張藝凡，文子彥，位予瑄，陳曉東，唐婷

深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518057

隨著海洋資源開發(fā)不斷向深水邁進(jìn)，海底管道在海洋油氣資源開采和運(yùn)輸方面扮演著越來越重要的角色。海底管道的完整性和可靠性檢查依賴于預(yù)調(diào)試作業(yè)，海底管道預(yù)調(diào)試作業(yè)包括沖水、清潔、內(nèi)監(jiān)測、水壓試驗、排水、干燥和惰化等。連續(xù)油管作為一種目前常用的預(yù)調(diào)試施工技術(shù)，將預(yù)調(diào)試設(shè)備布置在施工作業(yè)船上，從作業(yè)船下放高壓注水軟管，通過遙控水下機(jī)器人（remotely operated vehicle，ROV）或潛水員連接至水下發(fā)球筒進(jìn)行相關(guān)的清管試壓作業(yè)[1-6]。連續(xù)油管系統(tǒng)由連續(xù)油管滾筒、注入頭及其塔架、動力撬、控制室等部分組成，所有設(shè)備需布置在甲板月池附近。在常規(guī)海上作業(yè)中，注入塔架安裝于作業(yè)船月池位置，連續(xù)油管通過注入頭的夾持作用力從月池下放至海底[7-9]。因此，這一施工過程對作業(yè)船提出了較高限制：首先作業(yè)船需具備月池以滿足下放，其次最小作業(yè)距離對甲板面積提出了較高的要求。本文為解決這一工程作業(yè)限制，對連續(xù)油管塔架系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計了一套能夠滿足連續(xù)油管舷側(cè)下放入水需求的塔架系統(tǒng)。通過該塔架系統(tǒng)作業(yè)，作業(yè)船無需具備月池結(jié)構(gòu)，可通過塔架結(jié)構(gòu)伸出舷外進(jìn)行下放作業(yè)。同時，伸出舷側(cè)下放的設(shè)計將系統(tǒng)注入頭這部分設(shè)備布置在舷外，減少了對甲板面積的需求，增大了連續(xù)油管系統(tǒng)進(jìn)行海上油氣作業(yè)的適用性。

1 設(shè)計指標(biāo)與參數(shù)

典型連續(xù)油管海上作業(yè)（圖1）時在作業(yè)船舶甲板的布置如圖2 所示。

圖1 典型連續(xù)油管海上作業(yè)示意

圖2 連續(xù)油管海上作業(yè)布置示意

在海上進(jìn)行預(yù)調(diào)試施工作業(yè)時，連續(xù)油管塔架支撐拖拉頭，通過鵝脖結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向作用使連續(xù)油管穿過拖拉頭，實(shí)現(xiàn)連續(xù)油管的下放入水[10-11]。本文設(shè)計的塔架系統(tǒng)主要用于支撐連續(xù)油管注入頭及其連接的下放油管，為滿足拖拉頭下方作業(yè)需求，塔架高度須高于甲板5 m，連續(xù)油管中心距離船舷側(cè)不小于2 m。

連續(xù)油管的注入頭包括握持系統(tǒng)、鵝脖及其支撐結(jié)構(gòu)等，如圖3 所示。連續(xù)油管注入頭尺寸和重量信息如下：長1 300 mm，寬1 300 mm，高6 000 mm，質(zhì)量7 000 kg，中心位置坐標(biāo)為（-239,-15,1 401），作業(yè)時最大牽引力約為354 kN。

圖3 注入頭模塊示意

連續(xù)油管系統(tǒng)其他組成模塊示圖如圖4 所示，其他信息如表1 所示。

圖4 連續(xù)油管系統(tǒng)其他組成模塊示意

表1 其他模塊尺寸及質(zhì)量信息

本文所設(shè)計的連續(xù)油管作業(yè)塔架將注入頭模塊支撐于舷側(cè)，注入頭模塊通過底部的4 根管狀支撐與塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，作業(yè)時連續(xù)油管中心距離舷側(cè)2 m。其下部連接有萬向節(jié)、連接索具、連續(xù)油管等部件，設(shè)計最大牽引力為354 kN，如圖5 所示。

圖5 舷側(cè)下放連續(xù)油管布置示意

本次結(jié)構(gòu)設(shè)計時以海洋石油285 為目標(biāo)作業(yè)船舶，如圖6 所示。海洋石油285 主尺度參數(shù)為：總長125.75 m，垂線間長114.6 m，型寬25 m，型深10.8 m，吃水7.7 m。

圖6 海洋石油285

2 結(jié)構(gòu)分析

在進(jìn)行塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計分析時，考慮以下因素對設(shè)計形式的影響：

1）塔架系統(tǒng)支撐注入頭的部分需伸出舷外，舷外無法設(shè)置支撐，與船舶進(jìn)行固定的結(jié)構(gòu)設(shè)置在舷內(nèi)甲板上，計算時需考慮結(jié)構(gòu)固定點(diǎn)位置和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2）塔架結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度需考慮以下3 種工況：海上作業(yè)工況，在該工況下要求船舶橫搖縱搖角度均小于5°，作業(yè)時注入頭作業(yè)提升力為354 kN；運(yùn)輸工況，以常規(guī)作業(yè)船舶HYSY285 為例，根據(jù)DNVGL-ST-N001 對船舶運(yùn)動相應(yīng)的規(guī)定進(jìn)行運(yùn)輸工況計算[12]，在該工況下不考慮注入頭的提升力；海上吊裝工況，該工況需滿足塔架系統(tǒng)整體吊裝強(qiáng)度要求[13-14]。

3）塔架上部和下部均設(shè)置預(yù)調(diào)試作業(yè)平臺，作業(yè)平臺周圍設(shè)置爬梯及圍欄，保障作業(yè)人員安全。

連續(xù)油管塔架三維結(jié)構(gòu)如圖7 所示。塔架主體結(jié)構(gòu)為梁結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行塔架整體結(jié)構(gòu)計算時采用SACS 作為結(jié)構(gòu)分析軟件，塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸如下：長9 200 mm，寬5 000 mm，高6 000 mm。

圖7 舷側(cè)下放系統(tǒng)三維示意

在SACS 軟件中對主要承重結(jié)構(gòu)建立計算模型，并將附屬結(jié)構(gòu)簡化為載荷施加在承重結(jié)構(gòu)上，簡化后的結(jié)構(gòu)計算模型如圖8 所示。

圖8 舷側(cè)下放系統(tǒng)SACS 計算三維模型

注入頭重力載荷通過DUMMY 單元施加，以便在計算中考慮船舶運(yùn)動的影響。注入頭握持力采用在支撐梁上施加均布荷載的形式，其他附屬結(jié)構(gòu)采用點(diǎn)荷載或均布荷載施加，在計算時考慮重量誤差系數(shù)0.1，加載示意如圖9 所示。塔架各部件質(zhì)量說明如下：塔架本體結(jié)構(gòu)14 000 kg，注入頭7 000 kg，拉力測試用梁392 kg，扶手及欄桿4 335 kg，其他附件734 kg。

圖9 計算加載示意

在進(jìn)行海上作業(yè)時，由于船舶運(yùn)動會產(chǎn)生橫搖、縱搖和垂蕩3 個方向的運(yùn)動響應(yīng)，船舶3 個方向的運(yùn)動會引起結(jié)構(gòu)物對應(yīng)方向的加速度，船舶運(yùn)動示意圖如圖10 所示。

圖10 船舶運(yùn)動示意

按照海上施工要求，在連續(xù)油管進(jìn)行預(yù)調(diào)試作業(yè)時，船舶橫搖縱搖角度均為5°，周期為10 s，垂蕩加速度為1.962 m/s2。在船舶運(yùn)輸過程中，船舶橫搖角度為20°，縱搖角度為12.5°，周期為10 s，垂蕩加速度為1.962 m/s2。

針對上述2 種海上作業(yè)工況，根據(jù)船舶運(yùn)動理論及DNVGL-ST-N001 規(guī)范要求，對船舶運(yùn)動響應(yīng)引起的橫向、縱向及垂向方向的運(yùn)動加速度與重力及注入頭模塊工作時拖拉力進(jìn)行組合疊加，計算時共考慮48 種工況組合。同時，在計算時考慮了吊裝作業(yè)時的不利計算工況[15]。以上3 種不同類工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖11 所示。所有工況的計算分析匯總結(jié)果表明，在海上作業(yè)工況下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大利用因子為0.74，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范要求。所有工況下結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

圖11 不同工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，結(jié)合海上施工作業(yè)對結(jié) 構(gòu)附件的需求，完成結(jié)構(gòu)建造設(shè)計圖如圖12 所示。

圖12 結(jié)構(gòu)建造示意

3 結(jié)論

本文針對海上預(yù)調(diào)試作業(yè)的連續(xù)油管系統(tǒng)展開研究，為降低系統(tǒng)海上作業(yè)時對船舶的要求，設(shè)計了一種可滿足連續(xù)油管舷側(cè)下放的塔架結(jié)構(gòu)，減少了海上施工對作業(yè)船舶的限制，有效地利用了船舶資源，具有實(shí)際工程意義。

本文設(shè)計的塔架系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)材料選取、結(jié)構(gòu)尺寸還存在進(jìn)一步優(yōu)化研究的空間。同時，針對不同的海上作業(yè)船舶可進(jìn)行深入的統(tǒng)一適用性研究。