海洋铺管船托管架技术研究

贾芳民

（胜利油田胜利石油化工建设有限责任公司，山东东营257064）

海洋铺管船托管架技术研究

贾芳民

（胜利油田胜利石油化工建设有限责任公司，山东东营257064）

托管架是浅海管道铺设中的重要辅助设备之一，文章介绍了胜利油田油建公司自行设计制造的托管架的结构组成和性能参数，对托管架进行了有限元模拟计算，设定了6个工况，计算得出了各部分结构的应力情况，对托管架、A字架和侧拉杆结构进行了相应的优化，优化后的结果满足强度要求。通过对各种方案的比较，提出了一些建议。

海洋铺管船；海底管道；铺设；托管架；结构分析

0 引言

随着科学技术的进步以及人类对海洋石油资源认知水平的不断提高，海洋石油天然气已成为世界石油工业的热点和科技创新的前沿。海洋作为全球油气资源开发的新领域，已经成为全球油气资源重要的接替区。对于我国来说，加速开发海洋石油资源已成为国家未来能源战略的重点之一。

海上开采出的石油天然气主要靠管道进行输送，海洋管道铺设技术在油气集输中的作用越来越重要。托管架是浅海管道铺设中的重要辅助设备之一，其主要作用是工作时承载和传递管道重力，使铺设的管道成S型放到海底。

国内托管架多以国外设计、国内制造为主。中海油的蓝疆号、滨海106、109及中石化的SL901均配有托管架，其中SL901上的托管架为胜利油田油建公司自行设计、制造。国外海上铺管作业起步较早，各种铺管设备已比较完善，铺管船也不像国内多为起重铺管船，可划分为铺管驳船、普通铺管船、半潜式铺管船。托管架作为重要辅助设备是不可或缺的，如荷兰海洋公司的奥尔卡号铺管船（浮吊、铺管和埋管）、蓝鲸号铺管船（浮吊、深水铺管）、海狮1号铺管船（浮吊、深水铺管）上均装有托管架。

本文主要对中石化新建的SL902铺管工程船托管架的自行设计、计算、建造技术进行介绍。

1 托管架的总体结构

胜利油建自行设计制造的托管架于2000年正式安装到SL901上，并在滩浅海施工中（海底电缆，海底输油、输气管道和注水管道工程项目）验证使用。胜利油建公司对托管架不断进行改进，在作业水深5～100 m的SL902上应用了新的托管架结构。

托管架总体结构包括主体机构、变幅机构、滚轮机构、电控机构4大部分。

1.1 主体机构

主体机构由托管架、A字架、斜拉架组成。主体机构是一个承载体，变幅机构安装在主体机构上，它们的功用通过主体机构得以实现，托管架的一端插在铺管船的尾部。

1.2 变幅机构

变幅机构由变幅绞车、滑轮组、吊钩、U型环和钢丝绳组成。以变幅绞车为主，通过电机的转动带动变幅绞车的滚筒转动，收放钢丝绳来提升托管架，从而达到变幅的目的。变幅的幅度大小取决于托管架实际铺管施工的需要。

1.3 滚轮机构

滚轮机构分为U型滚轮和V型滚轮，其高度由实际铺管需求确定。液压缸是机构中的升降动力源，通过调节放在船尾的液压站控制滚轮的升降；铺设过程中也可以对滚轮进行微调，使滚轮都接触到管道。

1.4 电控机构

电控机构包含变幅控制、滚轮承载力闭环控制系统、水深测量系统。

变幅控制。双绞车同步启动实现托管架的变幅控制。两个绞车电机通过变频器控制，两个变频器采用主从控制方式，主机通过主从总线将命令信号和给定值（速度和转矩的给定）发送给从机，从而实现两个绞车的完美同步。主机也可由从机读取返回的状态信息，以确认运行是否正常。

滚轮承载力闭环控制系统。采用承载力闭环控制将避免海上浪涌或其他特殊情况造成托管架上滚轮受力不均，致使某个滚轮受力过大而其他滚轮不受力的情况出现。滚轮承载力闭环控制，通过每个滚轮上的压力传感器实时监测各滚轮的受力情况，并通过控制液压比例阀来控制每个滚轮的液压缸进行相应动作。即如果压力传感器低于设置数值，PLC通过分析自动控制相应滚轮的液压缸顶升使其受力达到设置范围；反之如果压力传感器高于设置数值，PLC通过分析自动控制相应滚轮的液压缸回落使其受力达到设置范围。

水深测量系统。托管架还在中部和尾部装有水深测量系统，对托管架的入水深度和倾斜角度实时反馈，方便施工需要。

2 托管架结构及性能参数

托管架的形状为倒三角形，外形尺寸：长72m、宽4.54 m、高3.5 m。适用管径为159～1 016 mm（裸管），最大工作水深为100 m。

3 托管架的计算说明

3.1 计算软件

考虑到美国ANSYS公司出品的ANSYS系统是国际上首次通过ISO9000认证的大型计算机辅助工程分析软件，在海洋石油工程中已有很多成功应用实例，本次计算主要通过应用ANSYS软件系统实现。

3.2 计算模型

坐标系原点为托管架下部与船体连接两销轴中点，船艉至船艏为X正方，右舷至左舷为Y正方，垂直向上为Z正方。

根据该结构特点，建模中采用管单元PIPE16模拟管结构，杆单元LINK10模拟吊机绳索结构等。结构中托管架（以下称为托管架I）与悬挂段（以下称为托管架II）、侧拉杆与托管架的连接，建模中采用对相同处节点进行耦合相关自由度方式进行仿真。结构的有限元模型见图1。

3.3 计算工况

根据委托方提供的“托管架受力点OFFPIPE分析”文档中提供的数据，考虑海底管道受到的海流有迎流或倒流工况，设定6个计算工况，见表1。

表1 计算工况

3.4 结构参数

3.4.1托管架

托管架I：弦管D 711 mm×19 mm，斜拉杆D 406 mm×14.3 mm，横撑D 406 mm×14.3 mm。

托管架II：弦杆D 508 mm×12.7 mm，斜拉杆D 356 mm×12 mm，横撑D 356 mm×12 mm。

3.4.2A字架

弦杆D 711 mm×19 mm，斜拉杆D 356 mm×12 mm，横撑D 356 mm×12 mm，对称结构。

3.4.3侧拉杆

弦杆D 89 mm×10 mm，斜拉杆D 76 mm×10 mm，横撑D 76 mm×10 mm，弦管间距1 m。

3.5 计算结果

对6个工况计算后，各部分结构的应力如表2所示。

表2 各结构最大应力结果

托管架应力较大区域集中在托管架II下弦管处，A字架应力较大区域集中在A字架上弦管处，侧拉杆结构应力较大区域集中在端部的弦管处。

3.6 方案优化

3.6.1托管架结构优化

托管架结构在工况5时，应力较大。以工况5作为优化工况，保持A字架结构固定，通过变化弦管尺寸，计算弦管的最大等效应力。方案和最大应力计算结果见表3。

表3 托管架结构优化结果

3.6.2A字架结构优化

由于A字架结构中弦管布置可能不对称，以工况5为目标进行两种形式对比计算。结果

见表4。

表4 A字架结构优化结果

3.6.3侧拉杆结构优化

侧拉杆结构的弦管间距有0.5 m、1 m两种形式，由于在原结构工况6下应力较大，因此目标工况选择工况6，计算结果见表5。

表5 侧拉杆结构优化结果

4 结论与建议

托管架结构中，托管架I和托管架II弦管结构应力较大，T5方案中弦管应力较小，为283 MPa。A字架两种结构形式，应力基本变化不大，可根据实际情况选择。侧拉杆结构弦管间距由0.5 m变为1 m后，应力值降低较多，因此建议采用间距为1 m的结构形式。

X70管材的屈服强度485 MPa，安全系数1.67，许用应力为290 MPa。最大应力283 MPa，小于许用应力，满足强度要求。但最大应力接近其许用应力，因此对应力较大区域的弦管进行加强。

[1] 王林.深海托管架概念设计要素研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[2] 张俊亮，王晓波，林立，等.铺管船用张紧器张紧系统分析[J].石油机械，2008，36（9）：167-169.

[3] 吕伟.深水S型托管架设计中的力学问题研究[D].大连：大连理工大学，2009.

Abstract:Stinger is an important auxiliary device in offshore pipelaying vessel.In this paper the structure and performance of the stinger designed and made by Shengli Oilfield Construction Co.is introduced.In EFM simulative calculations for 6 cases,the stresses at each part of the stinger are obtained.The structural optimization of the stinger,“A”shaped frame and side tension rods is conducted and the strengths of the optimized structures meet relevant criteria.Some suggestions are offered after comparing several scenarios.

Key words:offshore pipelaying vessel;subsea pipeline;laying;stinger;structural analysis.

（24）Technical Research on Stinger of Offshore Pipelaying Vessel

JIA Fang-min（SINOPEC Shengli Oilfield Construction Co.,Dongying 257073,China）

TE54

B

1001－2206（2011）02－0024－03

贾芳民（1965-），男，山东滨州人，高级工程师，1990年毕业于石油大学，现从事油田建设工程管理工作。

2011-01-21；

2011-02-12