大型結構物深水安裝安全作業距離研究

孫錕，劉文，方霖，陳曉東，張偉

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳 518054）

0 引言

常見的水下結構物有管匯、采油樹、吸力錨及海底管道等，這些結構物一般坐落在海床上且相互連接，從而組成一套完整的水下生產系統。在水下結構物的安裝施工過程中，吊機和索具的受力與結構物的重力、海況及船舶運動特性等因素相關，一旦結構物的吊裝索具配置不合理或者施工海況較為惡劣，就有一定的概率發生索具或者吊機鋼絲繩受力超過極限值的情況，從而導致索具斷裂失效、結構物意外墜落的事故。這就會對一定區域內已經安裝就位的水下設施造成比較嚴重的安全威脅，而這些水下設施一般無法承受較大的沖擊力。統計數據表明，水下設施發生碰撞損傷事故的概率并不大，但是一旦發生類似事故，就會產生比較嚴重的后果和較大的財產損失，屬于典型的“小概率高風險”事件。

結構物墜落點相對于海床著陸點之間的水平位移對于確定其安全作業距離和撞擊水下設施的概率十分關鍵。當結構物處于深水(水深＞1500 m)環境下，海流作用對于其水平位移的影響不可忽略[1]。已有研究均沒有考慮到海流作用對于墜落過程中結構物水平位移的附加影響。同時，在計算墜落物沖擊能量時，也沒有考慮結構物在長時間的墜落過程中，海流對于結構物觸底速度的影響。這就使得無論計算結構物的水平位移還是與結構物的觸底沖擊總能量，都與實際情況有一定偏差。因此，本文將重點研究深水條件下海流作用對結構物水平偏移量和觸底沖擊總能量的影響，并且提出海上結構物安裝作業過程的安全作業距離和避免其墜落后與水下設施碰撞的優化作業流程。

1 大型結構物墜落過程中的水平位移研究

1.1 基于DNVGL規范的結構物水平位移量計算

在DNVGL-RP-F107規范中，將結構物的質量劃分為4檔：小于2 t、2～8 t、大于8 t和遠大于8 t。然后考慮不同的結構物形狀，給出了不同的入水角度α。認為結構物在海床上的最終著陸點與水深成正切關系，并假設其在海床上的分布規律滿足正態分布，如圖1[3]所示。

圖1 結構物海床著陸點與水深的關系

對于項目中需要安裝的幾類大型結構物，根據規范可以得到表1所示的計算參數。

表1 常見水下大型結構物質量等級及偏移角度

施工作業水深d=1500 m，則結構物在水中的水平位移量δ1（入水點與著陸點之間的水平位移）為δ1=d·tan α=52.4 m。即上述3種結構物在1500 m水深條件下最大水平位移為52.4 m。

但這種簡單考慮結構物形狀和質量就對其入水角度做出判斷的方式顯然不夠準確，尤其對于一些大型結構物，它們的拖曳力面積和拖曳力系數有很大區別。同時，由于作業水深較大，結構物在較長時間的墜落過程中，不可避免地會受到海流作用，從而產生附加水平位移[4]。而且在DNVGL-RP-F107規范中也明確提出，當水深較深且海流方向一致時，將會顯著增加墜落物在水平方向的位移，因此針對深水環境下結構物墜落的水平位移進行研究，海流的流向和流速不可忽略。

1.2 基于OrcaFlex建模的結構物水平位移量計算

結構物在水中墜落過程中，除了受到重力和浮力作用，會受到海流的拖曳力作用，從而改變其在水中的運動軌跡，結構物在水中受到的3個方向拖曳力表示為：

根據相關海域一年一遇的海流速度剖面數據，得到了的水深-海流流速的關系曲線，如圖2所示。

圖2 水深-海流流速關系曲線

為了準確模擬不同深度的海流速度對結構物墜落過程中產生的附加水平位移，以及結構物在墜落過程中產生的附加質量力，根據DNVGL-RP-N103和DNVGL-RP-F107規范，利用OrcaFlex軟件對幾種大型結構物建立了水動力模型，考慮模型X、Y、Z三個方向拖曳力系數CD和拖曳力面積A。3種結構物的水動力參數如表2所示。

表2 結構物水動力參數

利用OrcaFlex 6D buoy建立以上3種結構物的附加質量模型和拖曳力模型，設定其附加質量系數Ca和拖曳力系數CD。結構物從海平面位置處開始墜落，水深設為1500 m，將圖2所示的水深-海流流速的關系曲線導入OrcaFlex模型中的環境參數，假設從海平面到海底的海流方向一致，不考慮波高的影響，設定結構物從海面處開始墜落。最終建立結構物墜落前的模型如圖3所示。計算后得到水平位移的OrcaFlex計算結果，然后與依據規范計算得到的結果進行對比，如圖4所示。

圖3 OrcaFlex建立的吊裝模型

可以看出，在假設不同水深海流方向一致的情況下，OrcaFlex模擬結果均要大于依據規范計算的結果，這說明在深水條件下，海流對結構物墜落過程中產生的附加水平位移是不可忽略的。

在圖4中，防沉板、管匯和水下分配單元從開始墜落到觸底的總時間依次為560、413、440 s，防沉板在水中墜落時間最長，所以它的水平位移量超過規范計算結果最多，其次是水下分配單元和管匯。這主要是由于防沉板的高度較小，而底面積卻相對較大，其高度和底面積比率為0.005。導致其在墜落過程中，更容易受到豎直方向拖曳力的影響，導致其在水中的墜落時間更長，從而產生更大的水平位移。

圖4 結構物水平位移計算對比

2 結構物觸底沖擊能量與水下設施損傷評估

2.1 結構物總沖擊能量的計算

墜落物的動能主要取決于其質量和速度，而墜落物的速度又取決于其形狀及在水中的重力。隨著墜落物在水中速度逐漸增大，阻力也會隨之增加，最終達到一個受力平衡的狀態，此時物體會勻速下落。假設撞擊前落物達到受力平衡狀態，則以下關系成立：

式中：V為墜落物的體積；CD為阻力系數，它是關于雷諾數的函數；ρwater為海水密度；A為物體在垂直于水流方向上的投影面積；vt為墜落物觸底前速度。

由上式可以確定出墜落物觸底前的速度vt，進而得到結構物總的碰撞能量為

式中：ma為附加水動力質量，ma=ρwater·Ca·V；Ca為附加質量系數。

2.2 海底管道抗沖擊能力計算

海底管道損傷分析方法包括試驗法、能量法和數值分析法等[2]，試驗法代價高昂但是結果足夠準確。數值分析法涉及到幾何、材料非線性問題，難度大且計算成本高，不適于工程計算分析。而能量法計算簡便，誤差也在接受范圍之內，比較適用于工程計算。

一般海底管道為防止其受到落錨、漁船拖網等作業的損害，一般會在鋼制管道外面覆蓋混凝土保護層或者挖溝深埋予以保護。因此，海底管道抗沖擊的能力取決于鋼管和其外側的管道保護層或者掩埋土壤深度可以吸收的沖擊能量之和。

項目中的管道采用混凝土層保護，其中混凝土保護層吸收的撞擊能量為

式中：Y為混凝土的壓碎強度；b為落物寬度；h為落物深度；x0為落物嵌入混凝土加重層深度。

鋼管抵抗撞擊能量計算：

式中；mp為管壁的塑性彎矩，mp=σY/4；t為鋼管壁厚；σY為鋼管屈服應力；δ為凹痕深度；D為鋼管外徑。

綜合得到，海管總的抗沖擊能力為E=Es+Ec。

2.3 水下設施損傷程度評估

對于海底管道的損傷程度評估，為了劃分海底管道撞擊受損程度，DNVGL-RP-F107規范采用管道的凹痕直徑比δ/D這一參數來表示，其中δ為管道遭受尖峰荷載的情況下產生的凹痕深度，D為鋼管道直徑。

由此，將海底管道損傷程度分為4種類型：1）輕微損傷。不會造成泄漏，δ/D＜5%。2）中度損傷。可能會造成泄漏，5%＜δ/D＜10%。3）重大損傷。預計會造成泄漏、管道破裂，10%＜δ/D＜20%。4）斷裂。管道發生斷裂，δ/D＞20%。

根據上述的結構物OrcaFlex水動力模型，同時可以計算出3種結構物的觸底速度，如圖5所示。

圖5中，3種結構物在入水之后，首先均是加速運動，而后保持一個恒定的速度墜落，其中防沉板的穩定墜落速度最小，水下分配單元穩定墜落速度最大。這是由于防沉板底面積最大而高度較小，下落過程受到水的阻力最大，也就導致其墜落速度較小。根據圖5可以得出三種結構物的觸底前沖擊總能量，如表3所示。

圖5 結構物墜落速度和時間的變化關系

表3 結構物的觸底速度和觸底總能量

根據表4中所示參數和2.2節內容，可以計算得出海底管道發生斷裂時（相應的管道凹痕/直徑比δ/D=20%），對應的極限抗沖擊能力為106.8 kJ，而上述3種結構物的觸底沖擊總能量均遠遠超過這一閾值。

表4 海底管道結構參數

對于除海底管道以外的其他水下設施而言，在設計之初往往沒有考慮承受其他結構物的直接或間接撞擊，而且這些水下設施上往往布有復雜的管線、閥門或者控制設備，一旦受到撞擊就會產生較大破壞。

綜合來看，在上述3種結構物的海上安裝過程中，一旦發生結構物意外脫落，擊中周邊水下設施，必然會導致嚴重后果。因此，針對這一類大型結構物，根據DNV規范計算其與水下設施碰撞概率再結合水下設施的損傷程度進行相應的失效概率評估沒有意義。需要的是針對海底管道和其他水下設施分別研究其對應的結構物安裝安全作業距離，避免結構物意外脫落后擊中周邊水下設施。

3 結構物深水安裝安全作業流程優化

3.1 安全作業距離計算

在1.2節中，在各深度海流方向一致的前提下，已經利用OrcaFlex計算出了3種結構物墜落后的水平位移。但實際上各個深度的海流流向往往不會一致，所以上述計算結果可以認為是結構物墜落后達到的最大水平位移，而結構物的安全作業距離也就是根據結構物在水中的最大水平位移是確定的，如表5所示。

表5 結構物的安全作業距離 m

3.2 結構物安裝作業流程優化

一般情況下，海上結構物安裝過程中，安裝船會直接移動到目標海域附近，然后通過主吊機將結構物直接緩慢下放到海床目標位置，最終落座、安裝完成。但是這種安裝方法會對周圍水下設施產生一定安全威脅。為了最大限度地降低結構物脫落后與水下設施碰撞的概率，提出圖6、圖7所示的一種“漸進式”的水下結構物安裝作業流程：在安裝結構物時，以海床上的目標位置為圓心，以結構物相應的安全作業距離為半徑，確定出一個圖6所示的禁止作業區域，結構物和索具不能出現在禁止作業區域以內，禁止作業區域以外就是安全作業范圍。具體優化后的安裝作業流程如下：1）移船，安裝船以合適的速度向目標位置移動；2）移船同時，吊機鋼絲繩持續下放，下放速度一般不超過0.5 m/s；3）不斷調整船舶航速和鋼絲繩下放速度，使得結構物以斜線方向接近目標位置，接近安裝位置時，打開主動升沉補償系統；4）安裝就位，落座。

圖6 目標位置附近的結構物安裝流程示意圖

圖7 海管附近安裝作業的結構物安裝流程示意圖

當結構物安裝作業附近海底管道較為密集時，應該根據實際海管路由圖，選擇海管相對稀疏的一側靠近目標位置，如圖7所示，根據結構物墜落后的水平位移確定出禁止作業區域，具體安裝流程與上述一致。

4 結語

針對大型結構物的海上安裝作業風險研究，由于其觸底沖擊能量過大，一旦擊中水下設施必然帶來嚴重后果，因此應該將研究重點集中在其施工安全作業距離的研究，也就是結構物在水中墜落過程的最大水平位移上，并以此劃分出禁止作業區域。然后相應地優化安裝船作業流程，最大程度地減小結構物意外脫落后撞擊水下設施的概率。