深海铺管弃置回收拖拉封头设计

康建伟，李思思

（西安石油大学，西安 710065）

深海铺管弃置回收拖拉封头设计

康建伟，李思思

（西安石油大学，西安 710065）

为保证深海铺管的可靠性，需在恶劣气候条件下将正在铺设的海底管道暂时弃置到海底，待条件好转再将其回收以继续铺设。为了确保回收海底管道时能够准确定位弃置在海底的管道，需要在管道末端安装拖拉封头。设计了一种挂钩式拖拉封头，对其结构和创新设计进行了阐述，并对设计参数进行详细计算和ABAQUS数值模拟。

深海铺管；拖拉封头；结构；ABAQUS

深海铺管技术已广泛应用于海洋石油领域，弃置与回收作为深海铺管技术中的重要课题，通常由于管道定位不准确、施工难度大而难以实现。因此，设计海底管道弃置回收专用拖拉封头具有十分重要的工程意义。

拖拉封头就是在深水铺管作业中安装在海底管线末端的、用于弃置与回收的关键部件。在铺管作业之前要使用拖拉封头弃置海管。在铺管作业进行中，由于海洋气候多变，海洋石油铺管作业要根据天气的变化而做出调整。当遇到恶劣天气时，必须中断铺管，此时就需要用拖拉封头将正在进行铺设的管线暂时存放在海底，待天气好转时再将其拖回铺管船，继续进行铺管作业。在铺管作业结束时也需要用拖拉封头将海底多余管线回收［1］。

1 结构设计

挂钩式拖拉封头结构如图1所示。

1．1 拖拉封头的主体

封头主体的下部与海管连接。首先将海管插入到封头主体下部的内腔中，然后将海管与主体的接触部分焊接。上部与U形结构提升环连接，在封头主体上部实心部分钻1个通孔，插入连接杆与U形结构提升环连接。在封头主体部分有1个环状凸缘结构，用于连接挂钩，使之处于垂直状态，便于回收时的定位。

图1 挂钩式拖拉封头结构

1.2 U形结构提升环

U形结构提升环与封头主体通过连接杆连接，其中U形结构提升环中部用2个矩形结构挡板焊接，2个矩形结构挡板之间有1个圆柱结构，挂钩安装在圆柱结构上，矩形结构挡板不仅能为挂钩提供安装位置，限定挂钩的移动范围；同时能保持U形结构提升环的自身稳定性，避免在提拉过程中发生弯曲变形。其中U形结构提升环下部通孔位置设置成球形结构，以增加钻孔后此处的强度，如图2所示。

图2 U形提升环下部球型结构

1．3 连接杆

连接杆是连接封头主体与U形结构提升环的部件，两端设计成较大的半球形结构，一端的半球形结构与中间柱杆一体化，另一端圆球形结构单独存在，安装时插入中间柱杆后与另一个圆球型形结构焊接在一起。

1．4 挂钩与弹簧

挂钩用于钩住拖拉封头主体上的凸缘结构，这样就能保证U形结构提升环在海中与封头主体的轴线垂直，使U形结构提升环竖直地放置在海底，不至于被海底泥土覆盖，方便回收时直接定位。弹簧的作用是在U形结构提升环没有完全竖直起来时暂时支撑住挂钩。

2 创新设计

本次设计的难点在于挂钩如何钩住封头主体上的凸缘结构，使U形结构提升环竖立。目前在挂钩连接方式上存在不同的拖拉封头，主要有4种。

1） 铰链式 如图3所示，挂钩与基座采用铰链连接，从而使挂钩可以绕铰链转动，实现挂钩与凸缘的钩住与松开。但是此结构需要考虑铰链的受力和工作寿命等因素。

图3 铰链式挂钩

2） 弹簧式 如图4所示，将挂钩用1个小弹簧代替，靠弹簧的拉力使U形结构提升环保持竖直。缺点在于弹簧对拖拉封头能否正常工作起了决定性作用，一旦弹簧受深海环境影响而损坏，很容易导致管线回收工作不能正常进行。

图4 弹簧式挂钩

3） 液压式 如图5所示，此结构在挂钩与基座之间增加1个小型液压装置，在液压的帮助下挂钩钩住凸缘结构。由于增加了液压装置，拖拉封头的制造成本也增加了，同时还要对液压装置进行定期检查，增加了工作量，液压装置的工作性能也对拖拉封头的工作性能产生直接的影响。

图5 液压式挂钩

4） 螺栓式 如图6所示，此结构将挂钩与凸缘结构的连接方式换成螺栓连接，虽然增强了连接的稳定性，可以使U形结构提升环能够保持竖直，但是螺栓的连接工作需要ROV进行操作，这不仅大幅增加了弃置管线的成本，也增加了弃置管线的作业难度。

图6 螺栓式挂钩

本设计将U形结构提升环上的矩形结构设计成2个，中间焊接1个圆柱杆，挂钩与挂钩座是一体结构，挂钩座能够在圆柱杆上上下移动。在U形结构提升环没有完全竖直时挂钩由弹簧支撑，当管线到达预定位置时，U形结构提升环缓慢竖立起来，然后挂钩通过重力压缩弹簧沿着圆柱杆下滑，直到挂钩正好能钩住封头主体上的凸缘结构，保持U形结构提升环竖直在海中，方便回收时的定位。与上述4种结构相比，本设计的优点是：①挂钩与挂钩座一体化，之间没有复杂的小零件，使得加工既方便简单又经济，同时保证工作具有高可靠性；②弃置阶段U形结构提升环的竖立不需要ROV的帮助，使得弃置操作更为简便，同时节省了ROV的使用费用。

3 强度计算

U形结构提升环结构如图7所示。

图7 U形结构提升环结构

3．1 受力分析

如图8所示，根据材料力学超静定问题，在U形结构提升环受力时危险截点位于C、D截面的内侧。

图8 U形结构提升环受力

C、D截面轴力与弯矩如图9所示。

图9 C、D截面轴力与弯矩

拖拉质量35 000 kg，考虑到提升时产生的加速度，提拉力F需要乘以加速度系数1．2，则

3．2 其他尺寸的确定

U形结构提升环下端2个通孔的轴心距下侧矩形结构上端95．15 mm、距U形结构提升环下端2个球形结构球心270 mm，球形结构半径37．5 mm，下侧矩形结构挡板上端距上侧矩形结构挡板下端150 mm，上侧矩形结构挡板上端距U形结构提升环顶端210 mm，2个矩形结构挡板厚度皆为25 mm，长度皆为480 mm，宽度皆为200 mm，两矩形结构挡板中间的圆柱杆直径25 mm。

4 强度校核

1） 构件 U形结构提升环、连接杆和封头主体，如图10所示。

图10 构件

2） 载荷工况 拖拉力4．116×106N。

3） 边界条件 管道下端固定，管道和接头采用过盈装配焊接，如图11所示。

图11 加载点与边界条件

4） 划分网格 采用均匀网格划分［2］，如图12所示。

图12 网格划分

5） 应力 Mises应力分布如图13所示。用有限元数值模拟的方法得到的最大应力发生在如图13所示的连接杆的轴线点，应力值为821．7 MPa，用解析的方法算出的最大应力为1 011．49 MPa，结构强度符合要求。

图13 应力云图

5 结论

1） 设计的挂钩式拖拉封头能够在实际工况下满足深海铺管弃置与回收的要求。

2） 在挂钩的作用下，定位处于海底的拖拉封头更容易，也更利于弃置回收作业的进行。

［1］赵洪山，刘新华，白立业．深水海洋石油钻井装备发展现状［J］．石油矿场机械，2010，39（5）：67-74．

［2］冯加果，李新仲，谢彬，等．基于ANSYS的海洋平台局部构造疲劳寿命评估的网格精度和外推方法研究［J］．石油矿场机械，2011，40（1）：15-20．

Design of Towing Head for Waste Pipeline Under Sea

KANG Jian-wei，LI Si-si
（Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China）

In order for the reliability of laying pipeline in deep sea during bad weather，the temporally waste pipeline should be returned when the weather get better for further use．A specially designed towing head was developed to return the temporary waste pipeline．A hook towing head was designed，and its new design is described，and the detailed parameters and ABAQUS data imitation as well

deep sea pipeline lay；towing head；structure；ABAQUS

TE973．9

A

1001-3482（2014）01-0038-04

2013-07-11

康建伟（1988-），男，陕西宝鸡人，硕士研究生，主要从事海洋石油装备研究。