基于DNV GL規范的海底管道鋪設索具設計及應用

戶 凱李建楠趙 剛李 斌高慶有劉 凱

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

海洋工程中常常涉及結構物吊裝、海底管道鋪設等作業，這些作業均需使用索具連接完成。在鋪設海底管道時，常使用鋼絲繩和卸扣等索具，索具設計對保障施工安全至關重要。特別是對于深水海底管道鋪設，由于水深較深，鋪設所需張緊器張力較大，并且深水海況惡劣，因此索具設計的安全性更為重要。

常用索具有鋼絲繩和卸扣等。鋼絲繩是由鋼絲螺旋捻制而成的，廣泛應用于海洋工程中。鋼絲繩根據繩端接頭形式可分為壓制鋼絲繩、插編鋼絲繩、環形鋼絲繩等。鋼絲繩的公稱抗拉強度等級可分為1 570 MPa、1 670 MPa、1 770 MPa、1 870 MPa和1 960 MPa等。鋼絲繩抗拉強度等級并不是越高越好，高抗拉強度等級高的鋼絲繩承受載荷和抗擠壓能力較好，但韌性較差，鋼絲較脆，承受彎曲和扭轉的能力較差[1]。鋼絲繩在不同的使用場所的安全系數計算方法不同。安全系數也受鋼絲繩自身結構形式、使用方法、材料性能、沖擊性等因素影響[2]。卸扣主要用于鋼絲繩之間、鋼絲繩與結構物吊點之間以及鋼絲繩與海管封頭之間的連接。

本文以DNV GL規范為依據[3-4]，介紹了海底管道鋪設涉及的吊裝作業和海管鋪設作業中的索具設計方法，并應用到南海某深水海管鋪設項目中。

1 索具設計依據

索具的承載能力和損傷情況關系著生產設備的安全運行和操作人員的人身安全。海底管道鋪設過程中的吊裝作業和海管鋪設作業中索具的合理設計選型對于保障施工安全至關重要。本文索具設計方法采用規范DNVGL-ST-N001 Marine Operations and Marine Warranty和GL NOBLE DENTON 0029/ND Guidelines for Submarine Pipeline Installation。本文將兩個規范統稱為DNV GL規范。規范DNVGLST-N001和GL NOBLE DENTON 0029/ND分別對吊裝作業和海管鋪設作業中的索具設計做了詳細的規定。

2 吊裝作業索具設計

海管鋪設施工時會涉及一些小型結構物吊裝作業，比如海管、海底管道終端(PLET)、水下管匯等的吊裝。基于DNVGL-ST-N001規范對吊裝索具設計方法進行研究。

2.1 鋼絲繩索具設計

2.1.1 受力分析

在索具設計時所用的力為索具使用時的最大動態力，該力可以通過專業軟件模擬得到，但有時軟件模擬需要投入很多人力和時間[5]。因此，可以通過DNVGL-ST-N001規范中動態放大系數(dynamic amplification factor，DAF)來計算所需的最大動態力。

索具的使用方式不同，也會影響到受力分析。鋼絲繩對折使用或者使用環形鋼絲繩時，在鋼絲繩彎曲處會受到摩擦力的影響，因此在彎曲處兩側鋼絲繩受力不均勻，鋼絲繩受力按照45∶55的比例分配，如圖1所示，即鋼絲繩受力分析時應當考慮0.55倍系數[3]。

2.1.2 安全系數選取

1) 吊裝系數(lifting factor，γf)[3]

吊裝系數通常取1.3。對于索具承受的環境載荷(如風、波浪、海流等)，可以詳細計算的情況規范也給出了吊裝系數的計算方法。

2) 后果系數(consequence factor，γc)[3]

后果系數通常取1.3。對于吊裝作業，單根鋼絲繩斷裂不影響整體結構物的吊裝作業，后果系數可適當減小。

3) 折減系數(reduction factor，γr)

圖1 鋼絲繩受力分析

在鋼絲繩結構的繩端和彎曲處，鋼絲繩的強度會有所折減。折減系數分為端部折減系數和彎曲折減系數。對于鋼絲繩的同一部分[鋼絲繩的主體(sling body)或者琵琶頭(sling eye)]，折減系數應取端部折減系數和彎曲折減系數中的最大值。

圖2 鋼絲繩結構

(1) 端部折減系數(termination factor，γs)。

對于鋼絲繩繩端不同的接頭形式，端部折減系數取值也不相同。當鋼絲繩繩端是插編接頭時，端部折減系數取1.25(對于六股鋼絲繩插編接頭，端部折減系數取1.33)，是壓制接頭時端部折減系數取1.12，是澆鑄接頭時端部折減系數取1.00[3]。

(2) 彎曲折減系數(bending factor，γb)。

鋼絲繩與卸扣、滑輪、滾筒、吊鉤等連接時，會由于彎曲而產生彎曲應力，而彎曲應力是影響鋼絲繩壽命的主要因素。彎曲應力會使鋼絲繩的強度減弱，因此安全系數應當考慮彎曲應力的影響。與鋼絲繩連接結構的直徑不宜過大或者過小，直徑過大，會對鋼絲繩接頭產生不利影響；直徑過小，會使鋼絲繩琵琶頭承載能力減弱。DNVGL-ST-N001規范中推薦鋼絲繩琵琶頭長度不小于鋼絲繩直徑的10倍并且琵琶頭內部張開的角度不超過20°。

彎曲折減系數計算公式為[3]

式中：d為鋼絲繩直徑，mm；D為與鋼絲繩連接結構(如卸扣、滑輪、滾筒、吊鉤等)的最小直徑，mm。

由表1可知，鋼絲繩端部折減系數一般比彎曲折減系數小。鋼絲繩主體和琵琶頭的安全系數的差別主要是彎曲折減系數，當鋼絲繩主體部分不受彎曲應力時，即γb=1，若此時琵琶頭處彎曲折減系數γb=2，則鋼絲繩主體和琵琶頭的承載能力相當。γb=2，也即D=d，鋼絲繩直徑和與其連接結構直徑相等。由此可知，當D＜d時，琵琶頭承載能力較小；當D＞d時，鋼絲繩主體承載能力較小。DNVGLST-N001規范中規定[3]，在任何情況下，與鋼絲繩主體連接結構的直徑都應不小于鋼絲繩直徑。與鋼絲繩琵琶頭連接結構的直徑可以小于鋼絲繩直徑，但也不推薦這種做法，此時的彎曲折減系數將會大于2.0。為了讓鋼絲繩琵琶頭處于良好的狀態，規范推薦將鋼絲繩琵琶頭與不小于鋼絲繩直徑2倍的結構連接，保證琵琶頭承載能力強于鋼絲繩主體承載能力。

表1 彎曲折減系數[3]

另外，鋼絲繩兩端的琵琶頭彎曲折減系數可能不相同，應當取彎曲折減系數最大的來計算安全系數。

4) 材料系數(material factor，γm)[3]

對于取得一般金屬材料認證證書的鋼絲繩，材料系數至少取1.5。對于嶄新的且取得了歐盟授權機構簽發的EN10204-3.2證書的鋼絲繩，材料系數可取1.35。γw)[3]

5)磨損及應用系數(wearand application factor，

對于滿足檢驗要求的鋼絲繩，該系數應取1.0。對于頻繁使用且未經過全面檢驗的鋼絲繩，該系數至少取1.1。

2.1.3 鋼絲繩設計方法

鋼絲繩安全系數計算式[3]：

式中：γsf為鋼絲繩的安全系數。DNVGL-ST-N001規范中規定鋼絲繩安全系數通常大于2.3。

鋼絲繩設計選型公式如下[3]：

式中：FSD為鋼絲繩受力，對于對折使用的鋼絲繩和環形鋼絲繩，該力為單根繩受到的力。MBL(minimum breaking load)為鋼絲繩破斷拉力，通常由鋼絲繩生產廠家提供。環形鋼絲繩破斷拉力通常是指整個環形鋼絲繩的破斷拉力，因此在使用式(3)時應當將環形鋼絲繩破斷拉力乘以50%。

根據式(3)可知，已知鋼絲繩受力情況和安全系數，可以得到所需鋼絲繩破斷拉力，查閱相關索具產品手冊即可得出滿足要求的鋼絲繩規格。

2.2 卸扣設計

卸扣設計載荷T應滿足下式要求[3]：

式中：WLL(working load limit)為卸扣極限工作載荷，是靜態載荷；DAF為動態放大系數；MBL為卸扣最小破斷載荷；Tt為卸扣試驗載荷。

卸扣極限工作載荷WLL從生產廠家索具產品手冊中獲得，通常以噸(t)為單位。卸扣的安全系數，即MBL/WLL，也由生產廠家提供，根據卸扣安全系數可求得MBL。卸扣試驗載荷Tt規范中規定[3]，當WLL≤25 t時，卸扣試驗載荷Tt=2×WLL；當WLL＞25 t時，卸扣試驗載荷Tt=1.22×WLL+20 t。有些卸扣生產廠家對WLL＞25 t的卸扣試驗載荷仍采用2×WLL，具體情況應當以生產廠家所提供的試驗載荷為準。

3 海管鋪設索具設計

在海底管道鋪設過程中，起始鋪設、終止鋪設以及臨時棄管及回收海管時，均需要用到鋼絲繩等索具與海管封頭連接，對海管進行下放或者回收作業。基于GL NOBLE DENTON 0029/ND規范對鋪管索具設計方法進行研究。在索具受力分析時，所采用的力為鋪管時的最大動態力，該力可通過鋪管計算分析軟件得到。

GL NOBLE DENTON 0029/ND規范針對海管鋪設作業索具安全系數，主要考慮端部折減系數、彎曲折減系數、載荷系數和材料系數[4]。不同鋪管工況下，載荷系數和材料系數的取值也不相同，如表2所示。規范中根據鋪管過程中海管內是否充水，將鋪管工況分為空管鋪設、計劃充水鋪設和意外充水鋪設。為了保證海管鋪設作業安全，對于空管鋪設應當考慮海管意外進水后的充水鋪設情況，因此，空管鋪設的索具安全系數應當考慮空管鋪設和意外充水鋪設兩種情況。

表2 索具安全系數[4]

4 應 用

南海某深水海底管道鋪設項目包含6 in和12 in海底管道鋪設以及4個PLET安裝。PLET最大重量為45.4 t，PLET吊裝采用四分支吊裝形式并配有吊裝框架。作業海域水深為520～1 120 m。海管鋪設所使用的鋪管船是海洋石油201船，該船具有DP定位系統。根據DNV GL規范，完成了海管鋪設、PLET安裝、海管吊裝、PLET吊裝等的索具設計。表3、表4和表5給出了部分索具的設計結果。索具設計結果在深水海管鋪設施工過程中得到了很好的應用，保證了海上作業安全。

表3 吊裝鋼絲繩設計結果

表4 海管鋪設鋼絲繩設計結果

表5 卸扣設計結果

5 結 語

通過對DNVGL-ST-N001規范和GL NOBLE DENTON 0029/ND規范中關于索具設計相關規定的研究，總結出一套海底管道鋪設索具的設計方法。海管鋪設主要涉及小型結構物吊裝作業和海管鋪設作業，針對兩種作業工況，分別給出了鋼絲繩索具設計安全系數計算方法。通過在南海某深水海管鋪設項目中應用，成功指導了深水海上安裝索具設計選型，證實了索具設計方法的可靠性，對于保障海上施工安全具有重要意義。