基于DNVGL-ST-E273的深水預(yù)調(diào)試模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

石錦坤， 張藝凡， 劉毅， 高磊

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518054）

1 深水預(yù)調(diào)試模塊簡(jiǎn)介

海底管道預(yù)調(diào)試內(nèi)容主要包括清管、測(cè)徑、試壓、排水、干燥、惰化過(guò)程，新鋪設(shè)海管在投產(chǎn)前必須進(jìn)行預(yù)調(diào)試作業(yè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)新鋪設(shè)海管的在線(xiàn)檢查，確保海管以最佳狀態(tài)服役。預(yù)調(diào)試作業(yè)能減少海管腐蝕，提高海管使用壽命。通過(guò)海管預(yù)調(diào)試中排水、干燥、惰化能減少輸氣管道水合物的形成，從而提高海管的流動(dòng)效率。

深水預(yù)調(diào)試模塊設(shè)計(jì)工作水深為3000 m，可在0～50℃范圍內(nèi)正常工作，存儲(chǔ)溫度可滿(mǎn)足-20～50 ℃要求。

深水海管預(yù)調(diào)試系統(tǒng)由六大部分組成：由過(guò)濾器、流量計(jì)、流量控制單元、閥門(mén)、海管連接器組成的自由注水部分；由化學(xué)藥劑儲(chǔ)罐、流量計(jì)、閥門(mén)組成的化學(xué)藥劑注入部分；由清管泵、閥門(mén)組成的清管部分；由試壓泵、閥門(mén)組成的試壓部分；由ROV液壓接口、液壓馬達(dá)組成的液壓動(dòng)力部分；由溫度傳感器、壓力傳感器水下數(shù)據(jù)記錄儀、ROV數(shù)據(jù)接口、水下顯示儀組成的數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)?chǔ)存顯示部分。深水預(yù)調(diào)試模塊整體布置示意圖如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)撬塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)撬塊設(shè)計(jì)

目的是將預(yù)調(diào)試系統(tǒng)六大部分合理布置，實(shí)現(xiàn)所有模塊功能的同時(shí)避免系統(tǒng)之間管路、閥門(mén)及設(shè)備的相互干涉。

結(jié)構(gòu)撬塊設(shè)計(jì)尺寸為6 m×2.45 m×2.55 m（長(zhǎng)×寬×高），主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件為H200×200×8×12。結(jié)構(gòu)形式分為上下兩層：上層高度為0.71 m，底部為框架結(jié)構(gòu)，用于支撐預(yù)調(diào)試系統(tǒng)的管路及泵設(shè)備，管路通過(guò)管卡及螺栓與支撐骨材進(jìn)行固定；下層高度為1.64 m，底部為板架結(jié)構(gòu)，用于布置化學(xué)藥劑儲(chǔ)罐及部分備件箱。在模塊設(shè)計(jì)時(shí)，考慮深水海底凈水壓力對(duì)化學(xué)藥劑罐體的影響，化學(xué)藥劑罐箱采用柔性材料，外部用槽鋼及玻璃鋼構(gòu)成的開(kāi)放箱體進(jìn)行形狀支撐，并通過(guò)螺栓固定在結(jié)構(gòu)撬塊上。撬塊底部設(shè)置帶開(kāi)孔的防沉板。結(jié)構(gòu)撬塊形式如圖2所示。

本文在結(jié)構(gòu)撬塊設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)采用數(shù)值分析的方法，使用SACS軟件分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的吊裝計(jì)算及海上運(yùn)輸計(jì)算。結(jié)構(gòu)撬塊吊裝計(jì)算及海上運(yùn)輸計(jì)算均滿(mǎn)足DNVGL-ST-E273[1]對(duì)可移動(dòng)海上結(jié)構(gòu)單元的要求。

對(duì)吊耳結(jié)構(gòu)使用ANASYS軟件進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，吊耳強(qiáng)度滿(mǎn)足DNVGL-ST-E273對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

3 吊裝計(jì)算

深水預(yù)調(diào)試模塊吊裝施工包括自陸地碼頭起吊至運(yùn)輸船，自運(yùn)輸船起吊入水，自海面吊裝至海底操作位置，自海底回收整個(gè)模塊至運(yùn)輸船。按照DNV規(guī)范的規(guī)定，結(jié)構(gòu)撬塊強(qiáng)度需滿(mǎn)足在整個(gè)過(guò)程的吊裝要求。

吊裝分析計(jì)算時(shí)，在SACS軟件中完成整體結(jié)構(gòu)模型，材料及骨材屬性如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)模型材料屬性

吊裝計(jì)算時(shí)，鋼絲繩與水平方向的夾角為60°，吊裝計(jì)算模型如圖3所示。

按照E273規(guī)范的要求，吊裝計(jì)算需考慮在以下3種情況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求（即σe≤0.85Re，其中Re為材料屈服極限）：1) 化學(xué)藥劑箱100%裝載條件下，動(dòng)態(tài)放大系數(shù)取2.5計(jì)算結(jié)構(gòu)撬塊整體強(qiáng)度；2) 化學(xué)藥劑箱100%裝載條件下，結(jié)構(gòu)底部承受水平或垂直的碰撞載荷；3)結(jié)構(gòu)水下回收時(shí)，考慮海底吸力影響下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。

因此，在分析計(jì)算時(shí)對(duì)表2所示工況進(jìn)行計(jì)算分析校核。

表2 工況組合

表2中：M=T+P，T為結(jié)構(gòu)撬塊重力，P為其他設(shè)備重力（包含管路、泵及化學(xué)藥劑箱）；IMH1、IMH2、IMH3、IMH4為水平碰撞力，為0.05M，分別作用于結(jié)構(gòu)撬塊底部四周的骨材，作用力方向?yàn)樗剑籌MV1、IMV2、IMV3、IMV4為垂向碰撞力，為0.08M，分別作用于結(jié)構(gòu)撬塊底部四周的骨材，作用力方向?yàn)榇怪保籗UCT為回收時(shí)的海底泥面吸附力，為0.9(M-P)。

海底回收吊裝計(jì)算時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)水下重力為空氣中重力的0.9倍。參考DNV-RP-H103的規(guī)定，海底泥面附著力為1倍的結(jié)構(gòu)水中受力。

以上所有工況的計(jì)算分析匯總結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)最大利用因子為0.59，滿(mǎn)足E273規(guī)范要求。

各工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大利用因子值如圖4所示。

4 吊耳設(shè)計(jì)

在吊裝過(guò)程中采用四點(diǎn)吊裝形式，吊耳位置位于結(jié)構(gòu)頂部4個(gè)端角位置。

通過(guò)ANSYS軟件對(duì)吊耳及支撐H型鋼的局部強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，有限元分析的材料模型如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)模型材料屬性

計(jì)算分析模型包括吊耳及相連的H 型鋼，數(shù)值計(jì)算模型如圖5所示。

與吊耳相連的H 型鋼端部設(shè)置為固定段，結(jié)構(gòu)受力如圖6所示。

應(yīng)力計(jì)算云圖如圖7所示，計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

5 海上運(yùn)輸計(jì)算

在海上運(yùn)輸時(shí)，由于船舶運(yùn)動(dòng)引起的橫搖、縱搖、垂蕩會(huì)導(dǎo)致船舶上的設(shè)備產(chǎn)生額外的慣性力，這一慣性力的產(chǎn)生會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及裝船固定。在進(jìn)行海上運(yùn)輸時(shí)，分別在結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度及寬度方向上用碼板焊接的形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)與甲板之間的固定。碼板的結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。結(jié)構(gòu)固定點(diǎn)位置如圖9所示。

因此在數(shù)值分析計(jì)算時(shí)，綜合考慮船舶橫搖、縱搖、垂蕩組合對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，按照表4所示工況組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算[2]。

表4中：M=T+P，T為結(jié)構(gòu)撬塊質(zhì)量，P為其他設(shè)備質(zhì)量（包含管路、泵及化學(xué)藥劑箱）；Fr為船舶橫搖引起的水平力，F(xiàn)r=Mg；Fp為船舶縱搖引起的水平力，F(xiàn)p=Mg；Fv為船舶垂蕩引起的垂向力，F(xiàn)v=0.3Mg。

表4 工況組合

以上所有工況的計(jì)算分析匯總結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)最大利用因子為0.54，滿(mǎn)足E273規(guī)范要求。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大利用因子值如圖10所示。

6結(jié)論

本文基于DNVGL-ST-E273規(guī)范的要求，設(shè)計(jì)了可用于深海的海管預(yù)調(diào)試結(jié)構(gòu)撬塊，集成了預(yù)調(diào)試工作所需的各個(gè)功能模塊，極大地減少了海上運(yùn)輸所需的甲板面積及海上施工時(shí)間。該模塊已申請(qǐng)DNV設(shè)計(jì)及建造認(rèn)證，并申請(qǐng)實(shí)用新型專(zhuān)利。