大型結(jié)構(gòu)物深水安裝安全作業(yè)距離研究

孫錕，劉文，方霖，陳曉東，張偉

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518054）

0 引言

常見的水下結(jié)構(gòu)物有管匯、采油樹、吸力錨及海底管道等，這些結(jié)構(gòu)物一般坐落在海床上且相互連接，從而組成一套完整的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。在水下結(jié)構(gòu)物的安裝施工過程中，吊機(jī)和索具的受力與結(jié)構(gòu)物的重力、海況及船舶運(yùn)動特性等因素相關(guān)，一旦結(jié)構(gòu)物的吊裝索具配置不合理或者施工海況較為惡劣，就有一定的概率發(fā)生索具或者吊機(jī)鋼絲繩受力超過極限值的情況，從而導(dǎo)致索具斷裂失效、結(jié)構(gòu)物意外墜落的事故。這就會對一定區(qū)域內(nèi)已經(jīng)安裝就位的水下設(shè)施造成比較嚴(yán)重的安全威脅，而這些水下設(shè)施一般無法承受較大的沖擊力。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，水下設(shè)施發(fā)生碰撞損傷事故的概率并不大，但是一旦發(fā)生類似事故，就會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的后果和較大的財產(chǎn)損失，屬于典型的“小概率高風(fēng)險”事件。

結(jié)構(gòu)物墜落點相對于海床著陸點之間的水平位移對于確定其安全作業(yè)距離和撞擊水下設(shè)施的概率十分關(guān)鍵。當(dāng)結(jié)構(gòu)物處于深水(水深＞1500 m)環(huán)境下，海流作用對于其水平位移的影響不可忽略[1]。已有研究均沒有考慮到海流作用對于墜落過程中結(jié)構(gòu)物水平位移的附加影響。同時，在計算墜落物沖擊能量時，也沒有考慮結(jié)構(gòu)物在長時間的墜落過程中，海流對于結(jié)構(gòu)物觸底速度的影響。這就使得無論計算結(jié)構(gòu)物的水平位移還是與結(jié)構(gòu)物的觸底沖擊總能量，都與實際情況有一定偏差。因此，本文將重點研究深水條件下海流作用對結(jié)構(gòu)物水平偏移量和觸底沖擊總能量的影響，并且提出海上結(jié)構(gòu)物安裝作業(yè)過程的安全作業(yè)距離和避免其墜落后與水下設(shè)施碰撞的優(yōu)化作業(yè)流程。

1 大型結(jié)構(gòu)物墜落過程中的水平位移研究

1.1 基于DNVGL規(guī)范的結(jié)構(gòu)物水平位移量計算

在DNVGL-RP-F107規(guī)范中，將結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量劃分為4檔：小于2 t、2～8 t、大于8 t和遠(yuǎn)大于8 t。然后考慮不同的結(jié)構(gòu)物形狀，給出了不同的入水角度α。認(rèn)為結(jié)構(gòu)物在海床上的最終著陸點與水深成正切關(guān)系，并假設(shè)其在海床上的分布規(guī)律滿足正態(tài)分布，如圖1[3]所示。

圖1 結(jié)構(gòu)物海床著陸點與水深的關(guān)系

對于項目中需要安裝的幾類大型結(jié)構(gòu)物，根據(jù)規(guī)范可以得到表1所示的計算參數(shù)。

表1 常見水下大型結(jié)構(gòu)物質(zhì)量等級及偏移角度

施工作業(yè)水深d=1500 m，則結(jié)構(gòu)物在水中的水平位移量δ1（入水點與著陸點之間的水平位移）為δ1=d·tan α=52.4 m。即上述3種結(jié)構(gòu)物在1500 m水深條件下最大水平位移為52.4 m。

但這種簡單考慮結(jié)構(gòu)物形狀和質(zhì)量就對其入水角度做出判斷的方式顯然不夠準(zhǔn)確，尤其對于一些大型結(jié)構(gòu)物，它們的拖曳力面積和拖曳力系數(shù)有很大區(qū)別。同時，由于作業(yè)水深較大，結(jié)構(gòu)物在較長時間的墜落過程中，不可避免地會受到海流作用，從而產(chǎn)生附加水平位移[4]。而且在DNVGL-RP-F107規(guī)范中也明確提出，當(dāng)水深較深且海流方向一致時，將會顯著增加墜落物在水平方向的位移，因此針對深水環(huán)境下結(jié)構(gòu)物墜落的水平位移進(jìn)行研究，海流的流向和流速不可忽略。

1.2 基于OrcaFlex建模的結(jié)構(gòu)物水平位移量計算

結(jié)構(gòu)物在水中墜落過程中，除了受到重力和浮力作用，會受到海流的拖曳力作用，從而改變其在水中的運(yùn)動軌跡，結(jié)構(gòu)物在水中受到的3個方向拖曳力表示為：

根據(jù)相關(guān)海域一年一遇的海流速度剖面數(shù)據(jù)，得到了的水深-海流流速的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 水深-海流流速關(guān)系曲線

為了準(zhǔn)確模擬不同深度的海流速度對結(jié)構(gòu)物墜落過程中產(chǎn)生的附加水平位移，以及結(jié)構(gòu)物在墜落過程中產(chǎn)生的附加質(zhì)量力，根據(jù)DNVGL-RP-N103和DNVGL-RP-F107規(guī)范，利用OrcaFlex軟件對幾種大型結(jié)構(gòu)物建立了水動力模型，考慮模型X、Y、Z三個方向拖曳力系數(shù)CD和拖曳力面積A。3種結(jié)構(gòu)物的水動力參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)物水動力參數(shù)

利用OrcaFlex 6D buoy建立以上3種結(jié)構(gòu)物的附加質(zhì)量模型和拖曳力模型，設(shè)定其附加質(zhì)量系數(shù)Ca和拖曳力系數(shù)CD。結(jié)構(gòu)物從海平面位置處開始墜落，水深設(shè)為1500 m，將圖2所示的水深-海流流速的關(guān)系曲線導(dǎo)入OrcaFlex模型中的環(huán)境參數(shù)，假設(shè)從海平面到海底的海流方向一致，不考慮波高的影響，設(shè)定結(jié)構(gòu)物從海面處開始墜落。最終建立結(jié)構(gòu)物墜落前的模型如圖3所示。計算后得到水平位移的OrcaFlex計算結(jié)果，然后與依據(jù)規(guī)范計算得到的結(jié)果進(jìn)行對比，如圖4所示。

圖3 OrcaFlex建立的吊裝模型

可以看出，在假設(shè)不同水深海流方向一致的情況下，OrcaFlex模擬結(jié)果均要大于依據(jù)規(guī)范計算的結(jié)果，這說明在深水條件下，海流對結(jié)構(gòu)物墜落過程中產(chǎn)生的附加水平位移是不可忽略的。

在圖4中，防沉板、管匯和水下分配單元從開始墜落到觸底的總時間依次為560、413、440 s，防沉板在水中墜落時間最長，所以它的水平位移量超過規(guī)范計算結(jié)果最多，其次是水下分配單元和管匯。這主要是由于防沉板的高度較小，而底面積卻相對較大，其高度和底面積比率為0.005。導(dǎo)致其在墜落過程中，更容易受到豎直方向拖曳力的影響，導(dǎo)致其在水中的墜落時間更長，從而產(chǎn)生更大的水平位移。

圖4 結(jié)構(gòu)物水平位移計算對比

2 結(jié)構(gòu)物觸底沖擊能量與水下設(shè)施損傷評估

2.1 結(jié)構(gòu)物總沖擊能量的計算

墜落物的動能主要取決于其質(zhì)量和速度，而墜落物的速度又取決于其形狀及在水中的重力。隨著墜落物在水中速度逐漸增大，阻力也會隨之增加，最終達(dá)到一個受力平衡的狀態(tài)，此時物體會勻速下落。假設(shè)撞擊前落物達(dá)到受力平衡狀態(tài)，則以下關(guān)系成立：

式中：V為墜落物的體積；CD為阻力系數(shù)，它是關(guān)于雷諾數(shù)的函數(shù)；ρwater為海水密度；A為物體在垂直于水流方向上的投影面積；vt為墜落物觸底前速度。

由上式可以確定出墜落物觸底前的速度vt，進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)物總的碰撞能量為

式中：ma為附加水動力質(zhì)量，ma=ρwater·Ca·V；Ca為附加質(zhì)量系數(shù)。

2.2 海底管道抗沖擊能力計算

海底管道損傷分析方法包括試驗法、能量法和數(shù)值分析法等[2]，試驗法代價高昂但是結(jié)果足夠準(zhǔn)確。數(shù)值分析法涉及到幾何、材料非線性問題，難度大且計算成本高，不適于工程計算分析。而能量法計算簡便，誤差也在接受范圍之內(nèi)，比較適用于工程計算。

一般海底管道為防止其受到落錨、漁船拖網(wǎng)等作業(yè)的損害，一般會在鋼制管道外面覆蓋混凝土保護(hù)層或者挖溝深埋予以保護(hù)。因此，海底管道抗沖擊的能力取決于鋼管和其外側(cè)的管道保護(hù)層或者掩埋土壤深度可以吸收的沖擊能量之和。

項目中的管道采用混凝土層保護(hù)，其中混凝土保護(hù)層吸收的撞擊能量為

式中：Y為混凝土的壓碎強(qiáng)度；b為落物寬度；h為落物深度；x0為落物嵌入混凝土加重層深度。

鋼管抵抗撞擊能量計算：

式中；mp為管壁的塑性彎矩，mp=σY/4；t為鋼管壁厚；σY為鋼管屈服應(yīng)力；δ為凹痕深度；D為鋼管外徑。

綜合得到，海管總的抗沖擊能力為E=Es+Ec。

2.3 水下設(shè)施損傷程度評估

對于海底管道的損傷程度評估，為了劃分海底管道撞擊受損程度，DNVGL-RP-F107規(guī)范采用管道的凹痕直徑比δ/D這一參數(shù)來表示，其中δ為管道遭受尖峰荷載的情況下產(chǎn)生的凹痕深度，D為鋼管道直徑。

由此，將海底管道損傷程度分為4種類型：1）輕微損傷。不會造成泄漏，δ/D＜5%。2）中度損傷?？赡軙斐尚孤?%＜δ/D＜10%。3）重大損傷。預(yù)計會造成泄漏、管道破裂，10%＜δ/D＜20%。4）斷裂。管道發(fā)生斷裂，δ/D＞20%。

根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)物OrcaFlex水動力模型，同時可以計算出3種結(jié)構(gòu)物的觸底速度，如圖5所示。

圖5中，3種結(jié)構(gòu)物在入水之后，首先均是加速運(yùn)動，而后保持一個恒定的速度墜落，其中防沉板的穩(wěn)定墜落速度最小，水下分配單元穩(wěn)定墜落速度最大。這是由于防沉板底面積最大而高度較小，下落過程受到水的阻力最大，也就導(dǎo)致其墜落速度較小。根據(jù)圖5可以得出三種結(jié)構(gòu)物的觸底前沖擊總能量，如表3所示。

圖5 結(jié)構(gòu)物墜落速度和時間的變化關(guān)系

表3 結(jié)構(gòu)物的觸底速度和觸底總能量

根據(jù)表4中所示參數(shù)和2.2節(jié)內(nèi)容，可以計算得出海底管道發(fā)生斷裂時（相應(yīng)的管道凹痕/直徑比δ/D=20%），對應(yīng)的極限抗沖擊能力為106.8 kJ，而上述3種結(jié)構(gòu)物的觸底沖擊總能量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這一閾值。

表4 海底管道結(jié)構(gòu)參數(shù)

對于除海底管道以外的其他水下設(shè)施而言，在設(shè)計之初往往沒有考慮承受其他結(jié)構(gòu)物的直接或間接撞擊，而且這些水下設(shè)施上往往布有復(fù)雜的管線、閥門或者控制設(shè)備，一旦受到撞擊就會產(chǎn)生較大破壞。

綜合來看，在上述3種結(jié)構(gòu)物的海上安裝過程中，一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)物意外脫落，擊中周邊水下設(shè)施，必然會導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此，針對這一類大型結(jié)構(gòu)物，根據(jù)DNV規(guī)范計算其與水下設(shè)施碰撞概率再結(jié)合水下設(shè)施的損傷程度進(jìn)行相應(yīng)的失效概率評估沒有意義。需要的是針對海底管道和其他水下設(shè)施分別研究其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)物安裝安全作業(yè)距離，避免結(jié)構(gòu)物意外脫落后擊中周邊水下設(shè)施。

3 結(jié)構(gòu)物深水安裝安全作業(yè)流程優(yōu)化

3.1 安全作業(yè)距離計算

在1.2節(jié)中，在各深度海流方向一致的前提下，已經(jīng)利用OrcaFlex計算出了3種結(jié)構(gòu)物墜落后的水平位移。但實際上各個深度的海流流向往往不會一致，所以上述計算結(jié)果可以認(rèn)為是結(jié)構(gòu)物墜落后達(dá)到的最大水平位移，而結(jié)構(gòu)物的安全作業(yè)距離也就是根據(jù)結(jié)構(gòu)物在水中的最大水平位移是確定的，如表5所示。

表5 結(jié)構(gòu)物的安全作業(yè)距離 m

3.2 結(jié)構(gòu)物安裝作業(yè)流程優(yōu)化

一般情況下，海上結(jié)構(gòu)物安裝過程中，安裝船會直接移動到目標(biāo)海域附近，然后通過主吊機(jī)將結(jié)構(gòu)物直接緩慢下放到海床目標(biāo)位置，最終落座、安裝完成。但是這種安裝方法會對周圍水下設(shè)施產(chǎn)生一定安全威脅。為了最大限度地降低結(jié)構(gòu)物脫落后與水下設(shè)施碰撞的概率，提出圖6、圖7所示的一種“漸進(jìn)式”的水下結(jié)構(gòu)物安裝作業(yè)流程：在安裝結(jié)構(gòu)物時，以海床上的目標(biāo)位置為圓心，以結(jié)構(gòu)物相應(yīng)的安全作業(yè)距離為半徑，確定出一個圖6所示的禁止作業(yè)區(qū)域，結(jié)構(gòu)物和索具不能出現(xiàn)在禁止作業(yè)區(qū)域以內(nèi)，禁止作業(yè)區(qū)域以外就是安全作業(yè)范圍。具體優(yōu)化后的安裝作業(yè)流程如下：1）移船，安裝船以合適的速度向目標(biāo)位置移動；2）移船同時，吊機(jī)鋼絲繩持續(xù)下放，下放速度一般不超過0.5 m/s；3）不斷調(diào)整船舶航速和鋼絲繩下放速度，使得結(jié)構(gòu)物以斜線方向接近目標(biāo)位置，接近安裝位置時，打開主動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)；4）安裝就位，落座。

圖6 目標(biāo)位置附近的結(jié)構(gòu)物安裝流程示意圖

圖7 海管附近安裝作業(yè)的結(jié)構(gòu)物安裝流程示意圖

當(dāng)結(jié)構(gòu)物安裝作業(yè)附近海底管道較為密集時，應(yīng)該根據(jù)實際海管路由圖，選擇海管相對稀疏的一側(cè)靠近目標(biāo)位置，如圖7所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)物墜落后的水平位移確定出禁止作業(yè)區(qū)域，具體安裝流程與上述一致。

4 結(jié)語

針對大型結(jié)構(gòu)物的海上安裝作業(yè)風(fēng)險研究，由于其觸底沖擊能量過大，一旦擊中水下設(shè)施必然帶來嚴(yán)重后果，因此應(yīng)該將研究重點集中在其施工安全作業(yè)距離的研究，也就是結(jié)構(gòu)物在水中墜落過程的最大水平位移上，并以此劃分出禁止作業(yè)區(qū)域。然后相應(yīng)地優(yōu)化安裝船作業(yè)流程，最大程度地減小結(jié)構(gòu)物意外脫落后撞擊水下設(shè)施的概率。