基于ROV操作的深水多層水泥壓塊吊放裝置設(shè)計及應(yīng)用

張云鵬，石錦坤，楊盛，劉毅，楊轉(zhuǎn)

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，水下生產(chǎn)系統(tǒng)分布越來越復(fù)雜。水下生產(chǎn)系統(tǒng)中包括各類海底管線、海纜、電纜等，用于輸送油氣、傳輸電力和信號。由于海底地形不平、地質(zhì)復(fù)雜、海洋狀況多變、過往船舶及水生物的干擾等因素，容易造成管纜的損壞。為確保水下設(shè)施正常運轉(zhuǎn)，避免裸露的管纜磨損，防止?jié)O船/水生物等對其造成損傷，使用水泥壓塊對海管和海纜進(jìn)行保護(hù)是一種較常用的形式[1]。

在海上安裝水泥壓塊時，通常需要用到水泥壓塊吊放裝置。使用施工船舶的吊機(jī)鋼絲繩連接水泥壓塊吊放裝置，將吊放裝置連同水泥壓塊從船舶甲板起吊，并緩慢下放至接近海床位置。通過操作吊放裝置操作桿，快速釋放水泥壓塊，覆蓋至海管或海纜表面。完成水泥壓塊下放操作后，船舶吊機(jī)將吊放裝置及其上的索具重新回收至施工船舶甲板。

目前，國內(nèi)海洋石油工程中已設(shè)計多種形式的水泥壓塊吊放裝置，已在國內(nèi)部分海上油氣田工程項目得到了應(yīng)用，具有一定的實踐基礎(chǔ)。部分吊放裝置是基于潛水員操作[2]，部分是基于ROV操作?；赗OV操作的吊放裝置有雙推桿和單推桿[3]、單層或上下層等形式。在現(xiàn)有的水泥壓塊ROV吊放裝置中，操作最為方便的通常為單推桿單層設(shè)計形式，ROV僅需推動一端的推桿，即可釋放水泥壓塊。但是此類吊放裝置的局限是每次只能吊裝下放1層水泥壓塊，船舶吊裝作業(yè)重復(fù)低效，造成資源浪費，尤其在深水工程項目中，一次下放吊機(jī)的收放時間就高達(dá)2 h以上。因此，迫切需要一套高效安裝水泥壓塊的新裝置，可以實現(xiàn)一次吊裝下放多層水泥壓塊，應(yīng)用于深水項目，以提高水泥壓塊水下安裝效率，節(jié)約成本。

目前國內(nèi)還沒有關(guān)于多層水泥壓塊水下逐層釋放的相關(guān)設(shè)計和技術(shù)，國外工程施工有類似的設(shè)計，但沒有較系統(tǒng)的研究資料。

依托南海深水流花16-2油田群工程項目，技術(shù)人員在以往的工程實踐基礎(chǔ)上，設(shè)計并建造了多層水泥壓塊吊放裝置，并順利應(yīng)用于海上施工中，極大地提高了施工效率。本文將對該吊放裝置的設(shè)計方案、關(guān)鍵技術(shù)、有限元分析、海上施工效果等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的闡述和總結(jié)，以期為今后的相關(guān)工程項目提供參考。

1 多層水泥壓塊吊放裝置設(shè)計方案

在傳統(tǒng)的ROV單推桿吊放裝置基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計多層水泥壓塊吊放裝置。該裝置由吊裝框架、中心傳動軸、3層限位結(jié)構(gòu)、限位銷軸及抽拉纜索、操作桿等結(jié)構(gòu)組成。由限位支座和限位銷鎖住3層吊帶來同時吊裝3層水泥壓塊，再利用ROV操作手柄，推動中心傳動軸軸向滑動，依次解鎖各層吊帶，在水下逐層分別釋放并安裝水泥壓塊，如圖1 、圖2所示。

圖1 吊放裝置鎖定狀態(tài)示意圖

圖2 多層水泥壓塊吊放三維模型

2 多層水泥壓塊吊放裝置關(guān)鍵技術(shù)

2.1 限位支座及傳動銷的設(shè)計

水泥壓塊吊放裝置中設(shè)有3層長度不等的限位傳動銷和限位支座槽，傳動銷通過中心傳動軸的滑動依次進(jìn)入限位支座槽內(nèi)，預(yù)先將3層吊帶由下至上卡入支座槽。導(dǎo)向限位門起到導(dǎo)向中心傳動軸的作用，同時限制限位銷的移動，保證水泥壓塊穩(wěn)固鎖定。3個限位銷分別對應(yīng)3層吊帶的鎖定與解鎖，拔掉限位銷后，ROV可拉動操作手柄使中心傳動軸滑動將對應(yīng)層傳動銷脫離支座槽，從而解鎖對應(yīng)層的吊帶，實現(xiàn)壓塊逐層釋放。

2.2 優(yōu)化操作設(shè)計

圖3 限位支座及傳動銷

每個限位銷末端綁有繩索并連接2個尼龍繩頭結(jié)（Monkey Fist），并將頭結(jié)卡在吊架兩側(cè)鋼管的限位板上，配合小鉤可以起到拔出回收限位銷的作用，回收的位置不影響ROV后續(xù)的操作，也不干擾水泥壓塊的安裝。

通過尼龍繩頭結(jié)進(jìn)行操作，ROV無需進(jìn)入吊放裝置內(nèi)側(cè)，在裝置外側(cè)邊緣處很容易拉動頭結(jié)將各個限位銷拔出，逐層釋放水泥壓塊。ROV水下操作便捷，指令動作少，可靠性高。

3檔吊帶導(dǎo)向使3層水泥壓塊的吊帶互不干擾，3檔吊帶導(dǎo)向設(shè)置對應(yīng)各層水泥壓塊吊帶、各層傳動銷和限位銷，便于吊帶與吊放裝置的連接，操作簡單。

3 有限元分析

3.1 設(shè)計參數(shù)

根據(jù)水泥壓塊吊放裝置的吊裝及操作需求，確定了以上介紹的基本結(jié)構(gòu)形式，并選用合適的材料。完成結(jié)構(gòu)基本設(shè)計后，需要對吊放裝置進(jìn)行強(qiáng)度計算。

根據(jù)通常海洋石油工程項目的水泥壓塊需求，單塊水泥壓塊的質(zhì)量按10 t計算，吊裝的數(shù)量為3塊，水泥壓塊的長寬尺寸為6.25 m×3.1 m。

吊放裝置采用普通Q235B鋼材設(shè)計，表1為結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)參數(shù)。

表1 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3.2 基于SACS結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

使用海洋工程結(jié)構(gòu)計算軟件SACS，根據(jù)吊裝的水泥壓塊質(zhì)量計算施加荷載，取吊裝動態(tài)放大系數(shù)為2.0，對多層水泥壓塊吊放裝置進(jìn)行整體吊裝模擬計算。將模型頂部的吊點設(shè)置為固定，壓塊吊帶與豎直方向的夾角設(shè)置為70°，3塊水泥壓塊的總質(zhì)量均布于結(jié)構(gòu)兩側(cè)鋼管掛吊帶點進(jìn)行加載。

計算桿件最大材料利用率UC值為0.63，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

3.3 基于SolidWorks simulation局部應(yīng)力分析

應(yīng)用有限元分析軟件SolidWorks simulation模塊對多層水泥壓塊吊放裝置銷軸處局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。根據(jù)吊放裝置的結(jié)構(gòu)形式和吊帶狀態(tài)，模擬計算吊帶受力Fbelt與中心銷軸所受橫向拉力Fpin之間的數(shù)值關(guān)系，F(xiàn)pin=0.55Fbelt，計算每根銷軸所受橫向拉力Fpin=0.55×5.32×2.867÷9=0.93 t，如圖6所示。

圖4 吊放裝置外側(cè)結(jié)構(gòu)

圖5 整體吊裝結(jié)構(gòu)計算模型

圖6 吊帶與插銷受力計算

將橫向拉力荷載Fpin施加至銷軸進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，如圖7所示。

圖7 銷軸局部模型

圖8為有限元計算結(jié)果云圖，由結(jié)果可知，不考慮筋板邊緣的應(yīng)力集中點，在擋板和推桿上的最大應(yīng)力為141 MPa。根據(jù)DNVGL-OS-C201規(guī)范，許用應(yīng)力為188 MPa（0.8×Fy）。因此，材料利用率UC=141÷188=0.75，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

圖8 銷軸局部應(yīng)力分析

4 工程應(yīng)用

在流花16-2油田群工程項目中，需要安裝56塊水泥壓塊對水下管纜進(jìn)行保護(hù)。為提高施工效率，國內(nèi)首次自主設(shè)計、建造3層水泥壓塊吊放裝置進(jìn)行水泥壓塊的安裝。單臺ROV操作的情況下平均每塊安裝時間約125 min，而以往同類型施工作業(yè)單層水泥壓塊安裝時間需要210 min，較以往節(jié)省85 min，效率提高了近40%。采用該裝置安裝56塊水泥壓塊需要吊機(jī)的起吊回收次數(shù)為19次，比傳統(tǒng)每次吊裝下放1塊水泥壓塊需要吊機(jī)的起吊回收次數(shù)減少了37次，顯著地提高了工作效率，節(jié)省了3.3船天，節(jié)省成本約50萬元×3.3=165萬元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

1）使用吊放裝置每次可同時下放3層水泥壓塊，減少了船舶吊機(jī)及輔助設(shè)備的使用次數(shù)，提高了施工效率，節(jié)省了大量成本。對于作業(yè)水深更深的環(huán)境，安裝的水泥壓塊越多，降本增效效果越顯著。

2）ROV水下操作便捷，指令動作少，可靠性高。雙ROV配合時，水泥壓塊定位準(zhǔn)確、就位快、安裝精度高。

3）該技術(shù)及裝置應(yīng)用靈活，可根據(jù)實際需求調(diào)整吊放方案，能夠更好地應(yīng)對突發(fā)狀況，降低風(fēng)險。也可根據(jù)項目情況、海上狀況對壓塊層數(shù)進(jìn)行調(diào)整，或?qū)?臺吊放裝置組裝在一起，雙倍層數(shù)安裝。同時，陸上也可用作轉(zhuǎn)運壓塊作業(yè)，提高轉(zhuǎn)運效率。

4）該吊放裝置在流花16-2油田群工程項目中的成功應(yīng)用，為其他項目甚至超深水項目安裝水泥壓塊提供了參考依據(jù)，具有重要的應(yīng)用推廣價值。

圖9 水泥壓塊海上吊裝

圖10 水泥壓塊水下釋放