深海鋪管棄置回收拖拉封頭設(shè)計

康建偉，李思思

（西安石油大學(xué)，西安 710065）

深海鋪管棄置回收拖拉封頭設(shè)計

康建偉，李思思

（西安石油大學(xué)，西安 710065）

為保證深海鋪管的可靠性，需在惡劣氣候條件下將正在鋪設(shè)的海底管道暫時棄置到海底，待條件好轉(zhuǎn)再將其回收以繼續(xù)鋪設(shè)。為了確保回收海底管道時能夠準(zhǔn)確定位棄置在海底的管道，需要在管道末端安裝拖拉封頭。設(shè)計了一種掛鉤式拖拉封頭，對其結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新設(shè)計進行了闡述，并對設(shè)計參數(shù)進行詳細計算和ABAQUS數(shù)值模擬。

深海鋪管；拖拉封頭；結(jié)構(gòu)；ABAQUS

深海鋪管技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海洋石油領(lǐng)域，棄置與回收作為深海鋪管技術(shù)中的重要課題，通常由于管道定位不準(zhǔn)確、施工難度大而難以實現(xiàn)。因此，設(shè)計海底管道棄置回收專用拖拉封頭具有十分重要的工程意義。

拖拉封頭就是在深水鋪管作業(yè)中安裝在海底管線末端的、用于棄置與回收的關(guān)鍵部件。在鋪管作業(yè)之前要使用拖拉封頭棄置海管。在鋪管作業(yè)進行中，由于海洋氣候多變，海洋石油鋪管作業(yè)要根據(jù)天氣的變化而做出調(diào)整。當(dāng)遇到惡劣天氣時，必須中斷鋪管，此時就需要用拖拉封頭將正在進行鋪設(shè)的管線暫時存放在海底，待天氣好轉(zhuǎn)時再將其拖回鋪管船，繼續(xù)進行鋪管作業(yè)。在鋪管作業(yè)結(jié)束時也需要用拖拉封頭將海底多余管線回收［1］。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

掛鉤式拖拉封頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．1 拖拉封頭的主體

封頭主體的下部與海管連接。首先將海管插入到封頭主體下部的內(nèi)腔中，然后將海管與主體的接觸部分焊接。上部與U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)連接，在封頭主體上部實心部分鉆1個通孔，插入連接桿與U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)連接。在封頭主體部分有1個環(huán)狀凸緣結(jié)構(gòu)，用于連接掛鉤，使之處于垂直狀態(tài)，便于回收時的定位。

圖1 掛鉤式拖拉封頭結(jié)構(gòu)

1.2 U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)

U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)與封頭主體通過連接桿連接，其中U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)中部用2個矩形結(jié)構(gòu)擋板焊接，2個矩形結(jié)構(gòu)擋板之間有1個圓柱結(jié)構(gòu)，掛鉤安裝在圓柱結(jié)構(gòu)上，矩形結(jié)構(gòu)擋板不僅能為掛鉤提供安裝位置，限定掛鉤的移動范圍；同時能保持U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)的自身穩(wěn)定性，避免在提拉過程中發(fā)生彎曲變形。其中U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)下部通孔位置設(shè)置成球形結(jié)構(gòu)，以增加鉆孔后此處的強度，如圖2所示。

圖2 U形提升環(huán)下部球型結(jié)構(gòu)

1．3 連接桿

連接桿是連接封頭主體與U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)的部件，兩端設(shè)計成較大的半球形結(jié)構(gòu)，一端的半球形結(jié)構(gòu)與中間柱桿一體化，另一端圓球形結(jié)構(gòu)單獨存在，安裝時插入中間柱桿后與另一個圓球型形結(jié)構(gòu)焊接在一起。

1．4 掛鉤與彈簧

掛鉤用于鉤住拖拉封頭主體上的凸緣結(jié)構(gòu)，這樣就能保證U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)在海中與封頭主體的軸線垂直，使U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)豎直地放置在海底，不至于被海底泥土覆蓋，方便回收時直接定位。彈簧的作用是在U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)沒有完全豎直起來時暫時支撐住掛鉤。

2 創(chuàng)新設(shè)計

本次設(shè)計的難點在于掛鉤如何鉤住封頭主體上的凸緣結(jié)構(gòu)，使U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)豎立。目前在掛鉤連接方式上存在不同的拖拉封頭，主要有4種。

1） 鉸鏈?zhǔn)?如圖3所示，掛鉤與基座采用鉸鏈連接，從而使掛鉤可以繞鉸鏈轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)掛鉤與凸緣的鉤住與松開。但是此結(jié)構(gòu)需要考慮鉸鏈的受力和工作壽命等因素。

圖3 鉸鏈?zhǔn)綊煦^

2） 彈簧式 如圖4所示，將掛鉤用1個小彈簧代替，靠彈簧的拉力使U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)保持豎直。缺點在于彈簧對拖拉封頭能否正常工作起了決定性作用，一旦彈簧受深海環(huán)境影響而損壞，很容易導(dǎo)致管線回收工作不能正常進行。

圖4 彈簧式掛鉤

3） 液壓式 如圖5所示，此結(jié)構(gòu)在掛鉤與基座之間增加1個小型液壓裝置，在液壓的幫助下掛鉤鉤住凸緣結(jié)構(gòu)。由于增加了液壓裝置，拖拉封頭的制造成本也增加了，同時還要對液壓裝置進行定期檢查，增加了工作量，液壓裝置的工作性能也對拖拉封頭的工作性能產(chǎn)生直接的影響。

圖5 液壓式掛鉤

4） 螺栓式 如圖6所示，此結(jié)構(gòu)將掛鉤與凸緣結(jié)構(gòu)的連接方式換成螺栓連接，雖然增強了連接的穩(wěn)定性，可以使U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)能夠保持豎直，但是螺栓的連接工作需要ROV進行操作，這不僅大幅增加了棄置管線的成本，也增加了棄置管線的作業(yè)難度。

圖6 螺栓式掛鉤

本設(shè)計將U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)上的矩形結(jié)構(gòu)設(shè)計成2個，中間焊接1個圓柱桿，掛鉤與掛鉤座是一體結(jié)構(gòu)，掛鉤座能夠在圓柱桿上上下移動。在U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)沒有完全豎直時掛鉤由彈簧支撐，當(dāng)管線到達預(yù)定位置時，U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)緩慢豎立起來，然后掛鉤通過重力壓縮彈簧沿著圓柱桿下滑，直到掛鉤正好能鉤住封頭主體上的凸緣結(jié)構(gòu)，保持U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)豎直在海中，方便回收時的定位。與上述4種結(jié)構(gòu)相比，本設(shè)計的優(yōu)點是：①掛鉤與掛鉤座一體化，之間沒有復(fù)雜的小零件，使得加工既方便簡單又經(jīng)濟，同時保證工作具有高可靠性；②棄置階段U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)的豎立不需要ROV的幫助，使得棄置操作更為簡便，同時節(jié)省了ROV的使用費用。

3 強度計算

U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)結(jié)構(gòu)

3．1 受力分析

如圖8所示，根據(jù)材料力學(xué)超靜定問題，在U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)受力時危險截點位于C、D截面的內(nèi)側(cè)。

圖8 U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)受力

C、D截面軸力與彎矩如圖9所示。

圖9 C、D截面軸力與彎矩

拖拉質(zhì)量35 000 kg，考慮到提升時產(chǎn)生的加速度，提拉力F需要乘以加速度系數(shù)1．2，則

3．2 其他尺寸的確定

U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)下端2個通孔的軸心距下側(cè)矩形結(jié)構(gòu)上端95．15 mm、距U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)下端2個球形結(jié)構(gòu)球心270 mm，球形結(jié)構(gòu)半徑37．5 mm，下側(cè)矩形結(jié)構(gòu)擋板上端距上側(cè)矩形結(jié)構(gòu)擋板下端150 mm，上側(cè)矩形結(jié)構(gòu)擋板上端距U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)頂端210 mm，2個矩形結(jié)構(gòu)擋板厚度皆為25 mm，長度皆為480 mm，寬度皆為200 mm，兩矩形結(jié)構(gòu)擋板中間的圓柱桿直徑25 mm。

4 強度校核

1） 構(gòu)件 U形結(jié)構(gòu)提升環(huán)、連接桿和封頭主體，如圖10所示。

圖10 構(gòu)件

2） 載荷工況 拖拉力4．116×106N。

3） 邊界條件 管道下端固定，管道和接頭采用過盈裝配焊接，如圖11所示。

圖11 加載點與邊界條件

4） 劃分網(wǎng)格 采用均勻網(wǎng)格劃分［2］，如圖12所示。

圖12 網(wǎng)格劃分

5） 應(yīng)力 Mises應(yīng)力分布如圖13所示。用有限元數(shù)值模擬的方法得到的最大應(yīng)力發(fā)生在如圖13所示的連接桿的軸線點，應(yīng)力值為821．7 MPa，用解析的方法算出的最大應(yīng)力為1 011．49 MPa，結(jié)構(gòu)強度符合要求。

圖13 應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

1） 設(shè)計的掛鉤式拖拉封頭能夠在實際工況下滿足深海鋪管棄置與回收的要求。

2） 在掛鉤的作用下，定位處于海底的拖拉封頭更容易，也更利于棄置回收作業(yè)的進行。

［1］趙洪山，劉新華，白立業(yè)．深水海洋石油鉆井裝備發(fā)展現(xiàn)狀［J］．石油礦場機械，2010，39（5）：67-74．

［2］馮加果，李新仲，謝彬，等．基于ANSYS的海洋平臺局部構(gòu)造疲勞壽命評估的網(wǎng)格精度和外推方法研究［J］．石油礦場機械，2011，40（1）：15-20．

Design of Towing Head for Waste Pipeline Under Sea

KANG Jian-wei，LI Si-si
（Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China）

In order for the reliability of laying pipeline in deep sea during bad weather，the temporally waste pipeline should be returned when the weather get better for further use．A specially designed towing head was developed to return the temporary waste pipeline．A hook towing head was designed，and its new design is described，and the detailed parameters and ABAQUS data imitation as well

deep sea pipeline lay；towing head；structure；ABAQUS

TE973．9

A

1001-3482（2014）01-0038-04

2013-07-11

康建偉（1988-），男，陜西寶雞人，碩士研究生，主要從事海洋石油裝備研究。