軟性氣囊在滑移下水導管架中的應用方法探討

張孝衛，劉玉璽，闞子恒，顏 瓊

(海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津300451)

軟性氣囊在滑移下水導管架中的應用方法探討

張孝衛，劉玉璽，闞子恒，顏 瓊

(海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津300451)

針對大型導管架設計過程中常遇到的剩余浮力比不足的問題,按滑移下水導管架的設計技術要求,總結滑移下水導管架的設計難點和要點,提出借助軟性氣囊來助浮導管架下水,以取得良好的下水軌跡和漂浮狀態,針對具體工程項目,數值模擬驗證以軟性氣囊取代鋼性浮筒的技術可行性。

導管架;軟性氣囊;滑移下水;鋼性浮筒;漂浮穩性;拍擊速度

海上作業風險高,為了減少結構海上組對的工作量,海洋平臺往往在陸地上整體預制好,再進行海上安裝。安裝方式一般來說有吊裝下水和滑移下水兩種方式,前者無疑對安裝機具提出更高的要求,大型浮吊不僅租賃費用高,而且在工期的保證上也存在很大的風險。后者采取駁船傾斜,使導管架依靠自重滑移入水,直至與駁船分離并在水中達到穩定狀態。20世紀80年代初導管架滑移下水的數值模擬技術和現場安裝技術趨于成熟［1］。近5年來,我國使用該項滑移技術,已成功安裝約30座大型導管架。

采取滑移下水方式的導管架,很大程度上擺脫了對大型浮吊能力的依賴,使得千噸級的浮吊可以完成萬噸級的導管架海上施工［2］。

滑移下水的導管架較吊裝下水的導管架浮力要求高,所以在設計中不但要考慮導管架在位時的剛度需求,還要滿足安裝工況對儲備浮力的要求。在多數情況下,導管架桿件的直徑被迫增大完全是去滿足安裝時對浮力的要求。因為下水過程中,不僅要關注導管架和泥面之間的間隙,避免由于結構自身的浮力不足,而扎入泥中;還要關注導管架自身穩性,以保持良好的浮態,供下一步扶正作業、連接控制系統和掛扣扶正索具。大型導管架為滿足在位工況的強度要求,圓管的壁厚較大,重量也隨之增加,很難滿足剩余浮力比的要求。常規做法是增加鋼性浮筒,但鋼性浮筒制造、拆除和回收難度較大。為此對導管架配置軟性氣囊進行滑移下水過程的數值模擬。

1 理論基礎

1.1 安裝設計要求

隨著我國對較深水海洋勘探的逐步深入,越來越多的大型導管架(水深大于60 m的導管架,大多躺著建造)被用于油氣田的開發。與世界上目前所有較深水導管架設計相同,為了滿足安裝的要求導管架必須設計成能自浮。導管架的浮力必須大于其重量。這個大于的部分叫著儲備浮力或者剩余浮力比,其定義如下。

式中:RB——儲備浮力比值;

B——導管架淹沒水中的總浮力;

W——導管架滑移重量。

據通常設計規范［3］要求,設計中最小儲備浮力應大于10%。在安裝設計時,導管架不但要具備足夠的浮力,而且這些浮力需要合理地分布,以使導管架在自浮時取得好的浮態并具備有足夠的穩性。往往導管架的頂部缺失浮力較大,要達到導管架頂部翹起的狀態,通常都是采用增加桿件的直徑去達到增加總浮力的目標。但會給導管架在位分析帶來不利影響,這種不利的影響主要體現在兩個方面。

1)直徑的增加降低了桿件抗水壓的能力,桿件需要增加壁厚或加抗壓環來滿足在位設計要求,其結果是增加了桿件的重量;

2)導管架在位時受到的環境荷載主要來自于水線面附近,而波流力的大小直接與桿件的直徑大小有關系,如果能把波浪敏感區桿件的直徑降低就可以有效地降低導管架所受的環境力。然而波浪敏感區正是在安裝中取得水平自浮時需要增加浮力的區域。這是一對矛盾,而解決這一矛盾的最佳方案就是借助外加浮力(軟性浮筒)來完成導管架的安裝設計。

1.2 波流環境荷載技術分析

D(桿件直徑)/t(桿件壁厚)的比值是衡量桿件能否產生凈浮力的一個重要參數。當D/t=30時,桿件產生的凈浮力=0;當D/t小于30時,桿件所產生的凈浮力是負值;當D/t大于30時,桿件所產生的凈浮力是正值,可以抵消自身重量,漂浮在水面上。在目前通常采用的傳統設計理念和設計方法中,在波浪敏感區D/t的選取通常都是在30～60之間,為的就是使導管架的頂部具有充足的浮力,以獲取自浮特性。

根據圓柱體桿件在波浪下受力的經典計算公式(MorrisonEquation):

式中:F——桿件在單位長度上受到的總力;

FD——桿件受到水流力的拖曳力;

FI——桿件受到水質點的慣性力;

Cd,Cm——經驗系數;

w——水的重度;

g——重力加速度;

D——桿件的直徑;

V——流速;

a——水質點的加速度。

流力與桿件直徑成線性關系,慣性力與桿件直徑成平方關系。降低桿件的直徑是降低導管架受力的最直接的方法,特別是降低波浪敏感區桿件的直徑。

以一個典型波浪敏感區的主腿桿件為例。

現設計:桿件直徑(D)=2 500 mm,桿件壁厚(t)=55 mm;D/t=45.5。

優化后設計:桿件直徑(D)=1 600 mm,桿件壁厚(t)=80 mm;D/t=20。

1)受力比較。桿件受到的水流力減少36%,桿件受到的慣性力減少32%。

2)單位長度上鋼重量比較。鋼材重量減少10%,桿件在單位長度上浮力減少60%。

從以上的計算中看出,桿件直徑的減少可以非常有效地降低桿件受力,減小平臺在位期間受到的環境荷載,從而改善結構底層框架和鋼樁的受力,在一定程度上,可對結構進行優化。相對而言,桿件的鋼材重量和桿件的壁厚非常敏感而桿件的直徑敏感度要小一些,桿件的浮力和桿件的直徑非常敏感而與桿件的壁厚無關。在位工況,可考慮平臺強度和疲勞特性的要求,優化桿件直徑,減輕結構重量。在這種設計思路下,結構缺失的浮力可通過外加浮筒來補充,以滿足施工分析等臨時工況的設計要求。

常規外加浮力的措施,都是使用鋼性浮筒,見圖1。

圖1 鋼性浮筒在自扶正導管架上的配置

但鋼性浮筒現場建造費用高,且拆除和回收影響機具的使用,存在一定的風險。船用下水用氣囊具有輕便、耐磨,便于運輸和可重復使用等優點,通過改造后,具備一定的耐壓能力和氣密性,其質量的可靠性已在渤海淺水導管架下水助浮領域得到驗證［4］。軟性氣囊應用于滑移下水導管架是可行的,見圖2。

圖2 典型的軟性氣囊示意

2 項目介紹

該平臺位于東海,導管架為8腿鋼質框架結構,平臺所處水深約83 m,導管架為保持足夠的浮力要求,不僅將底部的12個套筒全部做艙外,還在導管架的頂部布置了8個直徑為2.7 m的鋼性浮筒。導管架均由圓管焊接而成,滑移下水的重量約為9 000 t,使用海洋石油229駁船下水,藍鯨作為海上扶正的施工浮吊,平臺的操作重量約為2萬t,圖3為平臺結構的3D模型。

圖3 平臺結構的3D數值模型

2.1 方案設計

方案設計時重點研究和驗證內容如下。

1)軟性氣囊的耐壓性。滑移下水導管架,下潛深度多數達50 m以上,軟性氣囊能否提供穩定可靠的浮力;

2)綁扎固定的方式。除了要保證氣囊在導管架下潛過程中,能夠固定住,還要保證導管架扶正、座底后有利于作業者拆除。

結合導管架在駁船上的擺放方位,研究把氣囊放置在導管架頂部走道層,此處的拍擊速度較大,能夠滿足驗證抗沖擊性能的需求,而且也有利于后期拆除,見圖4。

軟性氣囊固定于此,待導管架滑移下水時,可以很好地驗證氣囊的耐壓性能。結構在水中達到穩定狀態時,導管架頂部應微微露出水面,方便海上操作人員掛扣扶正索具,進行下一步扶正和座底作業。此次工程驗證,軟性氣囊不兼備調載作用,所以不針對氣囊進行控制系統的設計工作。

2.2 拍擊強度核算

大型導管架設計時,滑移下水中,桿件的拍擊校核是非常重要的校核內容之一,常常因為拍擊強度不夠,要采取改變結構布置或增加桿件尺寸的措施。首要任務是確定拍擊荷載計算方法。

拍擊均布荷載計算公式如下。

式中:ρ——水密度,t/m3;

D——桿件的直徑,m;

v——拍擊速度,m/s。

Cs——拍擊參數,Cs最小值可取3.14,

其中:θ——桿件入水時與桿件的夾角。

L——桿件長度,m;

1.1.1 煙葉樣品 選取2015—2016年農戶于采收期初烤的代表性煙葉樣品407個，包含X2F、B2F、C3F和B2R等4個不同等級，其中，X2F、B2F和C3F各119個樣品，B2R 50個樣品。每個樣品2.0 kg。

f——桿件自振頻率,Hz,

其中:m——桿件自重的均布荷載,kg/m;

E——彈性模量,鋼材取210 GPa;

I——桿件的轉動慣量,m4;

An——取值22.4～15.4,與桿件兩端的約

束形式有關,桿件兩端焊接在弦桿上,約束形式介于固結和鉸接之間。

3 數值模擬

3.1 參數設置

該導管架重約9 000 t,通過套筒和主腿封艙后,浮力為10 776 t,剩余浮力比約為16.5%,大于12%的規范要求。滑移下水駁船選用HYSY 229,船長215m,型深14.25m,船艉壓載4°,使導管架能夠自由滑移入水。采取Moses軟件對滑移下水過程進行數值模擬。見圖5、6。

圖5 導管架擺放船艉數值模擬示意

圖6 滑移導管架翻轉入水示意

3.2 分析結果

導管架在滑移下水過程中,最重要的考察信息即是下潛深度和穩定后漂浮姿態,是反映整個到導管架的浮力分配是否合適的重要參數。綁扎氣囊之后,駁船和導管架的下潛深度隨時間變化見圖7。

圖7 駁船和導管架下潛深度隨時間的變化

最大下潛深度為66.77 m,離泥面還有16 m多的間隙,滿足規范要求。綁扎氣囊前后,導管架下水運動分析的關鍵參數對比見表1。

分析結果表明,導管架頂部翹出水面［8］,可以很好地完成海上的扶正作業。而且位于走道處的軟性氣囊也完全露出水面,方便導管架座底后的拆除。考慮本次工程項目第一次應用軟性氣囊,綁扎氣囊的數量有限,所以對導管架的施工作業的影響微乎其微。

4 結論

1)數值模擬表明,氣囊可以代替鋼性浮筒作為滑移下水導管架提供浮力的一種方式。

2)在布置氣囊時,應盡量放在飛濺區上部和走道區域,這樣一方面可以避開氣囊與陽極發生干涉,另一方面可以方便后期拆除。

表1 導管架有無氣囊下水過程中關鍵參數對比

3)用于導管架滑移下水助浮氣囊,可以不設充、排氣控制系統;在氣囊端部設置手動閥門即可,可以節省成本。

［1］楊曉剛.深水導管架滑移下水的安裝分析技術和設計方法［J］.中國造船,2003(3):259-270.

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［4］辛曉輝,張孝衛,劉玉璽,等.氣囊助浮大型導管架下水可行性研究［J］.石油工程建設,2014(5):26-30.

［5］侯 濤,尹光榮,董志亮,等.導管架滑移下水強度智能分析技術研究［J］.船海工程,2014(3):153-156.

［6］孫承猛,紀卓尚.下水駁船承受氣囊移運貨物載荷實時計算［J］.船海工程,2008(6):49-52.

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［11］俞 銳,邢殿祿.深水導管架下水軌跡的計算與分 析［J］.中國艦船研究,2006(Z1):41-45.

On Application of the Soft Gasbags in Launching of Jacket

ZHANG Xiao-wei,LIU Yu-xi,KAN Zi-heng,YAN Qiong
(Design Division of Offshore Oil Engineering Company,Tanggu Tianjin 300451,China)

The reserve buoyancy is not enough in the large jacket launching design becomes a hard nut to crack.According to the technical requirements for jacket launching,the key points and difficulties in the launching design for jacket structure are summed up.A launching plan is proposed with the help of soft airbags,which can achieve good launching trajectory and good floating status of the jacket.The numerical simulation for a real project verifies the technical feasibility of softer air bags could replace rigid buoyancy.

Jacket;soft gasbags;launch;steel buoyancy tank;float stability;slamming velocity

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.026

U674.38

A

1671-7953(2015)03-0109-05

2015-03-03

修回日期:2015-03-18

張孝衛(1982-),男,碩士,高級工程師

研究方向:海洋平臺設計

E-m ail:zxw@mail.cooec.com.cn