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(jì)公司新技術(shù)開發(fā)項(xiàng)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(diǎn)等）的工況、載荷、材料特性和強(qiáng)度分析，對(duì)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(jìn)行了分析研究。指出鋪管船Hitch點(diǎn)設(shè)計(jì)滿足鋪設(shè)工況的靜強(qiáng)度要求，但是仍然有許多影響因素需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)或者現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。最后對(duì)新建鋪管船托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件（包括Hitch點(diǎn)等）的優(yōu)化方案進(jìn)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?yàn)樵谏蠌澏蔚膹澗剡^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?yàn)橥泄芗茉诤Ｑ笫凸艿冷佋O(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(xiàn)論述了藍(lán)疆號(hào)起重鋪管船托管架拖掛結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及進(jìn)度控制；參考文獻(xiàn)探討了深水S型托管架室內(nèi)模型試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)。

在托管架的各個(gè)組成部分中，關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件（包括Hitch點(diǎn)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?yàn)檫@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(jiǎn)單介紹托管架的設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)中站與下水管線對(duì)中和完成封底焊接。隨后隨著船舶前移，經(jīng)過三個(gè)自動(dòng)焊接站和一個(gè)檢驗(yàn)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(diǎn)、托管架斜撐及斜撐與船體相連的小Hitch點(diǎn)、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(diǎn)相連，通過Hitch點(diǎn)背面的四個(gè)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(duì)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(gè)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(jìn)行控制。首段托管架末端有一個(gè)鉸接點(diǎn)與托管架斜撐相連，斜撐另一端與斜撐小Hitch 點(diǎn)相連并通過小Hitch點(diǎn)背面的兩個(gè)T型插槽與船尾左舷相連，斜撐用以承擔(dān)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(diǎn)連接T型插槽和墊塊

托管架Hitch點(diǎn)的連接方式如圖3所示。

Hitch點(diǎn)結(jié)構(gòu)主體是由150 mm 和200 mm厚的 DH 36級(jí)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(gè)T型連接結(jié)構(gòu)中間各有一個(gè)小的定位插槽，用于Hitch點(diǎn)安裝過程中的定位。

Hitch點(diǎn)結(jié)構(gòu)在整個(gè)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(yùn)動(dòng)載荷都通過Hitch點(diǎn)傳遞到船體結(jié)構(gòu)。盡管Hitch點(diǎn)與船體尾部連接的T型插槽和定位插槽設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)中的相互作用，Hitch點(diǎn)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(diǎn)結(jié)構(gòu)的因素和外部環(huán)境載荷的作用，Hitch點(diǎn)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(shí)施，造成了很大的時(shí)間和資金的浪費(fèi)。在2007年10月份的最近一次測(cè)量結(jié)果顯示H點(diǎn)定位插槽部位上下端面最大變形偏差達(dá)到了34mm。

圖3 托管架Hitch點(diǎn)的連接方式

對(duì)該鋪管起重船托管架Hitch點(diǎn)損傷的初步分析如下。

在2001年對(duì)該鋪管起重船托管架的設(shè)計(jì)建造中，國(guó)外某公司對(duì)浮式托管架系統(tǒng)包括Hitch點(diǎn)進(jìn)行了整體和局部分析計(jì)算。計(jì)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(yùn)動(dòng)引起的慣性載荷；

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

通過計(jì)算，Hitch點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度全部滿足規(guī)范要求，但該分析報(bào)告并沒有準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出托管架系統(tǒng)Hitch點(diǎn)的定位插槽在鋪管過程中出現(xiàn)的反復(fù)損傷。在2004年對(duì)該鋪管起重船托管架新固定式托管架設(shè)計(jì)建造中，認(rèn)為Hitch點(diǎn)整體結(jié)構(gòu)滿足要求，并未對(duì)Hitch點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)損傷的定位插槽部位進(jìn)行專門分析。由于目前國(guó)內(nèi)對(duì)托管架Hitch點(diǎn)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(duì)該鋪管起重船托管架托管架Hitch點(diǎn)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(duì)損壞之處進(jìn)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(diǎn)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(jìn)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(gè)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(jì)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(duì)托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件（包括Hitch點(diǎn)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?yàn)槔?，季?jié)溫差可以達(dá)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(kuò)散，其后果不容忽視。

鋪管作業(yè)時(shí)Hitch點(diǎn)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(diǎn)等）損傷的最主要因素是沖擊、疲勞，下面研究鋪管作業(yè)時(shí)Hitch點(diǎn)定位插槽部位的沖擊疲勞分析。

托管架Hitch點(diǎn)（簡(jiǎn)稱H點(diǎn)）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(diǎn)上的沖擊載荷，而托管架H點(diǎn)的損傷是長(zhǎng)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(yuǎn)，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(kuò)展直至斷裂的過程，亦為多次沖擊下?lián)p傷累計(jì)的結(jié)果，從這個(gè)角度來說，具有疲勞特點(diǎn)，因此，多次沖擊屬于廣義的疲勞范疇，國(guó)外稱它為沖擊疲勞。沖擊疲勞不同于一般的疲勞強(qiáng)度和疲勞過負(fù)荷持久值，它對(duì)加載速度、體積效應(yīng)的反映較大。沖擊疲勞是一個(gè)介乎沖擊與疲勞兩門學(xué)科之間的一個(gè)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(guó)外對(duì)多次沖擊的研究已經(jīng)有70多年的歷史，國(guó)內(nèi)則于30多年前開始研究。早期研究的實(shí)驗(yàn)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?yàn)樵谙嗤臎_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(jì)的沖擊疲勞強(qiáng)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(gè)階段：疲勞裂紋的形成、擴(kuò)展和斷裂。機(jī)械工業(yè)部上海材料研究所，利用彈簧振動(dòng)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(shí)驗(yàn)，得到了高強(qiáng)度鋼的動(dòng)態(tài)沖擊疲勞性能數(shù)據(jù)，即沖擊能量-壽命曲線，裂紋擴(kuò)展速率曲線，動(dòng)態(tài)斷裂韌度及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的S～N曲線等。

對(duì)于托管架H點(diǎn)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(dòng)態(tài)沖擊疲勞，因此必須在動(dòng)態(tài)沖擊疲勞下來考察托管架H點(diǎn)的強(qiáng)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(duì)HQ-60鋼的沖擊疲勞研究結(jié)果進(jìn)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(dòng)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(duì)H點(diǎn)沖擊分析如下。

對(duì)沖擊能量與載荷的關(guān)系，就托管架H點(diǎn)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(diǎn)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(duì)托管架H點(diǎn)插槽和船尾建模，分析中將船尾視為剛體，對(duì)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(diǎn)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(diǎn)頂部熱點(diǎn)的Mises 應(yīng)力分布。

圖5 沖擊過程中H點(diǎn)頂部熱點(diǎn)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(dòng)能變化。

圖8 沖擊過程中的系統(tǒng)動(dòng)能變化

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

對(duì)新建鋪管船托管架關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件（包括Hitch點(diǎn)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(diǎn)等）的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足鋪設(shè)工況的強(qiáng)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(diǎn)等）的設(shè)計(jì)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(diǎn)等）的優(yōu)化方案應(yīng)有必要的疲勞等實(shí)驗(yàn)研究以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試加以論證和檢驗(yàn)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.082