膨脹彎海上吊裝設(shè)計(jì)理論方法研究

岳劍峰

摘 要：隨著海洋油氣資源的開發(fā)，海底管道鋪設(shè)的需求越來越大，海上吊裝作業(yè)越來越頻繁。目前膨脹彎吊裝設(shè)計(jì)基本采用手動(dòng)計(jì)算，無法準(zhǔn)確模擬被吊物和吊裝索具的真實(shí)受力狀態(tài)。文中通過分析動(dòng)載系數(shù)的計(jì)算方法和索具校核安全系數(shù)的選取方法，以膨脹彎海上吊裝設(shè)計(jì)為例，運(yùn)用SACS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，得出結(jié)構(gòu)物海上吊裝設(shè)計(jì)的理論和方法。通過某油田開發(fā)項(xiàng)目膨脹彎海上吊裝設(shè)計(jì)的實(shí)際運(yùn)用，驗(yàn)證該計(jì)算理論和仿真方法滿足項(xiàng)目需求，具有可推廣性。

關(guān)鍵詞：吊裝設(shè)計(jì);索具;強(qiáng)度校核;動(dòng)載系數(shù);RAO;SACS

中圖分類號(hào)：P75? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）05-0074-03

文中以某油田開發(fā)膨脹彎吊裝設(shè)計(jì)為例，研究膨脹彎海上吊裝設(shè)計(jì)的理論和方法。海上膨脹彎吊裝共分三個(gè)階段：水面上吊裝，過水面吊裝和水下吊裝。吊裝過程最危險(xiǎn)工況發(fā)生在過水面階段，波浪的起伏運(yùn)動(dòng)會(huì)造成吊索松弛和張緊，使吊索承受額外動(dòng)態(tài)載荷和附加水張力。文中主要研究動(dòng)載系數(shù)的計(jì)算方法和其他安全系數(shù)選取方法，通過組合工況，運(yùn)用SACS仿真計(jì)算，校核吊裝過程索具吊點(diǎn)位置和吊索長度設(shè)計(jì)對(duì)膨脹彎自身強(qiáng)度的影響，同時(shí)根據(jù)軟件計(jì)算索具最大受力值校核索具強(qiáng)度，完成膨脹彎海上吊裝設(shè)計(jì)。

1基礎(chǔ)理論

膨脹彎吊裝過程需要考慮動(dòng)載系數(shù)，多根索具吊裝還需要考慮不均衡載荷系數(shù)，重心偏移系數(shù)和附加質(zhì)量系數(shù)。下文對(duì)各系數(shù)計(jì)算和選取進(jìn)行詳細(xì)分析，同時(shí)給出索具設(shè)計(jì)的基本思路和方法。

1.1動(dòng)載系數(shù)（DAF）

動(dòng)載系數(shù)計(jì)算方法有兩種，一種是過水面動(dòng)載系數(shù)（DAF）計(jì)算法[1]，另一種是空氣中動(dòng)載系數(shù)（DAF）計(jì)算法[2]。實(shí)際吊裝設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，一般取兩種計(jì)算方法中最大值作為動(dòng)載系數(shù)。

1.1.1過水面動(dòng)載系數(shù)（DAF）計(jì)算

海上吊機(jī)起吊速度選取0.25m/s，有義波高（取1.85m，吊裝作業(yè)一般選擇迎浪作業(yè)，這里選取兩種浪向動(dòng)態(tài)響應(yīng)算子（浪向180°和浪向165°）用于計(jì)算，取值波浪周期范圍在6～13s[1];起吊船動(dòng)態(tài)響應(yīng)算子（RAO），一般通過水動(dòng)力仿真計(jì)算獲得。

1.1.1.1膨脹彎過水面吊裝動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算

膨脹彎吊裝過程主要考慮以下工況：

（1）膨脹彎在靜水面之上;

（2）膨脹彎通過靜水面，部分沒入水中;

（3）膨脹彎在靜水面之下。

膨脹彎吊裝過程中，質(zhì)量引起的動(dòng)態(tài)載荷主要考慮膨脹彎空氣重質(zhì)量、附加水質(zhì)量、排水體積質(zhì)量、吊機(jī)頂部位置船體動(dòng)態(tài)響應(yīng)引起的加速度和水質(zhì)點(diǎn)加速度等因素影響，具體見以下計(jì)算式[1]：

膨脹彎吊裝時(shí)受水拖曳力計(jì)算公式如下[1]：

膨脹彎吊裝過水面動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算如下[1]：

1.1.1.2膨脹彎吊裝過程中索具松弛判斷

膨脹彎吊裝過程中，由于波浪引起船體的不斷晃動(dòng)，會(huì)造成過水面時(shí)吊裝鋼絲繩會(huì)松弛，判斷鋼絲繩是否會(huì)松弛的計(jì)算公式如下：

膨脹彎在靜水面之上時(shí)，滿足以下公式鋼絲繩不松弛[1]：

膨脹彎在靜水面之下時(shí)，滿足以下公式鋼絲繩不松弛[1]：

1.1.1.3膨脹彎吊裝動(dòng)載系數(shù)計(jì)算

最大靜載計(jì)算公式如下[1]：

總載荷計(jì)算公式如下[1]：

起吊船吃水5.425m 時(shí)，相應(yīng)RAO下吊裝動(dòng)載系數(shù)（DAF）計(jì)算如下[1]：

1.1.2空氣中膨脹彎吊裝動(dòng)載系數(shù)（DAF）計(jì)算

由于膨脹彎總重在3噸和100噸之間，空氣中動(dòng)載系數(shù)計(jì)算如下[2]：

1.2仿真計(jì)算系數(shù)選取

根據(jù)過水面吊裝動(dòng)載系數(shù)計(jì)算和空氣中吊裝動(dòng)載系數(shù)計(jì)算，取最大動(dòng)載系數(shù)作為仿真計(jì)算依據(jù)，最大動(dòng)載系數(shù)（DAF）為1.558。由于吊裝過程的不確定性，需考慮不均衡載荷系數(shù)（SKL）和重心偏移系數(shù)，分別取值1.25和1.1[2];如果重量沒有經(jīng)過精確稱重，需要考慮附加質(zhì)量系數(shù) （WCF），取值1.1[5]。

1.3吊索設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核

SACS仿真模擬得出的鋼絲繩軸向力需要滿足以下公式[2]：

其中安全系數(shù)滿足以下公式[2]：

式中主要包含載荷系數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)、折減系數(shù)、損傷系數(shù)和材料系數(shù)?？紤]到吊裝載荷并不一定完全考慮周全，取載荷系數(shù);考慮鋼絲繩吊裝過程存在局部失效風(fēng)險(xiǎn)，取風(fēng)險(xiǎn)系數(shù);折減系數(shù)主要是考慮鋼絲繩末端結(jié)構(gòu)對(duì)鋼絲繩影響，不同類型的端頭鋼絲繩的折減系數(shù)不同，這里鋼絲繩的端頭采用壓制雞心環(huán)方式，折減系數(shù)取;損傷系數(shù)是指索具頻繁使用磨損系數(shù)，如果經(jīng)過檢驗(yàn)后使用，損傷系數(shù)取;對(duì)于鋼絲繩材料系數(shù)一般取。總體安全系數(shù)取兩種安全系數(shù)計(jì)算最大值。

1.4卸扣和調(diào)整鏈吊裝設(shè)計(jì)校核

卸扣和調(diào)整鏈，采用同一種校核方法，計(jì)算動(dòng)載荷不超過以下公式計(jì)算最小值[2]：

（1）SWL×DAF.

（2）MBL/3.0.

（3）試驗(yàn)載荷不小于2× SWL

式中SWL為安全工作載荷，一般從索具樣本獲取，MBL為破斷載荷，同樣從索具樣本獲取。

2 模型分析

采用SACS建模，并對(duì)膨脹彎模型進(jìn)行簡化處理，密度采用等效密度法，膨脹彎建模時(shí)只考慮基本管尺寸，不考慮外層管、PE層和水泥層厚度，需要把PE和水泥層重量換算成密度添加在模型上。管的等效密度計(jì)算如下：

每米長管的體積計(jì)算如下：

膨脹彎等效密度計(jì)算如下：

法蘭沒有建出具體模型，通過質(zhì)量點(diǎn)的形式加載在模型上。

模型共包含20個(gè)節(jié)點(diǎn)和22個(gè)單元，單元均為環(huán)形截面，鋼絲繩采用柱狀剛性體模擬。

3 工況選取及邊界條件分析

3.1工況設(shè)計(jì)

工況采用組合工況，考慮自重和點(diǎn)載荷同時(shí)，需考慮不均衡載荷系數(shù)（SKL）、重心偏移系數(shù)（CoG IF）、附加重量系數(shù)（WCF）和動(dòng)載系數(shù)（DAF），具體計(jì)算如下：

LC-D： （SW+JL1+JL2+2*JL3）* WCF*SKL* CoG IF*DAF

3.2邊界條件處理

吊點(diǎn)位（LFT）約束掉x，y，z平動(dòng)，釋放掉其轉(zhuǎn)動(dòng)（111000）;索具與膨脹彎連接位釋放掉6個(gè)自由度約束;膨脹彎兩端x，y平動(dòng)上各加兩個(gè)1kN的彈簧約束力，用于模擬止晃繩止晃。

邊界條件加載模型圖見圖2。

4 結(jié)果分析

在SACS中運(yùn)用規(guī)范API RP 2A進(jìn)行強(qiáng)度校核，分析吊裝過程中膨脹彎各分段的UC值，均不能超過1，一般建議不超過0.85，如果UC值過大，需要重新調(diào)整膨脹彎上索具固定點(diǎn)的位置或者調(diào)節(jié)吊索繩長，至UC值≤0.85為止。通過SACS計(jì)算，得出單根鋼絲繩最大受力為167 kN，吊點(diǎn)處最大受力473 kN，該值可用于索具設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。

5 索具設(shè)計(jì)

根據(jù)SACS計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)索具組成，索具組成需考慮海上吊裝及水下ROV索具拆裝施工便利。同時(shí)根據(jù)2.3和2.4節(jié)理論計(jì)算，校核索具強(qiáng)度是否滿足海上吊裝需求。

5.1吊裝設(shè)計(jì)

根據(jù)有效長度、吊索受力情況、膨脹彎形狀和吊機(jī)類型選擇索具，主要包含吊帶、ROV吊鉤、帶子母吊環(huán)的4腿索具、手拉葫蘆和卸扣。ROV鉤主要用于膨脹彎水下吊裝，方便ROV水下解鉤;手拉葫蘆主要用于調(diào)整繩長，通過調(diào)整繩長保證膨脹彎起吊過程中處于水平狀態(tài)。詳細(xì)索具組成見圖3。

5.2索具強(qiáng)度校核

索具強(qiáng)度校核時(shí)，吊帶打雙負(fù)載按總載荷的55%計(jì)算;卸扣安全系數(shù)一般取6，當(dāng)卸扣安全工作載荷大于85噸時(shí)安全系數(shù)取4，具體參考索具樣本;吊環(huán)和手拉葫蘆的安全系數(shù)一般按4倍選取;鋼絲繩安全系數(shù)根據(jù)上文計(jì)算公式選取。具體校核方法，按上文2.3和2.4進(jìn)行。

6 結(jié)論

文中通過理論分析和研究，得出一套包括動(dòng)載系數(shù)（DAF）、不均衡載荷系數(shù)（SKL）、重心偏移系數(shù)、附加質(zhì)量系數(shù)的計(jì)算和選取方法，整理出索具設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核的計(jì)算理論。通過運(yùn)用SACS軟件仿真，校核計(jì)算膨脹彎在載荷工況下的強(qiáng)度，是否滿足設(shè)計(jì)要求;計(jì)算結(jié)果可輸出吊索最大軸向力及索具設(shè)計(jì)長度，根據(jù)輸出結(jié)果進(jìn)行吊裝設(shè)計(jì)，并根據(jù)索具校核的原理和方法，對(duì)吊裝索具進(jìn)行強(qiáng)度校核。該套理論已應(yīng)用于某油田建設(shè)項(xiàng)目，成功完成48段膨脹彎海上吊裝，取得不錯(cuò)的效果。膨脹彎海上實(shí)物吊裝見圖4。

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基金資助來源：廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目。