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      膨脹彎海上吊裝設(shè)計(jì)理論方法研究

      2021-07-01 19:10:08岳劍峰
      中國水運(yùn) 2021年5期
      關(guān)鍵詞:索具

      岳劍峰

      摘 要:隨著海洋油氣資源的開發(fā),海底管道鋪設(shè)的需求越來越大,海上吊裝作業(yè)越來越頻繁。目前膨脹彎吊裝設(shè)計(jì)基本采用手動(dòng)計(jì)算,無法準(zhǔn)確模擬被吊物和吊裝索具的真實(shí)受力狀態(tài)。文中通過分析動(dòng)載系數(shù)的計(jì)算方法和索具校核安全系數(shù)的選取方法,以膨脹彎海上吊裝設(shè)計(jì)為例,運(yùn)用SACS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,得出結(jié)構(gòu)物海上吊裝設(shè)計(jì)的理論和方法。通過某油田開發(fā)項(xiàng)目膨脹彎海上吊裝設(shè)計(jì)的實(shí)際運(yùn)用,驗(yàn)證該計(jì)算理論和仿真方法滿足項(xiàng)目需求,具有可推廣性。

      關(guān)鍵詞:吊裝設(shè)計(jì);索具;強(qiáng)度校核;動(dòng)載系數(shù);RAO;SACS

      中圖分類號(hào):P75? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào):1006—7973(2021)05-0074-03

      文中以某油田開發(fā)膨脹彎吊裝設(shè)計(jì)為例,研究膨脹彎海上吊裝設(shè)計(jì)的理論和方法。海上膨脹彎吊裝共分三個(gè)階段:水面上吊裝,過水面吊裝和水下吊裝。吊裝過程最危險(xiǎn)工況發(fā)生在過水面階段,波浪的起伏運(yùn)動(dòng)會(huì)造成吊索松弛和張緊,使吊索承受額外動(dòng)態(tài)載荷和附加水張力。文中主要研究動(dòng)載系數(shù)的計(jì)算方法和其他安全系數(shù)選取方法,通過組合工況,運(yùn)用SACS仿真計(jì)算,校核吊裝過程索具吊點(diǎn)位置和吊索長度設(shè)計(jì)對(duì)膨脹彎自身強(qiáng)度的影響,同時(shí)根據(jù)軟件計(jì)算索具最大受力值校核索具強(qiáng)度,完成膨脹彎海上吊裝設(shè)計(jì)。

      1基礎(chǔ)理論

      膨脹彎吊裝過程需要考慮動(dòng)載系數(shù),多根索具吊裝還需要考慮不均衡載荷系數(shù),重心偏移系數(shù)和附加質(zhì)量系數(shù)。下文對(duì)各系數(shù)計(jì)算和選取進(jìn)行詳細(xì)分析,同時(shí)給出索具設(shè)計(jì)的基本思路和方法。

      1.1動(dòng)載系數(shù)(DAF)

      動(dòng)載系數(shù)計(jì)算方法有兩種,一種是過水面動(dòng)載系數(shù)(DAF)計(jì)算法[1],另一種是空氣中動(dòng)載系數(shù)(DAF)計(jì)算法[2]。實(shí)際吊裝設(shè)計(jì)項(xiàng)目中,一般取兩種計(jì)算方法中最大值作為動(dòng)載系數(shù)。

      1.1.1過水面動(dòng)載系數(shù)(DAF)計(jì)算

      海上吊機(jī)起吊速度選取0.25m/s,有義波高(取1.85m,吊裝作業(yè)一般選擇迎浪作業(yè),這里選取兩種浪向動(dòng)態(tài)響應(yīng)算子(浪向180°和浪向165°)用于計(jì)算,取值波浪周期范圍在6~13s[1];起吊船動(dòng)態(tài)響應(yīng)算子(RAO),一般通過水動(dòng)力仿真計(jì)算獲得。

      1.1.1.1膨脹彎過水面吊裝動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算

      膨脹彎吊裝過程主要考慮以下工況:

      (1)膨脹彎在靜水面之上;

      (2)膨脹彎通過靜水面,部分沒入水中;

      (3)膨脹彎在靜水面之下。

      膨脹彎吊裝過程中,質(zhì)量引起的動(dòng)態(tài)載荷主要考慮膨脹彎空氣重質(zhì)量、附加水質(zhì)量、排水體積質(zhì)量、吊機(jī)頂部位置船體動(dòng)態(tài)響應(yīng)引起的加速度和水質(zhì)點(diǎn)加速度等因素影響,具體見以下計(jì)算式[1]:

      膨脹彎吊裝時(shí)受水拖曳力計(jì)算公式如下[1]:

      膨脹彎吊裝過水面動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算如下[1]:

      1.1.1.2膨脹彎吊裝過程中索具松弛判斷

      膨脹彎吊裝過程中,由于波浪引起船體的不斷晃動(dòng),會(huì)造成過水面時(shí)吊裝鋼絲繩會(huì)松弛,判斷鋼絲繩是否會(huì)松弛的計(jì)算公式如下:

      膨脹彎在靜水面之上時(shí),滿足以下公式鋼絲繩不松弛[1]:

      膨脹彎在靜水面之下時(shí),滿足以下公式鋼絲繩不松弛[1]:

      1.1.1.3膨脹彎吊裝動(dòng)載系數(shù)計(jì)算

      最大靜載計(jì)算公式如下[1]:

      總載荷計(jì)算公式如下[1]:

      起吊船吃水5.425m 時(shí),相應(yīng)RAO下吊裝動(dòng)載系數(shù)(DAF)計(jì)算如下[1]:

      1.1.2空氣中膨脹彎吊裝動(dòng)載系數(shù)(DAF)計(jì)算

      由于膨脹彎總重在3噸和100噸之間,空氣中動(dòng)載系數(shù)計(jì)算如下[2]:

      1.2仿真計(jì)算系數(shù)選取

      根據(jù)過水面吊裝動(dòng)載系數(shù)計(jì)算和空氣中吊裝動(dòng)載系數(shù)計(jì)算,取最大動(dòng)載系數(shù)作為仿真計(jì)算依據(jù),最大動(dòng)載系數(shù)(DAF)為1.558。由于吊裝過程的不確定性,需考慮不均衡載荷系數(shù)(SKL)和重心偏移系數(shù),分別取值1.25和1.1[2];如果重量沒有經(jīng)過精確稱重,需要考慮附加質(zhì)量系數(shù) (WCF),取值1.1[5]。

      1.3吊索設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核

      SACS仿真模擬得出的鋼絲繩軸向力需要滿足以下公式[2]:

      其中安全系數(shù)滿足以下公式[2]:

      式中主要包含載荷系數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)、折減系數(shù)、損傷系數(shù)和材料系數(shù)??紤]到吊裝載荷并不一定完全考慮周全,取載荷系數(shù);考慮鋼絲繩吊裝過程存在局部失效風(fēng)險(xiǎn),取風(fēng)險(xiǎn)系數(shù);折減系數(shù)主要是考慮鋼絲繩末端結(jié)構(gòu)對(duì)鋼絲繩影響,不同類型的端頭鋼絲繩的折減系數(shù)不同,這里鋼絲繩的端頭采用壓制雞心環(huán)方式,折減系數(shù)取;損傷系數(shù)是指索具頻繁使用磨損系數(shù),如果經(jīng)過檢驗(yàn)后使用,損傷系數(shù)取;對(duì)于鋼絲繩材料系數(shù)一般取。總體安全系數(shù)取兩種安全系數(shù)計(jì)算最大值。

      1.4卸扣和調(diào)整鏈吊裝設(shè)計(jì)校核

      卸扣和調(diào)整鏈,采用同一種校核方法,計(jì)算動(dòng)載荷不超過以下公式計(jì)算最小值[2]:

      (1)SWL×DAF.

      (2)MBL/3.0.

      (3)試驗(yàn)載荷不小于2× SWL

      式中SWL為安全工作載荷,一般從索具樣本獲取,MBL為破斷載荷,同樣從索具樣本獲取。

      2 模型分析

      采用SACS建模,并對(duì)膨脹彎模型進(jìn)行簡化處理,密度采用等效密度法,膨脹彎建模時(shí)只考慮基本管尺寸,不考慮外層管、PE層和水泥層厚度,需要把PE和水泥層重量換算成密度添加在模型上。管的等效密度計(jì)算如下:

      每米長管的體積計(jì)算如下:

      膨脹彎等效密度計(jì)算如下:

      法蘭沒有建出具體模型,通過質(zhì)量點(diǎn)的形式加載在模型上。

      模型共包含20個(gè)節(jié)點(diǎn)和22個(gè)單元,單元均為環(huán)形截面,鋼絲繩采用柱狀剛性體模擬。

      3 工況選取及邊界條件分析

      3.1工況設(shè)計(jì)

      工況采用組合工況,考慮自重和點(diǎn)載荷同時(shí),需考慮不均衡載荷系數(shù)(SKL)、重心偏移系數(shù)(CoG IF)、附加重量系數(shù)(WCF)和動(dòng)載系數(shù)(DAF),具體計(jì)算如下:

      LC-D: (SW+JL1+JL2+2*JL3)* WCF*SKL* CoG IF*DAF

      3.2邊界條件處理

      吊點(diǎn)位(LFT)約束掉x,y,z平動(dòng),釋放掉其轉(zhuǎn)動(dòng)(111000);索具與膨脹彎連接位釋放掉6個(gè)自由度約束;膨脹彎兩端x,y平動(dòng)上各加兩個(gè)1kN的彈簧約束力,用于模擬止晃繩止晃。

      邊界條件加載模型圖見圖2。

      4 結(jié)果分析

      在SACS中運(yùn)用規(guī)范API RP 2A進(jìn)行強(qiáng)度校核,分析吊裝過程中膨脹彎各分段的UC值,均不能超過1,一般建議不超過0.85,如果UC值過大,需要重新調(diào)整膨脹彎上索具固定點(diǎn)的位置或者調(diào)節(jié)吊索繩長,至UC值≤0.85為止。通過SACS計(jì)算,得出單根鋼絲繩最大受力為167 kN,吊點(diǎn)處最大受力473 kN,該值可用于索具設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。

      5 索具設(shè)計(jì)

      根據(jù)SACS計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)索具組成,索具組成需考慮海上吊裝及水下ROV索具拆裝施工便利。同時(shí)根據(jù)2.3和2.4節(jié)理論計(jì)算,校核索具強(qiáng)度是否滿足海上吊裝需求。

      5.1吊裝設(shè)計(jì)

      根據(jù)有效長度、吊索受力情況、膨脹彎形狀和吊機(jī)類型選擇索具,主要包含吊帶、ROV吊鉤、帶子母吊環(huán)的4腿索具、手拉葫蘆和卸扣。ROV鉤主要用于膨脹彎水下吊裝,方便ROV水下解鉤;手拉葫蘆主要用于調(diào)整繩長,通過調(diào)整繩長保證膨脹彎起吊過程中處于水平狀態(tài)。詳細(xì)索具組成見圖3。

      5.2索具強(qiáng)度校核

      索具強(qiáng)度校核時(shí),吊帶打雙負(fù)載按總載荷的55%計(jì)算;卸扣安全系數(shù)一般取6,當(dāng)卸扣安全工作載荷大于85噸時(shí)安全系數(shù)取4,具體參考索具樣本;吊環(huán)和手拉葫蘆的安全系數(shù)一般按4倍選取;鋼絲繩安全系數(shù)根據(jù)上文計(jì)算公式選取。具體校核方法,按上文2.3和2.4進(jìn)行。

      6 結(jié)論

      文中通過理論分析和研究,得出一套包括動(dòng)載系數(shù)(DAF)、不均衡載荷系數(shù)(SKL)、重心偏移系數(shù)、附加質(zhì)量系數(shù)的計(jì)算和選取方法,整理出索具設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核的計(jì)算理論。通過運(yùn)用SACS軟件仿真,校核計(jì)算膨脹彎在載荷工況下的強(qiáng)度,是否滿足設(shè)計(jì)要求;計(jì)算結(jié)果可輸出吊索最大軸向力及索具設(shè)計(jì)長度,根據(jù)輸出結(jié)果進(jìn)行吊裝設(shè)計(jì),并根據(jù)索具校核的原理和方法,對(duì)吊裝索具進(jìn)行強(qiáng)度校核。該套理論已應(yīng)用于某油田建設(shè)項(xiàng)目,成功完成48段膨脹彎海上吊裝,取得不錯(cuò)的效果。膨脹彎海上實(shí)物吊裝見圖4。

      參考文獻(xiàn):

      [1] DNV-RP-H103. Modeling and analysis of marine operations[S], 2014

      [2] DNV-OS-H205. Lifting Operations(VMO Standard - Part 2-5) [S], April 2014

      [3] DNV-OS-C101. Design of Offshore Steel Structures, General (LRFD Method) [S], July 2014

      [4] DNV-RP-H102. Marine Operations during Removal of Offshore Installations[S],2004

      [5]莊曉. 海上施工中大型吊裝管理施工組織應(yīng)用[J] . 中國設(shè)備工程,2020(06): 221-222

      [6]王銀梁. 海洋平臺(tái)分片吊裝計(jì)算分析[J] . 工程技術(shù),2019(09):31-34

      基金資助來源:廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目。

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