拉壓桿受力原理在海管吊裝施工中的應(yīng)用研究

孫錕，楊盛，楊轉(zhuǎn)，黃海，樊磊

（1.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067；2.海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

0 引言

大型天然氣田在國內(nèi)海洋油氣開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展已更加迅速，越來越多的氣田開發(fā)伴隨著大量用于氣體運(yùn)輸?shù)暮５坠艿揽v橫在我國海域。然而石油天然氣產(chǎn)業(yè)在快速發(fā)展過程中與漁業(yè)的交叉作業(yè)是不可避免的[1]。近幾年來，我國漁業(yè)隨著高科技捕魚技術(shù)的開發(fā)也在迅速發(fā)展，然而漁業(yè)對于海洋石油產(chǎn)業(yè)的水下產(chǎn)品還未形成有效的保護(hù)和避讓技術(shù)。

海洋石油工程在設(shè)計階段已經(jīng)開始對水下結(jié)構(gòu)設(shè)計漁業(yè)保護(hù)措施，如水下生產(chǎn)設(shè)施設(shè)計防拖掛保護(hù)罩，對海管進(jìn)行挖溝、掩埋或者水泥壓塊保護(hù)等[2-3]。即便如此，近些年來，我國東海及南海水下生產(chǎn)設(shè)施及海底管道受到漁網(wǎng)拖掛而被破壞的案例時有發(fā)生，輕者造成海管偏離原路由，重者造成海管破損、水下生產(chǎn)設(shè)施的保護(hù)結(jié)構(gòu)失效、石油產(chǎn)品泄漏等[4-5]。為盡快修復(fù)水下?lián)p傷，保證油氣田快速復(fù)產(chǎn)，應(yīng)急搶修類項目多采用堵漏及快速更換破損設(shè)施等措施，而海管段的替換則是修復(fù)海管嚴(yán)重?fù)p傷的最常見做法。

目前國內(nèi)尚無針對海管吊裝展開的設(shè)計方案研究，本文以水泥配重涂層海管吊裝為例，列舉了兩種不同吊裝方案設(shè)計，通過計算結(jié)果對比總結(jié)出利用拉壓桿原理設(shè)計的海管吊裝方案適用性。

1 海管吊裝安裝方式的適用范圍

海管安裝通常采用J-lay、S-lay及Reel-lay等連續(xù)鋪設(shè)方式，而對于海管與平臺終端、海管與水下生產(chǎn)設(shè)施、水下管匯之間的連接，則需要跨接管、膨脹彎等較短的海管結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，而這類較短海管結(jié)構(gòu)的安裝則通常需要采用吊裝的安裝方式。當(dāng)海底管道受損且無法通過封堵的方式進(jìn)行維修時，需要進(jìn)行海底管道的管段更換，這種情況下綜合考慮鋪管船動復(fù)員費(fèi)用及海管的更換長度，小范圍的水下海管更換更適用于采用工程船吊裝的安裝方式。

海管吊裝在水下的連接方式由潛水員操作的有法蘭、機(jī)械連接器等，由ROV安裝的有卡爪式連接器、卡箍式連接器等。使用ROV安裝的連接器目前都為進(jìn)口水下設(shè)施，供貨期較久，不滿足搶修工作的工期計劃。對于海管維修，提高施工效率、節(jié)省安裝工時是最主要目的，首選做法是增加海管的單段長度，從而減少水下連接點的數(shù)量。隨著水下膨脹彎、海管段的長度增加，對吊裝設(shè)計的要求也在逐步提高。

2 計算方法及理論

2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算理論

通常情況下，海管在吊裝時的受力情況主要由彎曲應(yīng)力、軸向壓應(yīng)力組成。計算海管結(jié)構(gòu)吊裝時的受力分析通常采用API RP 2A規(guī)范[6]中推薦的壓彎組合應(yīng)力校核方法：

式中：fa為結(jié)構(gòu)所受壓應(yīng)力；Fa為結(jié)構(gòu)軸向許用壓應(yīng)力；fbx及fby為管結(jié)構(gòu)在局部x及y方向所受的彎曲應(yīng)力；Fb為結(jié)構(gòu)許用彎曲應(yīng)力。

當(dāng)Kl/r＜Cc時，結(jié)構(gòu)軸向許用壓應(yīng)力計算公式為

式中：E為彈性模量，MPa；Fy為結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度，MPa；K為有效長度系數(shù)；l為管結(jié)構(gòu)的無支撐長度；r為回轉(zhuǎn)半徑。

當(dāng)D/t≤1500/Fy時，許用彎曲應(yīng)力計算公式為

式中：ft為結(jié)構(gòu)所受拉應(yīng)力；Ft為結(jié)構(gòu)軸向許用拉應(yīng)力，且Ft=0.6Fy。

2.2 動態(tài)放大系數(shù)計算理論

在海上吊裝管結(jié)構(gòu)的過程中，受海況影響最嚴(yán)重的過程發(fā)生在海管過水面時。海管通過水面分為3個階段，即：底部接觸到水面；通過水面；頂部沒入水中。在底部接觸水面階段，海管主要受到水面的抨擊作用影響；通過水面時，海管主要受到浮力的變化作用及拖曳力、附加質(zhì)量力的影響；頂部沒入水中時，海管僅受到拖曳力、附加質(zhì)量力的影響。

對于吊裝作業(yè)，我們不允許鋼纜發(fā)生沖擊荷載，因此海管通過水面時作用于吊機(jī)纜繩的總荷載為

式中：Fstatic為海管靜態(tài)重力；Fhyd為作用于海管上的水動力。

作用于海管上的水動力Fhyd的計算公式為

式中，F(xiàn)air為海管在空氣中的重力。

3 工程設(shè)計實例

我國東海海域某氣田的海底管道因為受到漁船拖掛而造成241 m長的管線全部偏移原路由，為快速完成修復(fù)任務(wù)，采用海管段直接吊裝的安裝方式，并直接使用項目建設(shè)期鋪管作業(yè)所剩余的水泥配重管，同時減少了海管段的段數(shù)（增加長度以減少法蘭使用的數(shù)量），最終以4段60 m長海管拼接安裝完成施工任務(wù)。氣體管道不同于油管需要保溫，通常以單層管的形式出現(xiàn)。由于氣體作為運(yùn)輸產(chǎn)品，會對海管進(jìn)行配重處理，而最常見的配重形式就是水泥涂層。

3.1 設(shè)計參數(shù)

單根海管長61 m，由水泥涂層覆蓋，整根管重13.5 t，管結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 海管設(shè)計參數(shù)

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于水泥配重海管的自重較大，索具的綁扎位置相距較遠(yuǎn)，容易造成由自重產(chǎn)生的局部Y方向彎矩過大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，因此需要控制索具綁扎點的距離。由于作業(yè)船舶吊機(jī)吊高的限制，則需要控制吊點的吊高，不能超過作業(yè)船的作業(yè)能力。評估設(shè)計校核過程，選取可行性高的2種方案進(jìn)行對比。

1）方案1的吊裝設(shè)計方案（如圖1）使用撐桿輔助吊裝，解決吊高不足造成的海管結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力較大問題。撐桿下方索具采用最廣泛的豎直吊索布置，用以消除傾斜索具布置帶來的軸向應(yīng)力。此工況下桿件L0L1、L1L2、L2L3、L3L4及L4L5均只承受自重產(chǎn)生的彎矩及剪力。為優(yōu)化撐桿受力形式，撐桿上下兩側(cè)的索具設(shè)計在同一位置，以降低撐桿所受彎矩，使撐桿的受力形式簡化為以軸向力作用為主。

圖1 方案1的SACS吊裝模型

2）方案2的吊裝設(shè)計方案（如圖2）同樣使用撐桿進(jìn)行輔助吊裝。該種索具設(shè)計方案的特點是：撐桿每個懸掛點下方的綁扎位置對L1L2、L3L4產(chǎn)生壓應(yīng)力，而由于雙向壓應(yīng)力的效應(yīng)，對L2L3桿件產(chǎn)生了拉應(yīng)力。雖然L2L3桿件的懸空距離過長，但由于拉應(yīng)力與重力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力組合效應(yīng)要低于壓應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的組合效應(yīng)，同時由于L1L4的3段桿件是以受壓-受拉-受壓形式排列，避免了受壓桿件需要修正有效長度。而由于傾斜索具的布置，減少了L0L1及L4L5段桿件的懸臂長度，降低了自重產(chǎn)生的彎矩。和方案1不同的是，方案2使用了長度更短的撐桿。

圖2 方案2的SACS吊裝模型

3.3 SACS模型

根據(jù)設(shè)計參數(shù)建立海管吊裝的SACS模型，如圖1所示。吊點位置約束x、y、z位移的自由度，并在海管兩端設(shè)置1 kN/m的彈簧約束，以解決吊裝模型約束不足導(dǎo)致計算無法收斂的情況。

3.4 動態(tài)放大系數(shù)計算

該吊裝方案在通過水面時的動態(tài)放大系數(shù)計算參考DNVGL-RP-N103[7]第4章的推薦算法，簡化后共需考慮下述4個過程：1）海管接觸水面；2）海管浸入水中；3）海管完全沒入水中，撐桿接觸水面；4）撐桿完全沒入水中。

在計算海管自身的入水校核之后，要將考慮拖曳力及附加質(zhì)量力的海管濕重作為額外的恒定質(zhì)量施加于撐桿上，再對撐桿進(jìn)行入水校核[8]。

計算結(jié)果海管入水時的動態(tài)放大系數(shù)為

因此計算時采用1.497的動態(tài)放大系數(shù)。

3.5 結(jié)構(gòu)計算

設(shè)計工況根據(jù)DNVGL-ST-N001[9]中取載荷系數(shù)LF=WCF×Cog×SKL×Fcon×DAF=2.8。其中，重力權(quán)變系數(shù)WCF=1.1，重心權(quán)變系數(shù)Cog=1.05，偏心荷載系數(shù)SKL=1.25，結(jié)果失效系數(shù)Fcon=1.3。

靜態(tài)荷載乘以載荷系數(shù)得到最終動態(tài)設(shè)計荷載，將受力情況通過API-RP-2A推薦算法進(jìn)行校對，各桿件受力情況如表2所示。

表2 海管結(jié)構(gòu)吊裝工況最大受力情況MPa

通過本文2.1節(jié)中公式計算各管段的許用應(yīng)力，并進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果如表3所示。

表3 海管吊裝工況應(yīng)力校核結(jié)果

圖3和圖4給出了方案1和方案2的彎矩圖。

圖3 方案1的海管受力彎矩圖

圖4 方案2的海管受力彎矩圖

4 結(jié)語

利用拉壓桿受力原理進(jìn)行海管的吊裝設(shè)計，能夠有效優(yōu)化吊裝方案的可行性，同時也為海管的吊裝設(shè)計提供一種新的思路。由于L2L3管段從受壓管段調(diào)整為受拉管段，在計算強(qiáng)度分析時采用拉應(yīng)力及彎曲應(yīng)力組合校核公式，許用拉應(yīng)力比許用壓應(yīng)力明顯增大，有利于較長管段的計算結(jié)果。

雖然撐桿的使用方法不同，但從計算結(jié)果中可以看出，方案1和方案2中海管所受的最大彎矩都為290 kN·m，海管UC最大校核結(jié)果都趨于0.95，應(yīng)力結(jié)果接近計算極限。在應(yīng)用方面也可以得出以下結(jié)論：1）方案2中使用更短的撐桿及更少的撐桿索具，可以優(yōu)化材料數(shù)量；2）方案2中L2L3段長度明顯增長，該方案可運(yùn)用于較長部分無法布置索具的設(shè)施、帶附件管段等的吊裝設(shè)計上。