深水工程船吸力錨錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐田甜 高德歡 張美榮

1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司, 天津 300459;2.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司, 天津 300452;3.海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

深水油氣田工程船(以下簡(jiǎn)稱深水工程船)通常采用半張緊式系泊系統(tǒng),其海底吸力錨基礎(chǔ)上的錨點(diǎn)處承受著垂向和水平向荷載的作用[1]。吸力錨因具有水下定位精確、可重復(fù)利用、可承受較大水平向荷載和海上安裝費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),已成為深水工程船普遍采用的系泊錨基礎(chǔ)型式[2-3]。

深水工程船服役期間,錨頭鏈嵌入土中的反懸鏈線形態(tài)決定了吸力錨錨點(diǎn)處的系泊荷載[4]。因工程船系泊系統(tǒng)海上安裝誤差和系泊線的運(yùn)動(dòng)特性,錨點(diǎn)處的系泊荷載與錨點(diǎn)主板可能不共面,即在錨點(diǎn)處產(chǎn)生主平面外的側(cè)向荷載。淺水工程船吸力錨的承載力設(shè)計(jì)要求較低,錨頭鏈與錨點(diǎn)之間通常采用的卸扣和吊耳/耳環(huán)連接形式不能滿足深水工程船吸力錨錨點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。為此,深水工程船吸力錨普遍采用鑄鋼錨點(diǎn),錨點(diǎn)與錨頭鏈之間采用連接器連接,以提高錨點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的耐磨性和疲勞壽命[5]。某公司制定了《系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)總則》(以下簡(jiǎn)稱企標(biāo)I)、《系泊定位基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總則》(以下簡(jiǎn)稱企標(biāo)II)、《板裙基礎(chǔ)和吸力錨設(shè)計(jì)、安裝總則》(以下簡(jiǎn)稱企標(biāo)III)、《鑄鋼結(jié)構(gòu)材料總則》(以下簡(jiǎn)稱企標(biāo)IV)等企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)吸力錨和錨點(diǎn)的設(shè)計(jì)提出了技術(shù)要求?；诖?對(duì)某深水工程船的吸力錨錨點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 深水工程船系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 深水工程船系泊線方案

某深水工程船位于熱帶環(huán)境條件溫和海域。工程船總長(zhǎng)×型寬×型深為330 m×61 m×33.5 m,作業(yè)處水深1 470 m,系泊定位采用4組共16根系泊線[6];每根系泊線由船體鏈、錨纜、海底鏈和錨頭鏈構(gòu)成,錨頭鏈的出土點(diǎn)為理論錨固點(diǎn)(Theoretical Anchor Point,TAP),TAP與工程船掣鏈器之間的設(shè)計(jì)水平距離為2 100 m。深水工程船系泊線見(jiàn)圖1。

圖1 深水工程船系泊線示意圖

1.2 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制工況

按照企標(biāo)I要求，深水工程船系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)分析方法和ARIANE 7軟件,滿足ISO19901-7:2013 Petroleum and natural gas industries-Specific requirements for offshore structures-Part7:Stationkeeping systems for floating offshore structures and mobile offshore units和API RP 2SK Design and analysis of stationkeeping systems for floating structures 2005(以下簡(jiǎn)稱API RP 2SK)以及BV—NR493 Classification of mooring system 2012(以下簡(jiǎn)稱BV—NR493)等規(guī)范的要求[7]。系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮了系泊線完整、1根系泊線破斷、2根系泊線破斷和錨纜破斷、瞬態(tài)自存等工況[8]。百年一遇環(huán)境條件工況是系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制工況,企標(biāo)I要求和設(shè)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 企標(biāo)I要求和設(shè)計(jì)分析結(jié)果表

深水工程船系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)按BV—NR493和BV—NI605 Geotechnical and foundation design 2014規(guī)范要求,考慮工程船和系泊線的完工狀態(tài)后,得到的百年一遇環(huán)境條件工況時(shí)海底鏈在TAP處設(shè)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 海底鏈在TAP處設(shè)計(jì)分析結(jié)果表

海底鏈為BV QR3級(jí)無(wú)檔鏈,直徑為147 mm,無(wú)腐蝕和扣除11.2 mm腐蝕余量(每年腐蝕0.4 mm)后的最小破斷拉力分別為15 536 kN和13 627 kN。錨纜的最小破斷拉力為13 900 kN,為系泊線上最薄弱部件;瞬態(tài)自存工況為百年一遇環(huán)境條件時(shí),任1根錨纜突然破斷而導(dǎo)致的工程船系泊系統(tǒng)瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)工況。企標(biāo)I要求:錨纜破斷工況時(shí),海底鏈在TAP處的張力取為錨纜的最小破斷拉力;瞬態(tài)自存工況時(shí),海底鏈在TAP處的張力取為1.1倍錨纜的最小破斷拉力[9]。

1.3 錨頭鏈反懸鏈線形態(tài)

吸力錨海上安裝時(shí),錨頭鏈隨吸力錨一同入土,由水下機(jī)器人安裝海底鏈和錨頭鏈之間連接器的銷后,海底鏈和錨頭鏈即連為整段錨鏈,再由安裝船移位拖拽海底鏈,使錨鏈切割土體;嵌入土中的錨鏈?zhǔn)艿酵馏w對(duì)其的切向力和法向力以及錨鏈自重力的作用,形成反懸鏈線形態(tài)[10],見(jiàn)圖2。

圖2 錨頭鏈反懸鏈線形態(tài)圖

海底鏈嵌入土中的反懸鏈線形態(tài)與土體的性質(zhì)有關(guān)。深水工程船作業(yè)海域的海底為飽和軟黏土,土體的不排水剪切強(qiáng)度Su見(jiàn)表3。表3中St為土體的靈敏度指數(shù),即未擾動(dòng)土體不排水抗剪強(qiáng)度與擾動(dòng)后土體不排水抗剪強(qiáng)度的比值[11-12]。

表3 土體不排水剪切強(qiáng)度Su數(shù)值表

應(yīng)用數(shù)值迭代求解控制微分方程分析了海底鏈嵌入土中的反懸鏈線形態(tài),得到百年一遇環(huán)境條件工況的錨頭鏈在吸力錨錨點(diǎn)處的設(shè)計(jì)分析結(jié)果，見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，錨頭鏈在錨點(diǎn)處與水平面的夾角在吸力錨最佳承載角度范圍內(nèi)[13]，錨頭鏈在錨點(diǎn)處最大準(zhǔn)動(dòng)態(tài)張力比TAP處最大準(zhǔn)動(dòng)態(tài)張力(表2)降低約2.7%～4.4%。表4的分析結(jié)果可作為吸力錨極限承載力和結(jié)構(gòu)分析的基準(zhǔn)界面荷載。

表4 錨頭鏈在吸力錨錨點(diǎn)處的設(shè)計(jì)分析結(jié)果表

2 深水工程船系泊系統(tǒng)海上安裝誤差

深水工程船系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮海上安裝誤差的敏感性影響[14]。按照API RP 2SK規(guī)范、企標(biāo)Ⅰ、企標(biāo)Ⅱ,深水工程船系泊系統(tǒng)海上安裝誤差要求見(jiàn)表5[5]。深水工程船錨機(jī)調(diào)整船體鏈從掣鏈器放出的鏈環(huán)數(shù)量,精確調(diào)整各系泊線的出線長(zhǎng)度和預(yù)張力。

表5 系泊系統(tǒng)海上安裝誤差要求表

吸力錨及錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析考慮吸力錨垂直度安裝誤差±5°;錨點(diǎn)處系泊荷載主平面外傾角考慮錨點(diǎn)方位角安裝誤差±5°和系泊線水平面擺動(dòng)幅值±3.5°,合計(jì)取±10°。

3 吸力錨極限承載力校核

根據(jù)同一作業(yè)海域某深水工程船吸力錨的工程經(jīng)驗(yàn)，并考慮吸力錨制造廠的最大卷管能力限制，吸力錨直徑取6 m。為保證吸力錨與土體之間的摩擦力和土的吸附力，按照企標(biāo)Ⅲ要求，吸力錨在海床之下結(jié)構(gòu)的表面不設(shè)防腐涂層，吸力錨僅在海床之上的外表面設(shè)防腐涂層，其它部位均為裸鋼表面。吸力錨極限承載力的歸一化“H-V破壞包絡(luò)線”[15-16]見(jiàn)式(1)。

(1)

其中

a=0.5+L/D=4.833，b=4.5-L/(3D)=3.056

(2)

式中:L為吸力錨的入土深度,m;D為吸力錨的直徑,m；Hmax、Vmax分別為錨點(diǎn)處的最大水平向和最大垂向系泊荷載，按表4結(jié)果并計(jì)入吸力錨垂直度誤差±5°和錨點(diǎn)方位角誤差±10°計(jì)算，kN；Hult、Vult分別為吸力錨的水平向和垂向極限承載力,Hult按Randolph提出的方法計(jì)算為26 566 kN[17]，Vult按API RP 2 GEO Geotechnical and foundation designcon siderations 2011規(guī)范計(jì)算，kN；βH、βV分別為水平向承載力安全系數(shù)和垂向承載力安全系數(shù)，按企標(biāo)Ⅱ要求取值；W′為吸力錨在海水中的浮重，取1 734 kN。

吸力錨極限承載力校核結(jié)果見(jiàn)表6,據(jù)此確定吸力錨設(shè)計(jì)高度為27 m、入土深度為26 m、自重質(zhì)量為 218 t。按照API RP 2SK規(guī)范,確定錨點(diǎn)在海床之下深度取吸力錨入土深度的2/3,即17.3 m,見(jiàn)圖3;此錨點(diǎn)位置使吸力錨承受系泊荷載后沿水平方向平動(dòng),不發(fā)生旋轉(zhuǎn),吸力錨的水平向極限承載力最大。

表6 吸力錨極限承載力校核結(jié)果表

圖3 吸力錨、錨點(diǎn)、錨頭鏈和連接器圖

4 吸力錨錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本作業(yè)海域的吸力錨錨點(diǎn)處曾因吸力錨海上安裝的方位角誤差較大,錨頭鏈切割土體而使土體破裂,造成錨頭鏈與錨點(diǎn)之間的主平面外夾角較大,錨頭鏈與錨點(diǎn)之間的連接卸扣上發(fā)生嚴(yán)重的磨損和磨蝕。為此,企標(biāo)Ⅰ、企標(biāo)Ⅱ要求吸力錨錨點(diǎn)應(yīng)采用鑄鋼構(gòu)件。所有永久系泊線上不允許采用卸扣作為連接器,連接器應(yīng)為鍛造構(gòu)件。錨頭鏈與錨點(diǎn)主板之間應(yīng)采用90°H型連接器連接,見(jiàn)圖4。吸力錨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)按BV—NR445 Rules for the classification of offshore units 2013(以下簡(jiǎn)稱BV—NR445)、API Bulletin 2U Bulletin on stability design of cylindrical shells 2004(以下簡(jiǎn)稱API Bulletin 2U)和AISC316 Manual of steel construction:Allowable stress design 2005等規(guī)范校核錨點(diǎn)筒體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性[18]。

圖4 90°H型連接器示意圖

吸力錨筒體壁厚為40 mm(以下簡(jiǎn)稱筒壁A區(qū)),錨點(diǎn)處3 m高的筒體壁厚為50 mm(以下簡(jiǎn)稱筒壁B區(qū)),錨點(diǎn)四周局部筒體厚為90 mm(以下簡(jiǎn)稱筒壁C區(qū));吸力錨的錨點(diǎn)主板與翻身吊耳主板連為一體,并在錨點(diǎn)主板與翻身吊耳主板的兩側(cè)采用V形翼板支撐筒體,盡量減少錨點(diǎn)處筒內(nèi)加強(qiáng)構(gòu)件對(duì)土體的擾動(dòng),見(jiàn)圖5。百年一遇環(huán)境條件,2根系泊線破斷、錨纜破斷、瞬態(tài)自存等工況時(shí)的吸力錨錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)許用等效應(yīng)力見(jiàn)表7。

圖5 吸力錨筒內(nèi)加強(qiáng)構(gòu)件示意圖

表7 吸力錨錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)許用等效應(yīng)力表

4.1 吸力錨整體結(jié)構(gòu)分析

應(yīng)用ABAQUS軟件建立吸力錨整體結(jié)構(gòu)有限元模型,有限元單元類型為8節(jié)點(diǎn)的S8R二次殼單元,網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm;考慮海床沖刷深度為3 m,施加錨點(diǎn)處的系泊荷載、土體對(duì)吸力錨筒體的法向和切向作用力以及吸力錨的自重荷載;吸力錨底端設(shè)為剛形固定邊界條件。吸力錨筒體建造完工后的最大直徑與最小直徑的差值不允許超過(guò)15 mm;百年一遇環(huán)境條件,2根系泊線破斷工況時(shí),錨點(diǎn)處最大變形為33 mm,即考慮錨點(diǎn)承載變形和建造尺寸誤差的累積,錨點(diǎn)處結(jié)構(gòu)總變形小于1%的吸力錨直徑,滿足API Bulletin 2U規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求[18]。吸力錨筒壁A區(qū)、筒壁B區(qū)和筒壁C區(qū)的最大等效應(yīng)力分別為186 MPa、297.2 MPa和256.3 MPa,均小于許用等效應(yīng)力。

4.2 吸力錨錨點(diǎn)加厚段結(jié)構(gòu)分析

應(yīng)用ABAQUS軟件建立吸力錨錨點(diǎn)處局部的7 m高段結(jié)構(gòu)有限元模型,分析錨點(diǎn)處加厚段筒體及筒內(nèi)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性,有限元單元類型為8節(jié)點(diǎn)的S8R二次殼單元,網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm;施加錨點(diǎn)處的系泊荷載,并模擬90°H型連接器對(duì)錨點(diǎn)主板的杠桿效應(yīng),計(jì)入錨點(diǎn)處10°方位角誤差的影響;忽略土體對(duì)吸力錨的作用力;有限元模型的筒體頂、底端設(shè)為剛形固定邊界條件,見(jiàn)圖6。百年一遇環(huán)境條件,2根系泊線破斷工況時(shí),錨點(diǎn)處最大變形為23 mm;吸力錨的筒壁A區(qū)、筒壁B區(qū)和筒壁C區(qū)的最大等效應(yīng)力分別為163.7 MPa、303.3 MPa和249.1 MPa,均小于許用等效應(yīng)力。結(jié)構(gòu)特征值屈曲(Eigenvalue buckling)分析的第一階屈曲荷載因子為18.678(大于5.0),滿足API Bulletin 2U規(guī)范要求[18]。

圖6 吸力錨錨點(diǎn)處結(jié)構(gòu)有限元模型圖

4.3 錨點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)分析

應(yīng)用ABAQUS軟件建立吸力錨錨點(diǎn)處V形翼板支撐筒體、鑄鋼錨點(diǎn)主板和90°H型連接器的局部細(xì)化有限元模型,有限元單元類型為10節(jié)點(diǎn)的C3D10M二次四面體單元,在每個(gè)構(gòu)件厚度方向至少有2個(gè)單元,該單元適用于大變形和接觸分析;系泊荷載施加在90°H型連接器前端的銷上,錨點(diǎn)主板銷孔內(nèi)直徑比銷直徑大4 mm,錨點(diǎn)主板銷孔與銷之間的摩擦系數(shù)取0.16,更準(zhǔn)確地模擬90°H型連接器對(duì)錨點(diǎn)主板的杠桿效應(yīng),計(jì)入錨點(diǎn)處10°方位角誤差的影響;忽略土體對(duì)錨點(diǎn)的作用力;筒體四周和錨點(diǎn)主板根部設(shè)為剛形固定邊界條件,見(jiàn)圖7;分析百年一遇環(huán)境條件,2根系泊線破斷和錨纜破斷工況時(shí),鑄鋼錨點(diǎn)主板及局部相連結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,錨點(diǎn)處最大變形分別為8.0 mm和8.2 mm,最大等效應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)表8,均小于BV—NR445和BV—NR493規(guī)范的許用等效應(yīng)力;錨點(diǎn)主板根部頂端在吸力錨筒內(nèi)過(guò)渡圓弧半徑為200 mm,錨點(diǎn)主板根部底端在吸力錨筒外過(guò)渡圓弧半徑為100 mm。鑄鋼錨點(diǎn)與吸力錨筒體連接K形坡口焊縫處最大等效應(yīng)力為210 MPa。

圖7 鑄鋼錨點(diǎn)局部細(xì)化有限元模型圖

表8 吸力錨錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力表

4.4 錨點(diǎn)建造變形影響

錨點(diǎn)主板與兩側(cè)V形翼板之間夾角為37°,V形翼板長(zhǎng)1 960 mm、厚40 mm。建造焊接錨點(diǎn)主板和筒體時(shí),V形翼板中部產(chǎn)生了19 mm的側(cè)向變形,超過(guò)了允許建造誤差3 mm(0.15%構(gòu)件長(zhǎng)度)要求。為評(píng)估此側(cè)向變形的影響,在錨點(diǎn)局部細(xì)化有限元模型中,模擬出V形翼板中部有20 mm的側(cè)向變形;百年一遇環(huán)境條件,錨纜破斷工況時(shí),V形翼板變形對(duì)錨點(diǎn)強(qiáng)度的影響分析結(jié)果見(jiàn)表9,可見(jiàn)1塊V形翼板中部有20 mm的側(cè)向變形使其自身和錨點(diǎn)主板根部最大等效應(yīng)力分別增大約9%和14%,但仍小于許用等效應(yīng)力,即不再矯正此建造變形。

表9 V形翼板變形對(duì)錨點(diǎn)強(qiáng)度的影響表

4.5 錨點(diǎn)材質(zhì)及熱處理

企標(biāo)Ⅳ對(duì)鑄鋼的機(jī)械性能要求見(jiàn)表10。低碳硅錳鑄鋼錨點(diǎn)除了機(jī)械性能要求外,還需控制材料各元素含量和碳當(dāng)量,以使其焊接性能與吸力錨筒體鋼材相適應(yīng)。

表10 鑄鋼機(jī)械性能要求表

大型鑄鋼件通常存在枝晶偏析、組織不均勻、網(wǎng)狀組織和晶粒粗大等問(wèn)題。企標(biāo)Ⅳ要求,鑄鋼件和鋼材厚度超過(guò)90 mm時(shí)需進(jìn)行熱處理,使其符合力學(xué)性能要求的同時(shí),提高硬度以改善耐磨性[19]。本錨點(diǎn)鑄鋼件的交付狀態(tài)為“淬火+回火”的調(diào)質(zhì)狀態(tài),需進(jìn)行580±15 ℃的“淬火+回火”處理。吸力錨筒體鋼材的交付狀態(tài)為正火狀態(tài),鋼材需600±15 ℃正火處理。鑄鋼錨點(diǎn)件和吸力錨筒體鋼材的熱處理溫度不匹配會(huì)造成錨點(diǎn)機(jī)械性能的下降和熱處理后的錨點(diǎn)變形[20]。為保證錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)最佳機(jī)械性能,采用的熱處理工藝有以下五步。

1)定位焊接前預(yù)熱。在焊接鑄鋼件和吸力錨筒體前,對(duì)兩種鋼材預(yù)熱至最低150 ℃并緩慢降至常溫。

2)正火處理。焊接鑄鋼件和吸力錨筒體后,加熱錨點(diǎn)至935 ℃并保持6 h,自然風(fēng)冷至常溫。

3)淬火處理。加熱錨點(diǎn)至900 ℃并保持3 h后,水淬處理。

4)回火處理。加熱錨點(diǎn)至580 ℃并保持6 h后,自然風(fēng)冷至常溫。

5)應(yīng)力釋放熱處理。加熱錨點(diǎn)至560 ℃并在保溫毯內(nèi)保持溫度10 h,在10 h內(nèi)緩慢降溫至380 ℃后,再降至常溫。錨點(diǎn)實(shí)際應(yīng)力釋放熱處理工藝曲線見(jiàn)圖8。

圖8 錨點(diǎn)實(shí)際應(yīng)力釋放熱處理工藝曲線圖

5 結(jié)論

1)百年一遇環(huán)境條件,2根系泊線破斷、錨纜破斷和瞬態(tài)自存等工況是吸力錨及錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制工況;吸力錨及錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度冗余。

2)吸力錨的垂直度和錨點(diǎn)方位角海上安裝誤差是吸力錨及錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的重要影響因素;結(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)模擬連接器對(duì)錨點(diǎn)主板的杠桿效應(yīng),計(jì)入錨點(diǎn)處受主平面外荷載的影響。對(duì)吸力錨整體、錨點(diǎn)處加厚段和錨點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)有限元分析的應(yīng)力結(jié)果差異應(yīng)足夠小,保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。吸力錨及錨點(diǎn)承載后的最大變形和建造誤差應(yīng)滿足API Bulletin 2U規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求。

3)吸力錨筒內(nèi)的V形翼板中部的側(cè)向建造變形可使其自身和錨點(diǎn)主板根部等效應(yīng)力增大;應(yīng)注意矯正吸力錨結(jié)構(gòu)件過(guò)大的建造變形,保證建造質(zhì)量。

4)鑄鋼錨點(diǎn)除了機(jī)械性能要求外,還需控制材料各元素含量和碳當(dāng)量,以使其焊接性能與吸力錨筒體鋼材相適應(yīng)。為保證錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)最佳機(jī)械性能,應(yīng)采用合理的熱處理工藝。