑，mm。

由表1可知，鋼絲繩端部折減系數(shù)一般比彎曲折減系數(shù)小。鋼絲繩主體和琵琶頭的安全系數(shù)的差別主要是彎曲折減系數(shù)，當(dāng)鋼絲繩主體部分不受彎曲應(yīng)力時(shí)，即γb=1，若此時(shí)琵琶頭處彎曲折減系數(shù)γb=2，則鋼絲繩主體和琵琶頭的承載能力相當(dāng)。γb=2，也即D=d，鋼絲繩直徑和與其連接結(jié)構(gòu)直徑相等。由此可知，當(dāng)D＜d時(shí)，琵琶頭承載能力較??；當(dāng)D＞d時(shí)，鋼絲繩主體承載能力較小。DNVGLST-N001規(guī)范中規(guī)定[3]，在任何情況下，與鋼絲繩主體連接結(jié)構(gòu)的直徑都應(yīng)不小于鋼絲繩直徑。與鋼絲繩琵琶頭連接結(jié)構(gòu)的直徑可以小于鋼絲繩直徑，但也不推薦這種做法，此時(shí)的彎曲折減系數(shù)將會(huì)大于2.0。為了讓鋼絲繩琵琶頭處于良好的狀態(tài)，規(guī)范推薦將鋼絲繩琵琶頭與不小于鋼絲繩直徑2倍的結(jié)構(gòu)連接，保證琵琶頭承載能力強(qiáng)于鋼絲繩主體承載能力。

表1 彎曲折減系數(shù)[3]

另外，鋼絲繩兩端的琵琶頭彎曲折減系數(shù)可能不相同，應(yīng)當(dāng)取彎曲折減系數(shù)最大的來(lái)計(jì)算安全系數(shù)。

4) 材料系數(shù)(material factor，γm)[3]

對(duì)于取得一般金屬材料認(rèn)證證書(shū)的鋼絲繩，材料系數(shù)至少取1.5。對(duì)于嶄新的且取得了歐盟授權(quán)機(jī)構(gòu)簽發(fā)的EN10204-3.2證書(shū)的鋼絲繩，材料系數(shù)可取1.35。γw)[3]

5)磨損及應(yīng)用系數(shù)(wearand application factor，

對(duì)于滿足檢驗(yàn)要求的鋼絲繩，該系數(shù)應(yīng)取1.0。對(duì)于頻繁使用且未經(jīng)過(guò)全面檢驗(yàn)的鋼絲繩，該系數(shù)至少取1.1。

2.1.3 鋼絲繩設(shè)計(jì)方法

鋼絲繩安全系數(shù)計(jì)算式[3]：

式中：γsf為鋼絲繩的安全系數(shù)。DNVGL-ST-N001規(guī)范中規(guī)定鋼絲繩安全系數(shù)通常大于2.3。

鋼絲繩設(shè)計(jì)選型公式如下[3]：

式中：FSD為鋼絲繩受力，對(duì)于對(duì)折使用的鋼絲繩和環(huán)形鋼絲繩，該力為單根繩受到的力。MBL(minimum breaking load)為鋼絲繩破斷拉力，通常由鋼絲繩生產(chǎn)廠家提供。環(huán)形鋼絲繩破斷拉力通常是指整個(gè)環(huán)形鋼絲繩的破斷拉力，因此在使用式(3)時(shí)應(yīng)當(dāng)將環(huán)形鋼絲繩破斷拉力乘以50%。

根據(jù)式(3)可知，已知鋼絲繩受力情況和安全系數(shù)，可以得到所需鋼絲繩破斷拉力，查閱相關(guān)索具產(chǎn)品手冊(cè)即可得出滿足要求的鋼絲繩規(guī)格。

2.2 卸扣設(shè)計(jì)

卸扣設(shè)計(jì)載荷T應(yīng)滿足下式要求[3]：

式中：WLL(working load limit)為卸扣極限工作載荷，是靜態(tài)載荷；DAF為動(dòng)態(tài)放大系數(shù)；MBL為卸扣最小破斷載荷；Tt為卸扣試驗(yàn)載荷。

卸扣極限工作載荷WLL從生產(chǎn)廠家索具產(chǎn)品手冊(cè)中獲得，通常以噸(t)為單位。卸扣的安全系數(shù)，即MBL/WLL，也由生產(chǎn)廠家提供，根據(jù)卸扣安全系數(shù)可求得MBL。卸扣試驗(yàn)載荷Tt規(guī)范中規(guī)定[3]，當(dāng)WLL≤25 t時(shí)，卸扣試驗(yàn)載荷Tt=2×WLL；當(dāng)WLL＞25 t時(shí)，卸扣試驗(yàn)載荷Tt=1.22×WLL+20 t。有些卸扣生產(chǎn)廠家對(duì)WLL＞25 t的卸扣試驗(yàn)載荷仍采用2×WLL，具體情況應(yīng)當(dāng)以生產(chǎn)廠家所提供的試驗(yàn)載荷為準(zhǔn)。

3 海管鋪設(shè)索具設(shè)計(jì)

在海底管道鋪設(shè)過(guò)程中，起始鋪設(shè)、終止鋪設(shè)以及臨時(shí)棄管及回收海管時(shí)，均需要用到鋼絲繩等索具與海管封頭連接，對(duì)海管進(jìn)行下放或者回收作業(yè)?；贕L NOBLE DENTON 0029/ND規(guī)范對(duì)鋪管索具設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。在索具受力分析時(shí)，所采用的力為鋪管時(shí)的最大動(dòng)態(tài)力，該力可通過(guò)鋪管計(jì)算分析軟件得到。

GL NOBLE DENTON 0029/ND規(guī)范針對(duì)海管鋪設(shè)作業(yè)索具安全系數(shù)，主要考慮端部折減系數(shù)、彎曲折減系數(shù)、載荷系數(shù)和材料系數(shù)[4]。不同鋪管工況下，載荷系數(shù)和材料系數(shù)的取值也不相同，如表2所示。規(guī)范中根據(jù)鋪管過(guò)程中海管內(nèi)是否充水，將鋪管工況分為空管鋪設(shè)、計(jì)劃充水鋪設(shè)和意外充水鋪設(shè)。為了保證海管鋪設(shè)作業(yè)安全，對(duì)于空管鋪設(shè)應(yīng)當(dāng)考慮海管意外進(jìn)水后的充水鋪設(shè)情況，因此，空管鋪設(shè)的索具安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)考慮空管鋪設(shè)和意外充水鋪設(shè)兩種情況。

表2 索具安全系數(shù)[4]

4 應(yīng) 用

南海某深水海底管道鋪設(shè)項(xiàng)目包含6 in和12 in海底管道鋪設(shè)以及4個(gè)PLET安裝。PLET最大重量為45.4 t，PLET吊裝采用四分支吊裝形式并配有吊裝框架。作業(yè)海域水深為520～1 120 m。海管鋪設(shè)所使用的鋪管船是海洋石油201船，該船具有DP定位系統(tǒng)。根據(jù)DNV GL規(guī)范，完成了海管鋪設(shè)、PLET安裝、海管吊裝、PLET吊裝等的索具設(shè)計(jì)。表3、表4和表5給出了部分索具的設(shè)計(jì)結(jié)果。索具設(shè)計(jì)結(jié)果在深水海管鋪設(shè)施工過(guò)程中得到了很好的應(yīng)用，保證了海上作業(yè)安全。

表3 吊裝鋼絲繩設(shè)計(jì)結(jié)果

表4 海管鋪設(shè)鋼絲繩設(shè)計(jì)結(jié)果

表5 卸扣設(shè)計(jì)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)DNVGL-ST-N001規(guī)范和GL NOBLE DENTON 0029/ND規(guī)范中關(guān)于索具設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定的研究，總結(jié)出一套海底管道鋪設(shè)索具的設(shè)計(jì)方法。海管鋪設(shè)主要涉及小型結(jié)構(gòu)物吊裝作業(yè)和海管鋪設(shè)作業(yè)，針對(duì)兩種作業(yè)工況，分別給出了鋼絲繩索具設(shè)計(jì)安全系數(shù)計(jì)算方法。通過(guò)在南海某深水海管鋪設(shè)項(xiàng)目中應(yīng)用，成功指導(dǎo)了深水海上安裝索具設(shè)計(jì)選型，證實(shí)了索具設(shè)計(jì)方法的可靠性，對(duì)于保障海上施工安全具有重要意義。