淺水鋪管駁拖曳設(shè)備設(shè)計及強度評估研究

摘? 要：淺水鋪管駁是海洋油氣開發(fā)的主要施工裝備之一。本文通過一條淺水鋪管駁的拖曳設(shè)備設(shè)計及強度評估案例，介紹了船舶拖航阻力計算方法和拖曳設(shè)備規(guī)格選型，并進(jìn)行拖力眼板、三角板和卸扣的強度分析校核，確保其滿足要求。本文介紹的拖曳設(shè)備設(shè)計、強度評估方法及流程也可為其他船舶及平臺的拖曳設(shè)備設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：淺水鋪管駁；拖曳設(shè)備；強度評估

中圖分類號：U664.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

鋪管船是海洋油氣田開發(fā)建設(shè)的主要施工裝備之一，主要用于在海底鋪設(shè)輸送石油和天然氣的管道，以將開采出來的油氣資源輸往海上或陸上接收裝置。大部分鋪管船還在船尾安裝有大中型全回轉(zhuǎn)起重機，成為起重鋪管船。起重鋪管船除承擔(dān)海底管道鋪設(shè)任務(wù)外，還能從事海上大件貨物吊裝、沉船難船打撈、浮式生產(chǎn)平臺 安裝以及立管系統(tǒng)安裝等作業(yè)。根據(jù)最大鋪管作業(yè)水深的不同，鋪管船又分為淺水（200 m以內(nèi)）鋪管船和深水（200 ～3 000 m）鋪管船。盡管海上油氣開發(fā)正向深水進(jìn)軍，但在淺水區(qū)域，淺水鋪管船仍有其自身的優(yōu)勢而不可或缺[1-2]。淺水鋪管船大多不具備自航能力，由拖船拖帶調(diào)遣，沒有動力定位系統(tǒng)而采用多點錨泊定位，通常也稱為淺水鋪管駁。

因為不能自航，淺水鋪管船不得不依賴拖船拖帶調(diào)遣，實現(xiàn)在不同作業(yè)海區(qū)間的轉(zhuǎn)場、進(jìn)塢檢修等。作為被拖物，淺水鋪管船的結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)性、首尾吃水差、排水和泄水設(shè)施、錨泊設(shè)備、號燈和聲響設(shè)備，乃至消防、救生設(shè)備等需滿足相關(guān)的法規(guī)監(jiān)管要求[3-5]。尤其是拖曳設(shè)備，包括拖力點、拖纜孔、拖曳環(huán)、卸扣等應(yīng)符合拖航環(huán)境的氣象衡準(zhǔn)，具有足夠的保持拖帶方向的能力，且具有足夠的強度不至于發(fā)生設(shè)備本身的破壞。下文以一艘200 m淺水鋪管駁為目標(biāo)船，研究其拖曳設(shè)備的設(shè)備配置、極限負(fù)荷選取，以及設(shè)備的結(jié)構(gòu)強度校核方法，從而為類似船型的拖曳設(shè)備設(shè)計提供參考。

1 目標(biāo)船的拖曳設(shè)備選型設(shè)計

目標(biāo)船為一艘非自航鋪管駁，采用S型鋪管方式，最大鋪管作業(yè)水深200 m，最小作業(yè)水深10 m。在主甲板右舷設(shè)有單節(jié)點鋪管作業(yè)線，主甲板左舷設(shè)置管線儲存區(qū)，船艉右舷設(shè)有一臺固定式托管架。主甲板尾部中央設(shè)有一臺500 t全回轉(zhuǎn)起重機，生活樓設(shè)于船艏，最多可容納320人同時生活居住，如圖1所示。目標(biāo)船掛中國旗，作業(yè)區(qū)域為我國南海、東海、渤海以及東南亞、中東淺水海域，入級中國船級社。目標(biāo)船船長約165 m，船寬48 m，拖航吃水7 m，對應(yīng)排水量約50 035 t，拖航航速不低于9 kN。

1.1 拖航阻力計算

目標(biāo)船的海上拖航總阻力可按下式計算：

式中，Rf——拖航摩擦阻力，kN；

RB——拖航剩余阻力，kN。

摩擦阻力Rf按下式計算：

式中，A1——船體水下濕表面積，9 250 m2；

V——拖航速度，4.63 m/s；

而剩余阻力RB按下式計算：

式中，Cb——方形系數(shù)，0.8805；

A2——水下部分的船體中橫剖面面積，332 m2；

由式（1）～式（3）可計算可得到目標(biāo)船的拖航總阻力為2 355 kN。

1.2 拖曳設(shè)備規(guī)格確定

根據(jù)拖航阻力計算結(jié)果，取拖船的系柱拖力BP=2 400 kN。

（1）主拖纜和備用拖纜

由拖船提供，其最小破斷負(fù)荷等于系柱拖力的2倍，即4 800 kN。

（2）龍須鏈

目標(biāo)船配備1套龍須鏈，由2根龍須鏈、三角板、短纜、連接卸扣及回收纜組成。每根龍須鏈由有檔錨鏈組成，長約30 m，兩端均設(shè)置末端鏈環(huán)和梨形環(huán)。拖力眼板與龍須鏈的梨形環(huán)直接連接，龍須鏈與三角板之間用連接卸扣連接。龍須鏈破斷負(fù)荷5 160 kN，采用φ84 mm有檔電焊錨鏈，材料為3級錨鏈鋼。

（3）短纜

短纜為φ90mm鋼絲繩，破斷負(fù)荷4 860 kN，鋼絲繩兩端配閉式澆鑄索具，一端用連接卸扣與三角板相連，另一端設(shè)置一個連接卸扣與拖纜相連。

（4）拖力眼板

拖力眼板的極限負(fù)荷為6 240 kN，不低于主拖纜最小破斷負(fù)荷的1.3倍。拖力眼板橫軸為鍛件，材料為20CrMo高強度合金鋼，本體為20號碳素鋼。

（5）連接卸扣

連接卸扣的極限負(fù)荷為7 920 kN，不小于主拖纜最小破斷負(fù)荷的1.5倍，并增加10%的沖擊負(fù)荷余量。卸扣為鍛鋼件，材料為20CrMo高強度合金鋼。

（6）三角板

三角板的極限負(fù)荷為7 200 kN，不小于主拖纜最小破斷負(fù)荷的1.5倍。三角板為鍛件，材料為20CrMo高強度合金鋼。

2 拖曳設(shè)備極限強度校核

2.1 拖力眼板強度校核

拖力眼板本體的最小屈服強度σS=235 MPa，擠壓許用應(yīng)力[σcm ]=0.9σS=225 MPa，接觸許用應(yīng)力[σH ]=350 MPa，如圖2所示。

（1）擠壓應(yīng)力校核

拖力眼板的擠壓應(yīng)力按下式計算：

式中，P為極限負(fù)荷，取6 240 kN；S為眼板厚度，取100 mm；D為橫軸直徑，取145 mm。

由式（4）可求得擠壓應(yīng)力為215 MPa，不超過擠壓許用應(yīng)力。

（2）接觸應(yīng)力校核

而拖力眼板的接觸應(yīng)力按下式計算：

式中，E為材料的彈性模量，取200 000 MPa；l為接觸面長度，取110 mm。

由式（5）可求得接觸應(yīng)力為306 MPa，不超過接觸許用應(yīng)力。

2.2 三角板強度校核

三角板材料的最小屈服強度為685 MPa，最小抗拉強度為885 MPa，如圖3所示。

（1）擠壓應(yīng)力校核

三角板的擠壓應(yīng)力按下式計算：

式中，P為極限負(fù)荷，取7 200 kN；S為三角板厚度，取140 mm；D為卸扣橫銷直徑，取145 mm。

由式（6）可求得三角板擠壓應(yīng)力為355 MPa，不超過材料的最小屈服強度。

（2）局部最大應(yīng)力校核

而三角板的局部最大應(yīng)力按下式計算：

式中，R為三角板端部半徑，取160 mm；d為三角板銷孔直徑，取147 mm。

由式（7）可求得三角板局部最大應(yīng)力為545 MPa，不超過材料的最小抗拉強度。

2.3 卸扣強度校核

（1）本體強度校核

材料為Q235A時，卸扣本體的安全負(fù)荷為：

式中，d1為卸扣本體圓鋼直徑，取120 mm；b為卸扣開口寬度，取165 mm。

本卸扣采用20CrMo高強度合金鋼，最小抗拉強度為885 MPa，而材料Q235A的最小抗拉強度僅為430 MPa。另在計算本體的極限負(fù)荷時考慮的安全系數(shù)是5，則可求得卸扣本體的極限安全負(fù)荷為9 900 kN，大于卸扣實際承受的極限負(fù)荷，如圖4所示。

（2）眼孔最大局部應(yīng)力校核

卸扣本體上的眼孔的最大局部應(yīng)力按下式計算：

式中，P為極限負(fù)荷，取7 200 kN；d為眼孔直徑，取148 mm；D為眼孔部分外徑，取300 mm。

由式（9）可求得眼孔的最大局部應(yīng)力為367 MPa，小于材料的最小抗拉強度。

（3）眼孔A-A剖面的拉伸應(yīng)力校核

卸扣本體上的眼孔A-A剖面的拉伸應(yīng)力按下式計算：

由式（10）可求得眼孔A-A剖面的拉伸應(yīng)力為217 MPa，小于材料的最小抗拉強度。

（4）橫銷強度校核

材料為Q235A時，卸扣橫銷的安全負(fù)荷按下式計算：

考慮到橫銷材料抗拉強度不同，以及在計算本體的極限負(fù)荷時考慮的安全系數(shù)是5，則橫銷的極限安全負(fù)荷為9 982 kN，大于卸扣實際承受的極限負(fù)荷。

3 結(jié) 論

本文參照CCS海上拖航指南相關(guān)要求，選擇一艘淺水鋪管駁為研究對象，首先計算拖航阻力，再確定系柱拖力，接著進(jìn)行拖曳設(shè)備的選型，最后進(jìn)行拖曳設(shè)備包括拖力眼板、三角板和卸扣的強度校核。計算結(jié)果表明，目標(biāo)船的拖曳設(shè)備自身的強度滿足要求，并有一定的余量。本文使用的流程也適用于其他船舶及平臺的拖曳設(shè)備設(shè)計。需要指出，拖曳設(shè)備對應(yīng)的船體支撐結(jié)構(gòu)也應(yīng)得到加強，并滿足規(guī)范要求。限于篇幅，本文沒有涉及船體支撐結(jié)構(gòu)的強度校核，實際設(shè)計工作中當(dāng)然不能忽視。

參考文獻(xiàn)

[1] 張磊，武未祥，劉鵬飛.淺水鋪管船發(fā)展概況[J].船舶物資與市場，2021（4）：3-4．

[2] 李含蘋，閔兵，康為夏.鋪管船前景及船型開發(fā)[J].船舶，2009（2）：1-4．

[3] 中國船級社.海上拖航指南2011（GD 02-2012）[S].北京：人民交通出版社，2011.

[4]? IMO. 海上安全拖航導(dǎo)則（MSC/Circular.884）[S].1998.

[5] 中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計使用手冊舾裝分冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1997.

作者簡介：

夏敬停，工程師，主要從事船舶輪機工程專業(yè)研究及設(shè)備檢驗