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(jié)構(gòu)改進(jìn)

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(jié)合深水海底管道鋪設(shè)及深水管線結(jié)構(gòu)物海上安裝特點(diǎn)，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(shè)計(jì)的方法及理念，將傳統(tǒng)的U型托管架尾滾輪組創(chuàng)新設(shè)計(jì)成V型尾滾輪組，并將其他所有滾輪組進(jìn)行平滑設(shè)計(jì)，從而可以使管線結(jié)構(gòu)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(shè)及深水管線結(jié)構(gòu)物安裝的風(fēng)險。該設(shè)計(jì)在HYSY201深水海底管道鋪設(shè)及深水管線結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)

0 引 言

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

為了使HYSY201船托管架更適應(yīng)深水海底管線鋪設(shè)及深水管線結(jié)構(gòu)安裝，本文結(jié)合深水海底管道鋪設(shè)及HYSY201船自身的特點(diǎn)，對HYSY201船原托管架尾滾輪及其他滾輪組進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了HYSY201船的海上施工風(fēng)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(shè)雙節(jié)點(diǎn)海管，最大作業(yè)水深可達(dá)3000m，海上最大起重能力達(dá)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(jié)構(gòu)以及相關(guān)附件。托管架凈長度76.31m，有效長度86m，重量總計(jì)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(jié)構(gòu)改進(jìn)背景

HYSY201船在進(jìn)行正常海底管道鋪設(shè)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(yùn)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(jìn)行深水項(xiàng)目鋪設(shè)時，為避免二次調(diào)整托管架曲率，減少項(xiàng)目移動、復(fù)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(shè)需求，又滿足同一項(xiàng)目不同管徑的需求。這就導(dǎo)致在鋪設(shè)項(xiàng)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(fēng)、浪、流及船舶運(yùn)動影響，在托管架尾部擺動范圍比較大，圖2為HYSY201進(jìn)行深水海底管道鋪設(shè)示意圖。

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

下面以HYSY201船在200～1400m鋪設(shè)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(nèi)進(jìn)行鋪管作業(yè)時，通過利用OFF-PIPE軟件對海底管道進(jìn)行動態(tài)分析，分析結(jié)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(lán)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(fēng)險；另一種情況是若管線比較強(qiáng)，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(jié)構(gòu)。以上兩種情況的發(fā)生均會給海上施工帶來巨大風(fēng)險。

另外，深水海底管道一般在管線上設(shè)計(jì)有結(jié)構(gòu)物，如大型起始、終止封頭，管端結(jié)構(gòu)物(PLET)和在線結(jié)構(gòu)物(ILTA)等，當(dāng)管道通過托管架滾輪時，情況就更為復(fù)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(jié)構(gòu)物在通過托管架時，特別是當(dāng)剛離開托管架滾輪時，由于不再受托管架滾輪約束，而受風(fēng)、浪、流及船舶運(yùn)動影響，使結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物受損，特別是PLET及ILTA帶有防沉板這種水下管線結(jié)構(gòu)物時，如果防沉板受托管架結(jié)構(gòu)磕碰而在水下著泥前不能正常打開，就會導(dǎo)致水下管線結(jié)構(gòu)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(jìn)行搶修，花費(fèi)巨大。

為降低深水海管鋪設(shè)的施工風(fēng)險，避免由于托管架尾部滾輪與管線接觸而導(dǎo)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(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 HYSY201船托管架尾滾輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

為避免HYSY201船進(jìn)行深水海底管道鋪設(shè)及深水管線結(jié)構(gòu)安裝時發(fā)生上述施工風(fēng)險，本文對HYSY201托管架尾滾輪組及其他部分滾輪組輔助結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行深水海底管道鋪設(shè)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(jié)構(gòu)物產(chǎn)生干涉的風(fēng)險。但當(dāng)管線上存在PLET、 ILTA等水下結(jié)構(gòu)物時，由于這些管線結(jié)構(gòu)物較大，在通過托管架滾輪時左右沒有約束，受風(fēng)、浪、流、船舶運(yùn)動等因素影響，這些結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物磕碰的風(fēng)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(jìn)行改進(jìn)。

本文采用的設(shè)計(jì)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(dāng)管線結(jié)構(gòu)通過滾輪時，大大降低了與滾輪立柱磕碰的風(fēng)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(shè)計(jì)形式參看圖5左上三維示意圖。

考慮到管線及管線結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物不與滾輪接觸而不受滾輪組約束，管線及管線結(jié)構(gòu)物上、下、左、右擺動均比較大，簡單地對滾輪側(cè)向立柱進(jìn)行開口處理，不能滿足深水海底管線鋪設(shè)及深水管線結(jié)構(gòu)物安裝的需求，因此需要對托管架末端滾輪重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖5 托管架尾滾輪及輔助結(jié)構(gòu)改進(jìn)Fig.5 Stinger end roller box and auxiliary structure modification

對托管架尾滾輪組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先要使?jié)L輪組支撐結(jié)構(gòu)及滾輪承載力滿足托管架原設(shè)計(jì)要求，即單組滾輪承載力要滿足1287kN。另外根據(jù)上文分析，進(jìn)行深水海底管道鋪設(shè)及深水管線結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)成V型滾輪組。

尾滾輪組開口角度設(shè)計(jì)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(hù)，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(jìn)行了同樣的處理；滾輪高度的調(diào)節(jié)通過更換滾輪組底部法蘭短節(jié)來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(jié)合圖3分析，管線同樣存在與立柱頂部棱角磕碰的風(fēng)險，因此在滾輪中間焊接了開口導(dǎo)向立柱(見圖6)。采用該設(shè)計(jì)，避免了管線與滾輪立柱磕碰而損傷，并且可保護(hù)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(fēng)險。

圖6 滾輪開口導(dǎo)向保護(hù)立柱Fig.6 Open guide and protecting pillar on the roller box

4 強(qiáng)度校核分析

本滾輪設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核采用的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)是API RP 2A和AISC ASD。托管架每組滾輪包括托管架尾滾輪設(shè)計(jì)受力是1287kN,新設(shè)計(jì)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(cè)兩個單個滾輪受力是306.9kN。通過SACS建模分析[分析結(jié)果見圖7(b)]，UC值全部小于1，新設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的滾輪組中單個滾輪用ANSYS軟件進(jìn)行了受力分析，分析計(jì)算結(jié)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(shí)際應(yīng)用效果

國外Global1201船的托管架與HYSY201托管架滾輪組設(shè)計(jì)基本相同，其滾輪組及相關(guān)滾輪細(xì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，在鋪設(shè)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?dāng)z像頭就安裝在該立柱上，嚴(yán)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(jìn)行升級保護(hù)設(shè)計(jì)，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(yán)重影響了現(xiàn)場施工進(jìn)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(jìn)行了圓滑保護(hù)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(xiàng)目前期，對托管架滾輪組進(jìn)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(shè)項(xiàng)目中，采用該設(shè)計(jì)形式，順利完成了深水海底管道鋪設(shè)及管線結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)也避免了管線結(jié)構(gòu)物在通過托管架時與托管架立柱及其他結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉，降低了海上施工風(fēng)險。圖12(b)為管線結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物順利通過

圖12 深水海底管線及深水管線結(jié)構(gòu)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(jié) 語

HYSY201船托管架滾輪組及尾滾輪的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，避免了深水海底管道鋪設(shè)及管線結(jié)構(gòu)物安裝的施工風(fēng)險，取得了良好的應(yīng)用效果，并獲得了國家實(shí)用新型專利授權(quán)(專利號ZL 2016 2 0502198.8)。建議國內(nèi)深水托管架設(shè)計(jì)借鑒HYSY201船優(yōu)秀的設(shè)計(jì)理念，從而降低深水海底管線鋪設(shè)及管線結(jié)構(gòu)物安裝的風(fēng)險。

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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(shè)計(jì)與施工管理方面的工作。

U615.35

A

2095-7297(2017)03-0162-06