裴紅英

鋪管船托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件損傷研究

裴紅英

裴紅英

海洋石油工程股份有限公司

裴紅英，女，本科，1979年09月生，現(xiàn)為海油工程設(shè)計公司新技術(shù)開發(fā)項目管理部技術(shù)中心管理室主任，主要從事海洋工程及科技管理工作。

根據(jù)海洋石油鋪管船托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件（包括Hitch點等）的工況、載荷、材料特性和強度分析，對關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件由于沖擊、疲勞、應(yīng)力集中、腐蝕、溫度效應(yīng)等因素造成的損傷進行了分析研究。指出鋪管船Hitch點設(shè)計滿足鋪設(shè)工況的靜強度要求，但是仍然有許多影響因素需要根據(jù)實驗或者現(xiàn)場測試進行進一步的分析研究。最后對新建鋪管船托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件（包括Hitch點等）的優(yōu)化方案進行了初步探討。

托管架（stinger），是海底管道鋪設(shè)中的重要裝備之一，懸掛在鋪管船的船尾，在管道下水過程中起到控制管道曲率的作用，防止管道因為在上彎段的彎矩過大而導(dǎo)致的屈服或者破裂。目前，利用托管架的鋪設(shè)方法已經(jīng)可以將海底管道鋪設(shè)到水深3000m以上的海底。

正因為托管架在海洋石油管道鋪設(shè)中的重要性，所以其質(zhì)量和安全性歷來受到高度重視。例如，參考文獻論述了藍疆號起重鋪管船托管架拖掛結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及進度控制；參考文獻探討了深水S型托管架室內(nèi)模型試驗測試技術(shù)。

在托管架的各個組成部分中，關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件（包括Hitch點等）的安全性和可靠性，更是必須密切關(guān)注的最重要問題之一。其所以是這樣，因為這些關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件最容易受到各種各樣的損傷。而這些關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件一旦遭到破壞，將造成管道斷裂甚至船舶傾覆的災(zāi)難性后果。

考慮到這些情況，本文初步探討了鋪管船托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件損傷研究的若干問題。

引起托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件損傷的主要因素

以某鋪管起重船為例，簡單介紹托管架的設(shè)計方案。該鋪管起重船鋪管作業(yè)線布置在船體右舷，管段從主甲板縱向傳輸線不斷傳至船首部右舷橫移區(qū)，在橫移區(qū)對管端部焊縫位置處理完畢后通過橫移區(qū)轉(zhuǎn)至主作業(yè)線，在主作業(yè)線上經(jīng)過對中站與下水管線對中和完成封底焊接。隨后隨著船舶前移，經(jīng)過三個自動焊接站和一個檢驗站后通過張緊器和涂敷站完成全部工作，最后經(jīng)由船尾托管架下水。

固定式托管架系統(tǒng)由兩節(jié)托管架本體、與船尾連接的Hitch點、托管架斜撐及斜撐與船體相連的小Hitch點、A字架、45t絞車及絞車鋼纜、連接滑輪組等部分組成。

托管架首端與Hitch點相連，通過Hitch點背面的四個T型插槽和船尾右舷連接，托管架上管線傳輸滾輪與船體上鋪管作業(yè)線滾輪中心線對齊，管線依靠這條滾輪傳輸線支撐下水，管線的入水角度和曲率半徑依靠船尾部四個可調(diào)支撐滾輪及托管架支撐滾輪高度的調(diào)節(jié)和托管架整體角度的調(diào)節(jié)進行控制。首段托管架末端有一個鉸接點與托管架斜撐相連，斜撐另一端與斜撐小Hitch 點相連并通過小Hitch點背面的兩個T型插槽與船尾左舷相連，斜撐用以承擔托管架和管線在水中的水平載荷和限制其水平位移。

托管架系統(tǒng)的布置如圖1、圖2所示。

圖1 托管架系統(tǒng)布置圖

圖2 船尾Hitch點連接T型插槽和墊塊

托管架Hitch點的連接方式如圖3所示。

Hitch點結(jié)構(gòu)主體是由150 mm 和200 mm厚的 DH 36級特厚鋼板組焊而成，與船體T型插槽連接部分結(jié)構(gòu)是300mm厚的DH 36材料，左右兩個T型連接結(jié)構(gòu)中間各有一個小的定位插槽，用于Hitch點安裝過程中的定位。

Hitch點結(jié)構(gòu)在整個托管架系統(tǒng)中非常重要，托管架和鋪設(shè)管線所有的工作載荷、運動載荷都通過Hitch點傳遞到船體結(jié)構(gòu)。盡管Hitch點與船體尾部連接的T型插槽和定位插槽設(shè)計為緊密接觸，但仍然存在有一定的間隙。在管線鋪設(shè)狀態(tài)下由于船體和托管架在運動中的相互作用，Hitch點受到波浪力、拉力、壓力、扭力、沖擊等多種載荷的復(fù)雜作用，特別是復(fù)雜的交變應(yīng)力和沖擊載荷。

在該鋪管起重船多次鋪管作業(yè)中，由于Hitch點結(jié)構(gòu)的因素和外部環(huán)境載荷的作用，Hitch點整體結(jié)構(gòu)在定位插槽等部位發(fā)生了變形，與船體連接面處焊縫多次出現(xiàn)過裂紋、裂縫等損傷，必須在工程中間不斷的修理這些損傷，直接影響到鋪管工程的連續(xù)實施，造成了很大的時間和資金的浪費。在2007年10月份的最近一次測量結(jié)果顯示H點定位插槽部位上下端面最大變形偏差達到了34mm。

圖3 托管架Hitch點的連接方式

對該鋪管起重船托管架Hitch點損傷的初步分析如下。

在2001年對該鋪管起重船托管架的設(shè)計建造中，國外某公司對浮式托管架系統(tǒng)包括Hitch點進行了整體和局部分析計算。計算選擇的工況條件如下：

（1）托管架重力；

（2）浮力；

（3）風(fēng)、浪、流等作業(yè)環(huán)境載荷；

（4）船舶運動引起的慣性載荷；

（5）管線鋪設(shè)工作載荷（通過鋪管分析計算，42英寸管線鋪設(shè)100m水深時的作業(yè)載荷是所有工況中對托管架載荷最大的工況）。

通過計算，Hitch點主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計強度全部滿足規(guī)范要求，但該分析報告并沒有準確預(yù)測出托管架系統(tǒng)Hitch點的定位插槽在鋪管過程中出現(xiàn)的反復(fù)損傷。在2004年對該鋪管起重船托管架新固定式托管架設(shè)計建造中，認為Hitch點整體結(jié)構(gòu)滿足要求，并未對Hitch點經(jīng)常出現(xiàn)損傷的定位插槽部位進行專門分析。由于目前國內(nèi)對托管架Hitch點在復(fù)雜載荷作用下的損傷研究尚處空白，一直未能找到對該鋪管起重船托管架托管架Hitch點定位插槽部位撕裂和裂紋產(chǎn)生的主要原因和解決辦法，僅僅是每次對損壞之處進行修復(fù)。

經(jīng)過初步分析可以得出結(jié)論：造成托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件（包括Hitch點等）損傷的主要因素是：沖擊、疲勞和應(yīng)力集中。

然而經(jīng)過進一步的分析研究可以得出結(jié)論：造成損傷的主要因素除了沖擊、疲勞和應(yīng)力集中以外，還有兩個沒有引起足夠重視的因素：腐蝕和溫度效應(yīng)。

在一般的設(shè)計過程中，往往是僅僅考慮腐蝕裕量，而沒有考慮腐蝕與其它因素的聯(lián)合作用。由于這種聯(lián)合作用，將加速對托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件（包括Hitch點等）的損傷。

而溫度效應(yīng)更易被忽視。造成溫度效應(yīng)的主要原因是日夜溫差和季節(jié)溫差。以渤海海域為例，季節(jié)溫差可以達到60℃以上。由于熱脹冷縮的作用，將加速焊縫等部位裂紋的擴散，其后果不容忽視。

鋪管作業(yè)時Hitch點定位插槽部位的沖擊疲勞分析

由于造成托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件（包括Hitch點等）損傷的最主要因素是沖擊、疲勞，下面研究鋪管作業(yè)時Hitch點定位插槽部位的沖擊疲勞分析。

托管架Hitch點（簡稱H點）與船尾T型之間的周期性接觸，將引發(fā)施加在托管架H點上的沖擊載荷，而托管架H點的損傷是長周期沖擊載荷引發(fā)的疲勞，與通常意義的金屬疲勞略有區(qū)別，該種類型的載荷周期距離結(jié)構(gòu)的內(nèi)固有周期較遠，但是由于受到?jīng)_擊的材料在小能量多次沖擊下的破壞過程，也是裂紋萌生，擴展直至斷裂的過程，亦為多次沖擊下?lián)p傷累計的結(jié)果，從這個角度來說，具有疲勞特點，因此，多次沖擊屬于廣義的疲勞范疇，國外稱它為沖擊疲勞。沖擊疲勞不同于一般的疲勞強度和疲勞過負荷持久值，它對加載速度、體積效應(yīng)的反映較大。沖擊疲勞是一個介乎沖擊與疲勞兩門學(xué)科之間的一個分支，它既屬于沖擊范疇，又屬于疲勞范疇；可是它不同于大能量下的一次沖擊，又不同于應(yīng)力交變下的疲勞。

國外對多次沖擊的研究已經(jīng)有70多年的歷史，國內(nèi)則于30多年前開始研究。早期研究的實驗結(jié)果常表示為沖擊疲勞壽命與沖擊能的關(guān)系曲線，但是這些曲線的力學(xué)意義并沒有得到清晰的闡述，因為在相同的沖擊能下，由于試件的幾何和剛度不同，試件所受的沖擊載荷也不同，因而不能與通常的疲勞曲線相比較，也無法提供可用于構(gòu)件設(shè)計的沖擊疲勞強度的數(shù)據(jù)。

研究表明，沖擊疲勞載荷下試件或構(gòu)件的失效也可分為三個階段：疲勞裂紋的形成、擴展和斷裂。機械工業(yè)部上海材料研究所，利用彈簧振動模型和柔度分析模型得到了沖擊能量與沖擊載荷之間的定量關(guān)系，并通過大量實驗，得到了高強度鋼的動態(tài)沖擊疲勞性能數(shù)據(jù)，即沖擊能量-壽命曲線，裂紋擴展速率曲線，動態(tài)斷裂韌度及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的S～N曲線等。

對于托管架H點來說，它受到的載荷是能量型載荷，而且是交變式的能量載荷，即動態(tài)沖擊疲勞，因此必須在動態(tài)沖擊疲勞下來考察托管架H點的強度和壽命。鑒于托管架材料DH36沖擊疲勞性能研究缺乏，本文借鑒上海材料研究所對HQ-60鋼的沖擊疲勞研究結(jié)果進行分析。

所用公式如下

且有HQ-60鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的S～N 曲線：

其中：B ，W 分別為試樣的厚度和寬度，S為試樣的跨度。

彈簧振動模型得到的最大試樣沖擊載荷為：

斷裂力學(xué)柔度分析得到的試樣沖擊載荷為：

船尾對H點沖擊分析如下。

對沖擊能量與載荷的關(guān)系，就托管架H點與船尾的如下分析：假設(shè)船尾的沖擊能量為A，沖擊過程中沖擊能完全轉(zhuǎn)化為H點插槽的彈性應(yīng)變能，即為結(jié)構(gòu)柔度。

應(yīng)用體單元C3D8R對托管架H點插槽和船尾建模，分析中將船尾視為剛體，對其施加速度。應(yīng)用ABAQUS提供的分析算法，分析船尾與托管架H點插槽的沖擊過程。得到了如下分析結(jié)果。

圖4給出了沖擊瞬間的接觸面Mises 應(yīng)力分布。

圖4 沖擊瞬間的接觸面Mises 應(yīng)力分布

圖5給出了沖擊過程中H點頂部熱點的Mises 應(yīng)力分布。

圖5 沖擊過程中H點頂部熱點的Mises 應(yīng)力分布

圖6給出了沖擊過程中的系統(tǒng)應(yīng)變能變化。

圖6 沖擊過程中的系統(tǒng)應(yīng)變能變化

圖7給出了沖擊過程中的系統(tǒng)內(nèi)能變化。

圖7 沖擊過程中的系統(tǒng)內(nèi)能變化

圖8給出了沖擊過程中的系統(tǒng)動能變化。

圖8 沖擊過程中的系統(tǒng)動能變化

分析結(jié)果表明，船尾沖擊載荷下H點插槽的應(yīng)力分布狀態(tài)與實際的損傷狀態(tài)十分接近，因此可以認定托管架H點插槽的損傷系沖擊疲勞導(dǎo)致。在設(shè)計過程中對此需要加以認真考慮。

對新建鋪管船托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件（包括Hitch點等）優(yōu)化方案的建議

（1）新建鋪管船托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件（包括Hitch點等）的設(shè)計應(yīng)滿足鋪設(shè)工況的強度要求。

（2）新建鋪管船托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件（包括Hitch點等）的設(shè)計應(yīng)考慮由于沖擊、疲勞、應(yīng)力集中、腐蝕、溫度效應(yīng)等因素造成的損傷。

（3）新建鋪管船托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件（包括Hitch點等）的優(yōu)化方案應(yīng)有必要的疲勞等實驗研究以及現(xiàn)場測試加以論證和檢驗。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.082