膨脹彎海上吊裝設計理論方法研究

岳劍峰

摘 要：隨著海洋油氣資源的開發，海底管道鋪設的需求越來越大，海上吊裝作業越來越頻繁。目前膨脹彎吊裝設計基本采用手動計算，無法準確模擬被吊物和吊裝索具的真實受力狀態。文中通過分析動載系數的計算方法和索具校核安全系數的選取方法，以膨脹彎海上吊裝設計為例，運用SACS軟件進行仿真計算，得出結構物海上吊裝設計的理論和方法。通過某油田開發項目膨脹彎海上吊裝設計的實際運用，驗證該計算理論和仿真方法滿足項目需求，具有可推廣性。

關鍵詞：吊裝設計;索具;強度校核;動載系數;RAO;SACS

中圖分類號：P75? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）05-0074-03

文中以某油田開發膨脹彎吊裝設計為例，研究膨脹彎海上吊裝設計的理論和方法。海上膨脹彎吊裝共分三個階段：水面上吊裝，過水面吊裝和水下吊裝。吊裝過程最危險工況發生在過水面階段，波浪的起伏運動會造成吊索松弛和張緊，使吊索承受額外動態載荷和附加水張力。文中主要研究動載系數的計算方法和其他安全系數選取方法，通過組合工況，運用SACS仿真計算，校核吊裝過程索具吊點位置和吊索長度設計對膨脹彎自身強度的影響，同時根據軟件計算索具最大受力值校核索具強度，完成膨脹彎海上吊裝設計。

1基礎理論

膨脹彎吊裝過程需要考慮動載系數，多根索具吊裝還需要考慮不均衡載荷系數，重心偏移系數和附加質量系數。下文對各系數計算和選取進行詳細分析，同時給出索具設計的基本思路和方法。

1.1動載系數（DAF）

動載系數計算方法有兩種，一種是過水面動載系數（DAF）計算法[1]，另一種是空氣中動載系數（DAF）計算法[2]。實際吊裝設計項目中，一般取兩種計算方法中最大值作為動載系數。

1.1.1過水面動載系數（DAF）計算

海上吊機起吊速度選取0.25m/s，有義波高（取1.85m，吊裝作業一般選擇迎浪作業，這里選取兩種浪向動態響應算子（浪向180°和浪向165°）用于計算，取值波浪周期范圍在6～13s[1];起吊船動態響應算子（RAO），一般通過水動力仿真計算獲得。

1.1.1.1膨脹彎過水面吊裝動態載荷計算

膨脹彎吊裝過程主要考慮以下工況：

（1）膨脹彎在靜水面之上;

（2）膨脹彎通過靜水面，部分沒入水中;

（3）膨脹彎在靜水面之下。

膨脹彎吊裝過程中，質量引起的動態載荷主要考慮膨脹彎空氣重質量、附加水質量、排水體積質量、吊機頂部位置船體動態響應引起的加速度和水質點加速度等因素影響，具體見以下計算式[1]：

膨脹彎吊裝時受水拖曳力計算公式如下[1]：

膨脹彎吊裝過水面動態載荷計算如下[1]：

1.1.1.2膨脹彎吊裝過程中索具松弛判斷

膨脹彎吊裝過程中，由于波浪引起船體的不斷晃動，會造成過水面時吊裝鋼絲繩會松弛，判斷鋼絲繩是否會松弛的計算公式如下：

膨脹彎在靜水面之上時，滿足以下公式鋼絲繩不松弛[1]：

膨脹彎在靜水面之下時，滿足以下公式鋼絲繩不松弛[1]：

1.1.1.3膨脹彎吊裝動載系數計算

最大靜載計算公式如下[1]：

總載荷計算公式如下[1]：

起吊船吃水5.425m 時，相應RAO下吊裝動載系數（DAF）計算如下[1]：

1.1.2空氣中膨脹彎吊裝動載系數（DAF）計算

由于膨脹彎總重在3噸和100噸之間，空氣中動載系數計算如下[2]：

1.2仿真計算系數選取

根據過水面吊裝動載系數計算和空氣中吊裝動載系數計算，取最大動載系數作為仿真計算依據，最大動載系數（DAF）為1.558。由于吊裝過程的不確定性，需考慮不均衡載荷系數（SKL）和重心偏移系數，分別取值1.25和1.1[2];如果重量沒有經過精確稱重，需要考慮附加質量系數 （WCF），取值1.1[5]。

1.3吊索設計強度校核

SACS仿真模擬得出的鋼絲繩軸向力需要滿足以下公式[2]：

其中安全系數滿足以下公式[2]：

式中主要包含載荷系數、風險系數、折減系數、損傷系數和材料系數。考慮到吊裝載荷并不一定完全考慮周全，取載荷系數;考慮鋼絲繩吊裝過程存在局部失效風險，取風險系數;折減系數主要是考慮鋼絲繩末端結構對鋼絲繩影響，不同類型的端頭鋼絲繩的折減系數不同，這里鋼絲繩的端頭采用壓制雞心環方式，折減系數取;損傷系數是指索具頻繁使用磨損系數，如果經過檢驗后使用，損傷系數取;對于鋼絲繩材料系數一般取。總體安全系數取兩種安全系數計算最大值。

1.4卸扣和調整鏈吊裝設計校核

卸扣和調整鏈，采用同一種校核方法，計算動載荷不超過以下公式計算最小值[2]：

（1）SWL×DAF.

（2）MBL/3.0.

（3）試驗載荷不小于2× SWL

式中SWL為安全工作載荷，一般從索具樣本獲取，MBL為破斷載荷，同樣從索具樣本獲取。

2 模型分析

采用SACS建模，并對膨脹彎模型進行簡化處理，密度采用等效密度法，膨脹彎建模時只考慮基本管尺寸，不考慮外層管、PE層和水泥層厚度，需要把PE和水泥層重量換算成密度添加在模型上。管的等效密度計算如下：

每米長管的體積計算如下：

膨脹彎等效密度計算如下：

法蘭沒有建出具體模型，通過質量點的形式加載在模型上。

模型共包含20個節點和22個單元，單元均為環形截面，鋼絲繩采用柱狀剛性體模擬。

3 工況選取及邊界條件分析

3.1工況設計

工況采用組合工況，考慮自重和點載荷同時，需考慮不均衡載荷系數（SKL）、重心偏移系數（CoG IF）、附加重量系數（WCF）和動載系數（DAF），具體計算如下：

LC-D： （SW+JL1+JL2+2*JL3）* WCF*SKL* CoG IF*DAF

3.2邊界條件處理

吊點位（LFT）約束掉x，y，z平動，釋放掉其轉動（111000）;索具與膨脹彎連接位釋放掉6個自由度約束;膨脹彎兩端x，y平動上各加兩個1kN的彈簧約束力，用于模擬止晃繩止晃。

邊界條件加載模型圖見圖2。

4 結果分析

在SACS中運用規范API RP 2A進行強度校核，分析吊裝過程中膨脹彎各分段的UC值，均不能超過1，一般建議不超過0.85，如果UC值過大，需要重新調整膨脹彎上索具固定點的位置或者調節吊索繩長，至UC值≤0.85為止。通過SACS計算，得出單根鋼絲繩最大受力為167 kN，吊點處最大受力473 kN，該值可用于索具設計和強度校核。

5 索具設計

根據SACS計算結果設計索具組成，索具組成需考慮海上吊裝及水下ROV索具拆裝施工便利。同時根據2.3和2.4節理論計算，校核索具強度是否滿足海上吊裝需求。

5.1吊裝設計

根據有效長度、吊索受力情況、膨脹彎形狀和吊機類型選擇索具，主要包含吊帶、ROV吊鉤、帶子母吊環的4腿索具、手拉葫蘆和卸扣。ROV鉤主要用于膨脹彎水下吊裝，方便ROV水下解鉤;手拉葫蘆主要用于調整繩長，通過調整繩長保證膨脹彎起吊過程中處于水平狀態。詳細索具組成見圖3。

5.2索具強度校核

索具強度校核時，吊帶打雙負載按總載荷的55%計算;卸扣安全系數一般取6，當卸扣安全工作載荷大于85噸時安全系數取4，具體參考索具樣本;吊環和手拉葫蘆的安全系數一般按4倍選取;鋼絲繩安全系數根據上文計算公式選取。具體校核方法，按上文2.3和2.4進行。

6 結論

文中通過理論分析和研究，得出一套包括動載系數（DAF）、不均衡載荷系數（SKL）、重心偏移系數、附加質量系數的計算和選取方法，整理出索具設計和強度校核的計算理論。通過運用SACS軟件仿真，校核計算膨脹彎在載荷工況下的強度，是否滿足設計要求;計算結果可輸出吊索最大軸向力及索具設計長度，根據輸出結果進行吊裝設計，并根據索具校核的原理和方法，對吊裝索具進行強度校核。該套理論已應用于某油田建設項目，成功完成48段膨脹彎海上吊裝，取得不錯的效果。膨脹彎海上實物吊裝見圖4。

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基金資助來源：廣東省重點領域研發計劃項目。