基于DNVGL-ST-E273的深水預調試模塊結構設計

石錦坤， 張藝凡， 劉毅， 高磊

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳518054）

1 深水預調試模塊簡介

海底管道預調試內容主要包括清管、測徑、試壓、排水、干燥、惰化過程，新鋪設海管在投產前必須進行預調試作業，以實現對新鋪設海管的在線檢查，確保海管以最佳狀態服役。預調試作業能減少海管腐蝕，提高海管使用壽命。通過海管預調試中排水、干燥、惰化能減少輸氣管道水合物的形成，從而提高海管的流動效率。

深水預調試模塊設計工作水深為3000 m，可在0～50℃范圍內正常工作，存儲溫度可滿足-20～50 ℃要求。

深水海管預調試系統由六大部分組成：由過濾器、流量計、流量控制單元、閥門、海管連接器組成的自由注水部分；由化學藥劑儲罐、流量計、閥門組成的化學藥劑注入部分；由清管泵、閥門組成的清管部分；由試壓泵、閥門組成的試壓部分；由ROV液壓接口、液壓馬達組成的液壓動力部分；由溫度傳感器、壓力傳感器水下數據記錄儀、ROV數據接口、水下顯示儀組成的數據測量儲存顯示部分。深水預調試模塊整體布置示意圖如圖1所示。

2 結構撬塊設計結構撬塊設計

目的是將預調試系統六大部分合理布置，實現所有模塊功能的同時避免系統之間管路、閥門及設備的相互干涉。

結構撬塊設計尺寸為6 m×2.45 m×2.55 m（長×寬×高），主要結構構件為H200×200×8×12。結構形式分為上下兩層：上層高度為0.71 m，底部為框架結構，用于支撐預調試系統的管路及泵設備，管路通過管卡及螺栓與支撐骨材進行固定；下層高度為1.64 m，底部為板架結構，用于布置化學藥劑儲罐及部分備件箱。在模塊設計時，考慮深水海底凈水壓力對化學藥劑罐體的影響，化學藥劑罐箱采用柔性材料，外部用槽鋼及玻璃鋼構成的開放箱體進行形狀支撐，并通過螺栓固定在結構撬塊上。撬塊底部設置帶開孔的防沉板。結構撬塊形式如圖2所示。

本文在結構撬塊設計計算時采用數值分析的方法，使用SACS軟件分別進行了結構的吊裝計算及海上運輸計算。結構撬塊吊裝計算及海上運輸計算均滿足DNVGL-ST-E273[1]對可移動海上結構單元的要求。

對吊耳結構使用ANASYS軟件進行了有限元分析計算，吊耳強度滿足DNVGL-ST-E273對結構強度的要求。

3 吊裝計算

深水預調試模塊吊裝施工包括自陸地碼頭起吊至運輸船，自運輸船起吊入水，自海面吊裝至海底操作位置，自海底回收整個模塊至運輸船。按照DNV規范的規定，結構撬塊強度需滿足在整個過程的吊裝要求。

吊裝分析計算時，在SACS軟件中完成整體結構模型，材料及骨材屬性如表1所示。

表1 結構模型材料屬性

吊裝計算時，鋼絲繩與水平方向的夾角為60°，吊裝計算模型如圖3所示。

按照E273規范的要求，吊裝計算需考慮在以下3種情況下結構強度滿足規范要求（即σe≤0.85Re，其中Re為材料屈服極限）：1) 化學藥劑箱100%裝載條件下，動態放大系數取2.5計算結構撬塊整體強度；2) 化學藥劑箱100%裝載條件下，結構底部承受水平或垂直的碰撞載荷；3)結構水下回收時，考慮海底吸力影響下的結構強度計算。

因此，在分析計算時對表2所示工況進行計算分析校核。

表2 工況組合

表2中：M=T+P，T為結構撬塊重力，P為其他設備重力（包含管路、泵及化學藥劑箱）；IMH1、IMH2、IMH3、IMH4為水平碰撞力，為0.05M，分別作用于結構撬塊底部四周的骨材，作用力方向為水平；IMV1、IMV2、IMV3、IMV4為垂向碰撞力，為0.08M，分別作用于結構撬塊底部四周的骨材，作用力方向為垂直；SUCT為回收時的海底泥面吸附力，為0.9(M-P)。

海底回收吊裝計算時，考慮結構水下重力為空氣中重力的0.9倍。參考DNV-RP-H103的規定，海底泥面附著力為1倍的結構水中受力。

以上所有工況的計算分析匯總結果表明，結構最大利用因子為0.59，滿足E273規范要求。

各工況下結構應力最大利用因子值如圖4所示。

4 吊耳設計

在吊裝過程中采用四點吊裝形式，吊耳位置位于結構頂部4個端角位置。

通過ANSYS軟件對吊耳及支撐H型鋼的局部強度進行分析計算，有限元分析的材料模型如表3所示。

表3 結構模型材料屬性

計算分析模型包括吊耳及相連的H 型鋼，數值計算模型如圖5所示。

與吊耳相連的H 型鋼端部設置為固定段，結構受力如圖6所示。

應力計算云圖如圖7所示，計算結果表明，結構最大應力值小于許用應力，滿足設計規范的要求。

5 海上運輸計算

在海上運輸時，由于船舶運動引起的橫搖、縱搖、垂蕩會導致船舶上的設備產生額外的慣性力，這一慣性力的產生會影響整體結構強度及裝船固定。在進行海上運輸時，分別在結構長度及寬度方向上用碼板焊接的形式進行結構與甲板之間的固定。碼板的結構形式如圖8所示。結構固定點位置如圖9所示。

因此在數值分析計算時，綜合考慮船舶橫搖、縱搖、垂蕩組合對結構設計的影響，按照表4所示工況組合進行結構強度計算[2]。

表4中：M=T+P，T為結構撬塊質量，P為其他設備質量（包含管路、泵及化學藥劑箱）；Fr為船舶橫搖引起的水平力，Fr=Mg；Fp為船舶縱搖引起的水平力，Fp=Mg；Fv為船舶垂蕩引起的垂向力，Fv=0.3Mg。

表4 工況組合

以上所有工況的計算分析匯總結果表明，結構最大利用因子為0.54，滿足E273規范要求。

結構應力最大利用因子值如圖10所示。

6結論

本文基于DNVGL-ST-E273規范的要求，設計了可用于深海的海管預調試結構撬塊，集成了預調試工作所需的各個功能模塊，極大地減少了海上運輸所需的甲板面積及海上施工時間。該模塊已申請DNV設計及建造認證，并申請實用新型專利。