孟祥偉， 于 瑋， 鄧欣旺， 張建成， 劉江濤

[1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.中船重工(天津)物資貿(mào)易有限公司，天津 300020]

HYSY201船托管架滾輪組的結構改進

孟祥偉1， 于 瑋2， 鄧欣旺1， 張建成1， 劉江濤1

[1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.中船重工(天津)物資貿(mào)易有限公司，天津 300020]

結合深水海底管道鋪設及深水管線結構物海上安裝特點，研究并介紹了HYSY201船在出廠前對原托管架尾滾輪組及其他滾輪組優(yōu)化設計的方法及理念，將傳統(tǒng)的U型托管架尾滾輪組創(chuàng)新設計成V型尾滾輪組，并將其他所有滾輪組進行平滑設計，從而可以使管線結構物、卡環(huán)及鎖具順利通過滾輪組，有效降低了深水海底管道鋪設及深水管線結構物安裝的風險。該設計在HYSY201深水海底管道鋪設及深水管線結構物安裝中收到很好的效果。

鋪管船；HYSY201；托管架；滾輪組優(yōu)化設計

0 引 言

HYSY201船是國內首艘深水S -Lay起重鋪管船，總體技術水平和作業(yè)能力在國際同類工程船舶中處于領先地位。HYSY201船的建成填補了國內深水鋪管裝備領域的空白，出色地完成了諸多深水項目。

為了使HYSY201船托管架更適應深水海底管線鋪設及深水管線結構安裝，本文結合深水海底管道鋪設及HYSY201船自身的特點，對HYSY201船原托管架尾滾輪及其他滾輪組進行了優(yōu)化設計，降低了HYSY201船的海上施工風險。

1 HYSY201船及托管架簡介

船體主尺度為： 船長204m，型寬39.2m，型深14m，吃水7～10.8m，航速12kn，鋪設雙節(jié)點海管，最大作業(yè)水深可達3000m，海上最大起重能力達4000t，能在除北極外的全球所有航區(qū)作業(yè)[1]。圖1為HYSY201整體布置圖，尾部為三節(jié)大型重力式托管架系統(tǒng)。

圖1 HYSY201整體布置圖Fig.1 Overall layout of HYSY201

該船配備三節(jié)重力式托管架。包括HITCH段、INTERMEDIATE段、TAIL 段、A-FRAME、軸連接結構以及相關附件。托管架凈長度76.31m，有效長度86m，重量總計1241.4t，托管架長度布置如表1所示[2]。

表1 HYSY201托管架長度

2 HYSY201船托管架滾輪結構改進背景

HYSY201船在進行正常海底管道鋪設時，出于安全考慮，海底管道與托管架末端滾輪留有一定間隙，避免由于船舶運動及張力波動使托管架尾滾輪與管線受力過大，而使管線發(fā)生屈曲。

另外在進行深水項目鋪設時，為避免二次調整托管架曲率，減少項目移動、復位時間，通常利用一個托管架曲率既滿足同一管徑海管不同水深的鋪設需求，又滿足同一項目不同管徑的需求。這就導致在鋪設項目部分管線時，托管架尾滾輪有幾組不接觸管線，而管線在離開托管架后受風、浪、流及船舶運動影響，在托管架尾部擺動范圍比較大，圖2為HYSY201進行深水海底管道鋪設示意圖。

圖2 HYSY201船深水海底管道鋪設示意圖Fig.2 HYSY201 deepwater pipelay layout

下面以HYSY201船在200～1400m鋪設6英寸(1英寸≈2.54cm)海底管線為例，在海況允許的作業(yè)范圍內進行鋪管作業(yè)時，通過利用OFF-PIPE軟件對海底管道進行動態(tài)分析，分析結果如圖3所示，可見海底管道在托管架尾部滾輪組的波動范圍比較大。

圖3 6英寸管道在托管架尾部滾輪活動范圍(藍線)Fig.3 6-inch pipe movement range in the tail stinger roller box (blue line)

通過上述分析可知，這種情況下海底管道在通過托管架尾部時容易與托管架滾輪立柱及其他附屬結構產(chǎn)生干涉，這就會出現(xiàn)兩種不利情況： 一是管線若比較薄弱，管線與托管架立柱磕碰，會導致托管架滾輪立柱損傷管線涂層或使管線有發(fā)生屈曲的風險；另一種情況是若管線比較強，與托管架滾輪立柱磕碰會損傷托管架立柱，從而損傷托管架本身結構。以上兩種情況的發(fā)生均會給海上施工帶來巨大風險。

另外，深水海底管道一般在管線上設計有結構物，如大型起始、終止封頭，管端結構物(PLET)和在線結構物(ILTA)等，當管道通過托管架滾輪時，情況就更為復雜。圖4所示為ILTA通過托管架滾輪的情況。

圖4 ILTA通過托管架滾輪Fig.4 ILTA passing through the stinger roller box

類似上述結構物在通過托管架時，特別是當剛離開托管架滾輪時，由于不再受托管架滾輪約束，而受風、浪、流及船舶運動影響，使結構物左右擺動幅度加大，也容易與托管架滾輪立柱產(chǎn)生磕碰，可能使管線結構物受損，特別是PLET及ILTA帶有防沉板這種水下管線結構物時，如果防沉板受托管架結構磕碰而在水下著泥前不能正常打開，就會導致水下管線結構物安裝失敗。發(fā)生這種事故后一般需要重新動員J-Lay鋪管船進行搶修，花費巨大。

為降低深水海管鋪設的施工風險，避免由于托管架尾部滾輪與管線接觸而導致托管架損傷或管線屈曲的情況發(fā)生，有必要對托管架尾滾輪及部分滾輪輔助結構進行優(yōu)化設計。

3 HYSY201船托管架尾滾輪結構改進設計

為避免HYSY201船進行深水海底管道鋪設及深水管線結構安裝時發(fā)生上述施工風險，本文對HYSY201托管架尾滾輪組及其他部分滾輪組輔助結構進行了結構改進設計。

在進行深水海底管道鋪設時，管線在托管架上第一節(jié)與第二節(jié)上基本不會離開滾輪組，不存在管線擺動與托管架立柱及其他結構物產(chǎn)生干涉的風險。但當管線上存在PLET、 ILTA等水下結構物時，由于這些管線結構物較大，在通過托管架滾輪時左右沒有約束，受風、浪、流、船舶運動等因素影響，這些結構物在托管架時會產(chǎn)生左右擺動，因此存在與托管架滾輪立柱或其他結構物磕碰的風險。因此需要對托管架第一節(jié)及第二節(jié)尾滾輪的U型滾輪進行改進。

本文采用的設計是利用原有托管架U型滾輪，將U型輪兩端立柱向外分開25°夾角，這樣當管線結構通過滾輪時，大大降低了與滾輪立柱磕碰的風險。同時還將滾輪組前后腰鼓滾輪升級成平滑型，將其用半瓦外包，避免鋼絲繩、卡環(huán)等鎖具與它產(chǎn)生干涉，設計形式參看圖5左上三維示意圖。

考慮到管線及管線結構物在通過第三節(jié)托管架，特別是托管架尾部時，管線及管線結構物不與滾輪接觸而不受滾輪組約束，管線及管線結構物上、下、左、右擺動均比較大，簡單地對滾輪側向立柱進行開口處理，不能滿足深水海底管線鋪設及深水管線結構物安裝的需求，因此需要對托管架末端滾輪重新進行設計。

圖5 托管架尾滾輪及輔助結構改進Fig.5 Stinger end roller box and auxiliary structure modification

對托管架尾滾輪組進行優(yōu)化設計，首先要使?jié)L輪組支撐結構及滾輪承載力滿足托管架原設計要求，即單組滾輪承載力要滿足1287kN。另外根據(jù)上文分析，進行深水海底管道鋪設及深水管線結構物安裝時又要有良好的通過性。因此創(chuàng)新地提出了將現(xiàn)有U型托管架尾滾輪設計成V型滾輪組。

尾滾輪組開口角度設計為130°，與HYSY201船作業(yè)線滾輪開口角度一致；同時為防止棄管、回收鋼絲繩、卡環(huán)等鎖具卡入滾輪縫隙，外部兩個滾輪利用鋼板將棱角外包成平滑弧形；腰鼓滾輪兩端棱角及螺栓用半瓦保護，防止與鋼絲繩或卡環(huán)等干涉，每組滾輪上的腰鼓滾輪都進行了同樣的處理；滾輪高度的調節(jié)通過更換滾輪組底部法蘭短節(jié)來實現(xiàn)。設計后的托管架尾滾輪參看圖5右下角三維示意圖。

在滾輪組與滾輪支撐立柱銷軸上安裝壓力傳感器，用于監(jiān)測管線及管線結構物與滾輪組的受力情況。

托管架尾滾輪改造位置及優(yōu)化后的設計如圖5所示。

由于在托管架的每個立柱上都安裝有水下攝像頭，同時結合圖3分析，管線同樣存在與立柱頂部棱角磕碰的風險，因此在滾輪中間焊接了開口導向立柱(見圖6)。采用該設計，避免了管線與滾輪立柱磕碰而損傷，并且可保護水下攝像頭，同時也防止棄管、回收鋼絲卡入滾輪與立柱的縫隙中，有效降低了海上施工的風險。

圖6 滾輪開口導向保護立柱Fig.6 Open guide and protecting pillar on the roller box

4 強度校核分析

本滾輪設計強度校核采用的規(guī)范與標準是API RP 2A和AISC ASD。托管架每組滾輪包括托管架尾滾輪設計受力是1287kN,新設計的尾滾輪受力分析如圖7(a)所示，中間滾輪組受力同樣是1278kN，外側兩個單個滾輪受力是306.9kN。通過SACS建模分析[分析結果見圖7(b)]，UC值全部小于1，新設計的托管架尾滾輪組滿足要求。

(a) 尾滾輪受力

(b) SACS建模分析

同時也對新設計的滾輪組中單個滾輪用ANSYS軟件進行了受力分析，分析計算結果是單個滾輪可承載40t重量，受力分析如圖8所示。

圖8 單個滾輪受力分析Fig.8 Single roller strength check and analysis

5 同類型托管架對比及實際應用效果

國外Global1201船的托管架與HYSY201托管架滾輪組設計基本相同，其滾輪組及相關滾輪細節(jié)也都基本一樣，其托管架形式及滾輪組如圖9所示。

圖9 Global1201船托管架及滾輪組設計形式Fig.9 Global1201 stinger and roller box type

由于其每節(jié)托管架尾滾輪采用原U型設計，在鋪設較大管徑時，管線與尾滾輪組立柱產(chǎn)生磕碰，使托管架尾滾輪組立柱損傷，而托管架尾部的深水攝像頭就安裝在該立柱上，嚴重影響了海上施工。圖10(a)為該船尾立柱滾輪與管線干涉并損傷的情況。同時該船的腰鼓滾輪沒有進行升級保護設計，在棄管回收過程中，棄管鋼絲繩與腰鼓滾輪干涉而被卡斷，造成棄管事故，嚴重影響了現(xiàn)場施工進度，并損傷了管線[見圖10(b)]。發(fā)生問題后該船也對其腰鼓滾輪進行了圓滑保護處理。

(a) 立柱滾輪損傷

(b) 棄管鋼絲繩卡斷

圖10 Global1201船托管架(a)立柱滾輪被管線損傷，(b)腰鼓滾輪卡斷鋼絲

Fig.10 Global1201 (a) side roller damaged by pipe, (b) steel sling damaged by end roller

HYSY201船在投入項目前期，對托管架滾輪組進行了上述升級改造，改造后的形式如圖11所示。

圖11 HYSY201船托管架滾輪升級后現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.11 Picture of HYSY201 after roller modification

自HYSY201船2012年投入深水海管鋪設項目中，采用該設計形式，順利完成了深水海底管道鋪設及管線結構物安裝。圖12(a)為深水海底管線順利通過尾滾輪組，由于尾滾輪組的V型開口設計，避免了管線與滾輪組產(chǎn)生干涉損傷托管架或損傷管線。同時托管架滾輪組及尾滾輪組的設計也避免了管線結構物在通過托管架時與托管架立柱及其他結構產(chǎn)生干涉，降低了海上施工風險。圖12(b)為管線結構物順利通過托管架尾部滾輪。

(a) 海底管線順利通過

(b) 管線結構物順利通過

圖12 深水海底管線及深水管線結構物順利通過HYSY201船托管架

Fig.12 Deepwater pipeline and pipeline in-line structure passing through HYSY201 stinger

6 結 語

HYSY201船托管架滾輪組及尾滾輪的創(chuàng)新設計，避免了深水海底管道鋪設及管線結構物安裝的施工風險，取得了良好的應用效果，并獲得了國家實用新型專利授權(專利號ZL 2016 2 0502198.8)。建議國內深水托管架設計借鑒HYSY201船優(yōu)秀的設計理念，從而降低深水海底管線鋪設及管線結構物安裝的風險。

[1] 李建楠,王曉波,李斌,等.海洋石油201船托管架系統(tǒng)優(yōu)化研究[C].深海能源大會,2015.

Li Jian-nan, Wang Xiao-bo, Li Bin, et al. HYSY201 stinger optimization study [C]. Deep Water Energy Conference, 2015.

[2] 孟祥偉,蔡錚,雷鳴,等.海洋石油201船托管架自身甲板固定設計研究[J].中國造船,2016(A01)： 210.

Meng Xiang-wei, Cai Zheng, Lei Ming, et al. Design study of HYSY201 stinger fixation on deck [J]. Ship Building of China, 2016(A01)： 210.

[3] 杜武男.深水S型托管架基本設計與分析方法研究[D].大連： 大連理工大學,2013.

Du Wu-nan. Research on basic design and analytical method for deepwater S-lay stinger [D]. Dalian： Dalian University of Technology, 2013.

[4] 梁凌云,商輝,燕暉,等.托管架及管道對鋪管船運動影響的試驗研究[C].中國海洋,2011.

Liang Ling-yun, Shang Hui, Yan Hui, et al. Stinger and pipeline influence on vessel movement： experimental study [C]. China Ocean, 2011.

[5] 王慶國,呂偉,張向峰,等.先進深水S形托管架概念設計研究[C].中國海洋,2009.

Wang Qing-guo, Lü Wei, Zhang Xiang-feng, et al. Advanced deepwater S-shaped stinger conceptual design and research [C]. China Ocean, 2009.

[6] 李志剛,王琮,何寧,等.深水海底管道鋪設技術研究進展[C].中國造船工程學會2009年優(yōu)秀學術論文集,2010.

Li Zhi-gang, Wang Cong, He Ning, et al. An overview of deepwater pipeline laying technology [C]. 2009 Outstanding Academic Papers of China's Society of Naval Architecture and Marine Engineering, 2010.

ModificationDesignofHYSY201StingerRollerBoxesStructure

MENG Xiang-wei1, YU Wei2, DENG Xin-wang1, ZHANG Jian-cheng1, LIU Jiang-tao1

[1.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300461,China; 2.ChinaShipbuildingIndustry(Tianjin)EquipmentandMaterialsCo.,Ltd.,Tianjin300020,China]

HYSY201 has the ability to lay deepwater pipelines. Based on the characteristics of deepwater pipeline and pipeline in-line structure installation, we introduce the HYSY201 stinger roller boxes optimization design method and ideas. The stinger tail roller box is designed in a V shape instead of the traditional U shape. The pipeline in-line structure’s slings and shackles can pass through the roller boxes effortlessly because of the modified roller boxes on the stinger. These designs can effectively reduce the risk of deepwater pipeline and pipeline in-line structure damage, also they have very good application during HYSY201 installation of deepwater pipeline and deepwater pipeline in-line structure.

pipelay vessel; HYSY201; stinger; roller boxes optimized design

2017-03-21

孟祥偉(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事海底管道安裝設計與施工管理方面的工作。

U615.35

A

2095-7297(2017)03-0162-06