基于DNVGL-ST-E273的深水预调试模块结构设计

2020-03-27石锦坤张艺凡刘毅高磊

机械工程师 2020年3期

石锦坤，张艺凡，刘毅，高磊

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳518054）

1 深水预调试模块简介

海底管道预调试内容主要包括清管、测径、试压、排水、干燥、惰化过程，新铺设海管在投产前必须进行预调试作业，以实现对新铺设海管的在线检查，确保海管以最佳状态服役。预调试作业能减少海管腐蚀，提高海管使用寿命。通过海管预调试中排水、干燥、惰化能减少输气管道水合物的形成，从而提高海管的流动效率。

深水预调试模块设计工作水深为3000 m，可在0～50℃范围内正常工作，存储温度可满足-20～50 ℃要求。

深水海管预调试系统由六大部分组成：由过滤器、流量计、流量控制单元、阀门、海管连接器组成的自由注水部分；由化学药剂储罐、流量计、阀门组成的化学药剂注入部分；由清管泵、阀门组成的清管部分；由试压泵、阀门组成的试压部分；由ROV液压接口、液压马达组成的液压动力部分；由温度传感器、压力传感器水下数据记录仪、ROV数据接口、水下显示仪组成的数据测量储存显示部分。深水预调试模块整体布置示意图如图1所示。

2 结构撬块设计结构撬块设计

目的是将预调试系统六大部分合理布置，实现所有模块功能的同时避免系统之间管路、阀门及设备的相互干涉。

结构撬块设计尺寸为6 m×2.45 m×2.55 m（长×宽×高），主要结构构件为H200×200×8×12。结构形式分为上下两层：上层高度为0.71 m，底部为框架结构，用于支撑预调试系统的管路及泵设备，管路通过管卡及螺栓与支撑骨材进行固定；下层高度为1.64 m，底部为板架结构，用于布置化学药剂储罐及部分备件箱。在模块设计时，考虑深水海底净水压力对化学药剂罐体的影响，化学药剂罐箱采用柔性材料，外部用槽钢及玻璃钢构成的开放箱体进行形状支撑，并通过螺栓固定在结构撬块上。撬块底部设置带开孔的防沉板。结构撬块形式如图2所示。

本文在结构撬块设计计算时采用数值分析的方法，使用SACS软件分别进行了结构的吊装计算及海上运输计算。结构撬块吊装计算及海上运输计算均满足DNVGL-ST-E273[1]对可移动海上结构单元的要求。

对吊耳结构使用ANASYS软件进行了有限元分析计算，吊耳强度满足DNVGL-ST-E273对结构强度的要求。

3 吊装计算

深水预调试模块吊装施工包括自陆地码头起吊至运输船，自运输船起吊入水，自海面吊装至海底操作位置，自海底回收整个模块至运输船。按照DNV规范的规定，结构撬块强度需满足在整个过程的吊装要求。

吊装分析计算时，在SACS软件中完成整体结构模型，材料及骨材属性如表1所示。

表1 结构模型材料属性

吊装计算时，钢丝绳与水平方向的夹角为60°，吊装计算模型如图3所示。

按照E273规范的要求，吊装计算需考虑在以下3种情况下结构强度满足规范要求（即σe≤0.85Re，其中Re为材料屈服极限）：1) 化学药剂箱100%装载条件下，动态放大系数取2.5计算结构撬块整体强度；2) 化学药剂箱100%装载条件下，结构底部承受水平或垂直的碰撞载荷；3)结构水下回收时，考虑海底吸力影响下的结构强度计算。

因此，在分析计算时对表2所示工况进行计算分析校核。

表2 工况组合

表2中：M=T+P，T为结构撬块重力，P为其他设备重力（包含管路、泵及化学药剂箱）；IMH1、IMH2、IMH3、IMH4为水平碰撞力，为0.05M，分别作用于结构撬块底部四周的骨材，作用力方向为水平；IMV1、IMV2、IMV3、IMV4为垂向碰撞力，为0.08M，分别作用于结构撬块底部四周的骨材，作用力方向为垂直；SUCT为回收时的海底泥面吸附力，为0.9(M-P)。

海底回收吊装计算时，考虑结构水下重力为空气中重力的0.9倍。参考DNV-RP-H103的规定，海底泥面附着力为1倍的结构水中受力。

以上所有工况的计算分析汇总结果表明，结构最大利用因子为0.59，满足E273规范要求。

各工况下结构应力最大利用因子值如图4所示。