倪明晨， 聶 霞， 劉克建， 崔宗偉， 高堂鈞

(1. 北京高泰深海技術(shù)有限公司， 北京 102209；2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

0 引 言

海洋石油201船的總體技術(shù)水平和作業(yè)能力在國際同類工程船舶中處于領(lǐng)先地位，是國內(nèi)自主進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和建造的具有自航能力、滿足DP 3動(dòng)力定位要求的深水鋪管起重船。全船采用包括全電力推進(jìn)、DP 3動(dòng)力定位、4 000 t重型海洋工程起重機(jī)、自動(dòng)鋪管作業(yè)線等一系列國際先進(jìn)技術(shù)和裝備，填補(bǔ)國內(nèi)在深水鋪管船設(shè)計(jì)領(lǐng)域的空白[1]。

海洋石油201船四段托管架在長期服役過程中發(fā)生變形和損壞，首節(jié)最為嚴(yán)重，并且?guī)捉?jīng)修復(fù)?？紤]工期和安全可靠性等各方面因素，中國海洋石油工程總公司(COOEC)決定新建首節(jié)托管架，同時(shí)修復(fù)舊首節(jié)托管架，作為備用。

目前，重達(dá)1 200 t的新首節(jié)托管架已在深圳赤灣勝寶旺建造完成，并運(yùn)往大亞灣錨地，在海洋石油201船上安裝到位。新首節(jié)托管架的能力較舊托管架得到了進(jìn)一步提升，從而提高海洋石油201船的鋪管能力，為接下來的流花29-2和陵水17-2等各項(xiàng)目的順利開展奠定基礎(chǔ)。

國外深水鋪管技術(shù)和鋪管船的研究起步比我國早，他們的技術(shù)較為成熟，形式也較多樣。Allseas、Saipem、Global Industries、Helix、Sea Trucks Group等是全球主要的海洋管道鋪設(shè)公司，旗下均擁有多艘高性能鋪管船。這些鋪管船先進(jìn)的技術(shù)為我們提供借鑒和參考[2-4]。雖然目前海洋石油201的主要市場(chǎng)在國內(nèi)，但未來其在東南亞和中東市場(chǎng)會(huì)相當(dāng)活躍。新首節(jié)托管架提高海洋石油201船的鋪管能力，進(jìn)而提高海洋石油201的船舶能力。提高船舶能力意味著提高海洋工程國際競(jìng)爭(zhēng)力，為未來國際市場(chǎng)提供強(qiáng)有力的裝備儲(chǔ)備，更有利于拓展國際市場(chǎng)。

1 海洋石油201船四段托管架總體介紹

海洋石油201船主尺度[5]如下：總長為204.0 m，型寬為39.2 m，設(shè)計(jì)吃水為7.0～10.8 m，型深為14.0 m。

海洋石油201船的托管架為重力式托管架，主要包括第1段(Hitch Section)、第2段(Second Section)、第3段(Intermediate Section)和第4段(Tail Section)等4個(gè)桁架結(jié)構(gòu)，以及A-frame、軸連接結(jié)構(gòu)和相關(guān)附件。含新、舊首節(jié)的四段托管架的整體如圖1和圖2所示。

圖1 四段托管架(舊首節(jié))

圖2 四段托管架(新首節(jié))

托管架的半徑和長度是托管架最基本的2個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)[6-7]，因此新首節(jié)托管架的半徑和長度與舊首節(jié)保持一致。

2 舊首節(jié)托管架損壞原因分析

在長期鋪管作業(yè)過程中，舊首節(jié)托管架部分桿件發(fā)生變形和損壞，在流花29-1鋪管期間出現(xiàn)多處問題。較為突出的是6處桿件斜撐發(fā)生不同程度的彎曲變形，1處節(jié)點(diǎn)發(fā)生較為嚴(yán)重的變形。變形位置如圖3所示。斜撐變形方向?yàn)槲膊?個(gè)斜撐水平方向變形，靠船方向2個(gè)斜撐豎直方向變形。在新建首節(jié)托管架的同時(shí)，對(duì)這些損壞的桿件進(jìn)行更換和修復(fù)，以備不時(shí)之需。

圖3 舊首節(jié)托管架變形的斜撐和節(jié)點(diǎn)位置

H2軸節(jié)點(diǎn)(圖3中H2軸所圈部分)為重要的受力節(jié)點(diǎn)，其變形主要原因如下：托管架與船體的連接掛鉤存在一定的變形和不合理的配合公差，造成掛鉤對(duì)托管架兩側(cè)的水平約束不平衡；絞車?yán)|繩松緊不同，造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)；復(fù)雜海況側(cè)向力加重桿件損傷。同時(shí)，H2軸節(jié)點(diǎn)的變形導(dǎo)致與其相關(guān)聯(lián)的桿件的受力發(fā)生變化，加上惡劣的作業(yè)環(huán)境及某結(jié)構(gòu)件的脫落對(duì)斜撐的撞擊等，使上述6處桿件斜撐發(fā)生不同程度的彎曲變形。

3 新首節(jié)托管架解決方案

新首節(jié)的設(shè)計(jì)從3個(gè)方面有效地解決了上述H2軸節(jié)點(diǎn)及相關(guān)桿件發(fā)生變形的問題。第一，采取有效措施，例如實(shí)測(cè)船體上掛鉤的尺寸，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況定義安裝公差等，保證托管架、A-frame和船體三者較為精確地安裝到位，避免造成掛鉤對(duì)托管架兩側(cè)的水平約束不平衡；第二，將提升系統(tǒng)整體優(yōu)化為單側(cè)單絞車1根纜繩受力，從布置上避免舊首節(jié)上單側(cè)雙絞車，絞車不同步不平衡，纜繩松緊不同的問題；第三，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上加強(qiáng)此位置，增加H2軸節(jié)點(diǎn)及相關(guān)桿件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(見圖4)，左側(cè)2根斜撐從?356×19優(yōu)化成?508×19，H2軸從?508×25優(yōu)化成?610×19，加強(qiáng)段從?508×25Z優(yōu)化成?610×25Z。

單位：mm圖4 新舊首節(jié)H2軸節(jié)點(diǎn)

為了驗(yàn)證新首節(jié)的優(yōu)化(包含上述H2軸節(jié)點(diǎn)及相關(guān)桿件的優(yōu)化)是否能夠規(guī)避舊首節(jié)H2軸節(jié)點(diǎn)及相關(guān)桿件發(fā)生變形的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，進(jìn)行2種情況下新舊模型模擬對(duì)比。

情況一：單純掛鉤約束不足。

只考慮掛鉤約束不足，即一側(cè)無法提供足夠的側(cè)向約束。模擬方式如下：與船體掛鉤連接處的2個(gè)支點(diǎn)，1個(gè)為簡支(x、y、z等 3個(gè)方向約束)，1個(gè)為二自由度約束(x、z方向約束，y方向自由)。

情況二：絞車不平衡+約束不足。

模擬方式如下：與船體掛鉤連接處的2個(gè)支點(diǎn)，1個(gè)為簡支(x、y、z等3個(gè)方向約束)，1個(gè)為二自由度約束(x、z方向約束)，y方向?yàn)閺椈?，彈簧剛度? 000 kN/m(經(jīng)驗(yàn)值)。兩側(cè)纜繩剛度不同以模擬兩側(cè)纜繩的伸長量不同，這可以模擬一側(cè)絞車未拉緊的工況。

表1為新舊首節(jié)模型模擬計(jì)算中整個(gè)首節(jié)UC值的對(duì)比結(jié)果。結(jié)果顯示，在單純掛鉤約束不足和絞車不平衡+約束不足的情況下，新首節(jié)的設(shè)計(jì)仍能保證托管架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

表1 新舊首節(jié)模型模擬計(jì)算對(duì)比結(jié)果

4 新舊首節(jié)托管架對(duì)比

4.1 結(jié)構(gòu)形式對(duì)比

海洋石油201船托管架新舊首節(jié)結(jié)構(gòu)形式如圖5～圖8所示。由圖5～圖8可知：舊首節(jié)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)復(fù)雜，多管件交于一點(diǎn)，建造困難，容易造成應(yīng)力集中；新首節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更簡單，構(gòu)造更合理，沒有復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，便于加工設(shè)計(jì)。新首節(jié)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)立面主框架是聯(lián)系對(duì)，有利于力的傳遞；舊首節(jié)在尾部主要受力位置(見圖8云線所圈位置)處主框架不連續(xù)，不利于力的傳遞。

圖5 舊首節(jié)托管架平面圖

圖6 新首節(jié)托管架平面圖

圖7 舊首節(jié)托管架立面圖

圖8 新首節(jié)托管架立面圖

4.2 整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析對(duì)比

典型的托管架結(jié)構(gòu)包括托管架主結(jié)構(gòu)、滾輪、2段連接的連桿、提升纜繩和管線等。托管架的基本載荷包括自重、最大鋪管張力、水動(dòng)力載荷等，水動(dòng)力載荷包括自重、浮力、波浪力和慣性力等。水動(dòng)力分析由MOSES軟件實(shí)現(xiàn)，整體強(qiáng)度分析由SACS軟件實(shí)現(xiàn)。托管架強(qiáng)度分析流程如圖9所示。

圖9 托管架強(qiáng)度分析流程

結(jié)構(gòu)分析工況如表2所示。各工況對(duì)應(yīng)的環(huán)境條件如表3所示。

表2 結(jié)構(gòu)分析工況

表3 環(huán)境條件

表4列出整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果。圖10和圖11 分別顯示舊首節(jié)和新首節(jié)結(jié)構(gòu)最大UC值出現(xiàn)的位置，圖10和圖11中的最大UC值與表4中最大應(yīng)力比對(duì)應(yīng)。

表4 整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

續(xù)表4 整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

圖10 舊首節(jié)強(qiáng)度分析結(jié)果

圖11 新首節(jié)強(qiáng)度分析結(jié)果

由上述結(jié)果可知，新首節(jié)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在一定程度上得到了優(yōu)化。舊首節(jié)底部桿件結(jié)構(gòu)在圓管的外部，疊加焊接半圓管，且整個(gè)底部桿件為同一管徑截面；優(yōu)化后的新首節(jié)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用通用圓管結(jié)構(gòu)，根據(jù)受力的傳遞，管徑截面沿長度方向依次遞減。

表5顯示新設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的各工況纜繩拉力與舊設(shè)計(jì)相比均有所減小。這樣就減輕A-frame的受力。同時(shí)也減小絞車所需的快速、慢速及剎車提升力，增強(qiáng)提升系統(tǒng)的能力。

表5 纜繩拉力

表6和表7顯示新首節(jié)托管架與船體連接的Hitch點(diǎn)反力最大值與舊設(shè)計(jì)相比也有所減小。這樣就減輕了船體的受力。

表6 舊首節(jié)托管架與船體連接的Hitch點(diǎn)反力

續(xù)表6 舊首節(jié)托管架與船體連接的Hitch點(diǎn)反力

表7 新首節(jié)托管架與船體連接的Hitch點(diǎn)反力

由表4～表7可知，新設(shè)計(jì)的托管架整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，并且較舊設(shè)計(jì)性能得到優(yōu)化。

5 結(jié) 論

(1) 建議船上操作人員注意托管架及相關(guān)設(shè)備尤其是絞車的規(guī)范操作，并對(duì)托管架角度和監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行定期校核，更好地避免人為因素造成的托管架受力不平衡，造成對(duì)托管架結(jié)構(gòu)的破壞。

(2) 對(duì)舊首節(jié)托管架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改造后的新首節(jié)托管架整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，結(jié)構(gòu)比改造前更合理。新首節(jié)托管架的能力得到提升，從而提高海洋石油201船的鋪管能力。

(3) 提升海洋石油201船新托管架自身能力不僅能扭轉(zhuǎn)現(xiàn)階段海上鋪管應(yīng)急狀態(tài)，而且能適應(yīng)深水發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃要求，實(shí)現(xiàn)國際化和可持續(xù)高速增長，提升國際市場(chǎng)適應(yīng)能力。