深水PLET舷侧下放安装系统设计与结构分析

于文太，李 斌，周 楠，倪明晨，汤 珂，高 攀

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.北京高泰深海技术有限公司，北京 102200；3.上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306）

深海油气资源开发能力的建设是我国建设海洋强国的重要组成部分，对于保障我国能源战略安全具有重要意义。然而，我国当前的深水技术能力、装备发展状况与国际先进水平仍有较大差距，尚不能满足我国深水油气资源开发的需求[1]。海底管道终端（Pipeline End Termination,PLET）是连接管线与海底生产设施的重要设备，对于深水油气资源开发十分重要。

通常，PLET一端与海底管道连接，另一端通过跨接管与水下采油树或管汇连接，实现海洋油气的输运[2]。在海洋油气田工程建设中，水下设备的安装难度大、成本高，因此至关重要[3]。PLET的安装主要有两种方式：（1）随海管由铺管船铺设安装[4]；（2）吊装安装[5-6]。采用前一种方式进行安装可以节约安装时间和成本，但其安装的PLET尺寸通常受管线和铺管设施的限制；采用后一种方式成本较高，但其安装作业灵活，安装的PLET尺寸不受限制。“海洋石油201”是我国目前作业能力最强的起重铺管船，但其原有设计中并未配备专门的水下生产设施下放安装系统，对于尺寸较大的PLET只能借助其他船只进行安装[7-8]。叶茂等[9]研究了S型和J型铺管船的功能扩展方案，提出了一套多功能的水下生产设施安装系统。

鉴于我国当前深水铺管和水下安装船只资源紧张的情况，一船多用不失为一项有效的解决方案。文章以“海洋石油201”（HYSY201）铺管船为对象，设计了一套PLET舷侧下放安装系统，使其能够具备独立安装PLET的能力。文章详细介绍了系统的设计概念和详细组成，并基于ANSYS软件进行了结构分析和强度校核，为“海洋石油201”铺管船的PLET舷侧下放系统改造提供技术支撑。

1 PHS概念设计

PLET舷侧下放安装系统（PLET Handling System,PHS）是对HYSY201铺管船现有功能的补充，使其能够在不依赖其他吊装船的情况下独立实现PLET的下放安装。PLET的安装通常需要在管线安装完成后进行，需要将弃置于海床上的海管回收后进行PLET的连接和下放。因此，该PHS系统应具备管线弃置回收能力、PLET管道对中焊接能力和PLET随管线下放能力。

为实现上述功能，基于HYSY201铺管船实际情况和以往工程经验，设计了一种带有A字架的PLET舷侧下放系统方案，该系统主要组成包括PLET对中安装架、管线悬挂锁紧平台和A字架。A字架上安装有滑轮系统，配合铺管船现有A&R绞车，可实现管线的弃置回收和PLET的下放安装，如图1所示。

图1 PHS系统总体设计方案

该方案中，在管线回收和PLET下放的过程中均要用到A字架；利用PLET对中安装架对PLET进行定位对中，以便管线和PLET管之间的焊接对准；同时，采用悬挂夹紧装置确保管线稳定。PLET下放安装的主要步骤：（1）使用A&R绞车将弃置于海床上的管线回收至水面；（2）将回收上来的管线悬挂于舷侧的悬挂夹紧装置上；（3）使用主吊机吊运PLET并将其放置于PHS对中机构上，进行与悬挂管线的对中；（4）将PLET与管线端部进行焊接连接；（5）使用绞车吊起管线和PLET总成，悬挂夹紧装置收回；（6）将PLET与管线一起下放至海底。PLET舷侧下放安装步骤如图2所示。

图2 PLET舷侧下放安装方案

2 PHS系统设计

基于概念设计方案，开展了一系列设计研究，最终确定了PHS系统的总体设计方案，主要包括A字架、支撑腿、调幅液压缸、滑轮系统、对中机构和悬挂锁紧系统，如图3所示。该系统主要设计参数如表1所示。

图3 PHS详细设计方案

表1 PHS主要设计参数

2.1 A字架主体结构

主体结构主要由2根立柱、1根横梁和2个支撑腿组成。支撑腿直接固定在甲板上，甲板处需进行加强改造[8]。在管道弃置回收和PLET下放过程中，缆绳上的张力通过横梁上的滑轮传递至立柱，立柱由支撑腿和调幅液压缸共同支撑。整个主体结构可以承受最大400t的PLET和管线总载荷。

2.2 悬挂锁紧系统

悬挂锁紧系统主要由轨道、悬挂机构、伸缩液压缸、滑动拖链等组成，如图4所示。滑动轨道是悬挂锁紧系统的基础，直接安装于甲板上。悬挂锁紧机构安装于轨道上，可以在伸缩液压缸的驱动下向舷侧外伸和收回，配合绞车系统实现管线回收和PLET舷侧下放。整个悬挂锁紧系统需要液压动力驱动，液压管路可随其滑动，由滑动拖链保护。

图4 悬挂锁紧系统

2.3 滑轮系统

PHS的滑轮系统由横梁滑轮、定滑轮和动滑轮组成，A&R缆绳依次通过动滑轮、定滑轮和横梁滑轮后与PLET相连，如图5所示。动滑轮安装于甲板下侧，可根据需要滑动以适应不同作业工况。定滑轮安装于甲板之上，是动滑轮和横梁滑轮之间的过渡。

3 结构分析

3.1 有限元模型

文章采用ANSYS软件进行PHS结构有限元分析。所有结构均采用SOLID186单元进行离散，该单元类型是一种二阶单元，具有较高的精度。该模型在应力梯度较大的区域进行网格加密，共有215300余个单元，如图6所示。

图5 PHS滑轮系统

图6 PHS结构的ANSYS有限元模型

该结构采用的是DH36钢，其材料屈服极限为355MPa，模型中具体材料参数取值如表2所示。

表2 材料参数

该模型中的边界条件设置主要涉及3个区域：支撑腿底部、支撑腿与立柱的连接、立柱与液压缸的连接。支撑腿底部采取完全固定的约束方式，即约束其所有自由度；立柱与液压缸之间的连接通过将立柱上轴套采用轴支撑模拟实现，轴支撑的具体约束形式如表3所示；支撑腿与立柱之间的连接采用铰接约束模拟，转动刚度为0。

表3 轴支撑的具体约束形式

3.2 分析工况

根据PLET安装流程的分析可知，PLET下放过程中的载荷比管线提升过程中的载荷要大，因此该项目主要针对PLET下放过程进行结构强度校核。根据A字架布置方案，确定以下3种工况，如表4所示。

表4 工况分析

横梁上的滑轮所受的力为两侧缆绳张力的合力，根据绞车、滑轮布置方案，可确定3种工况下滑轮所受的合力大小。以工况1为例，两侧缆绳夹角约62°，计算的合力在X向分量为141091N，在Z向分量为-6707639N，如图7所示。各工况载荷如表5所示。

图7 工况1滑轮受力分解示意图

表5 各工况中滑轮受力

3.3 分析结果

报告中的屈服强度校核是基于米塞斯（Mises）等效应力进行的，Mises应力不能够超过许用应力，许用应力为屈服应力乘以安全系数，根据式（1）计算。

式中：Fy为屈服应力；F.S.为安全系数，根据相关规范取F.S.=0.7。因此，该结构材料的许用应力为248.5MPa。

3种工况下，有限元分析的结果如表6所示。3种工况中的最大应力分别为227.45MPa、234.59MPa和202.2MPa，均满足结构强度要求。各工况中的应力云图如图8～图10所示。

表6 有限元分析结果汇总

图 8 工况1应力云图

图9 工况2应力云图

图10 工况3应力云图

4 结束语

文章基于“海洋石油201”铺管船，提出了一套PLET舷侧下放安装系统设计概念，该概念设计方案具有自动化程度高、结构紧凑等优点；并提出了一套对应的PLET舷侧下放安装方案，该方案作业效率高、可靠性好。另外，还在此基础上，进行了舷侧下放系统的详细设计，针对A字架结构、悬挂锁紧系统和滑轮系统制定了详细的设计方案；整个系统采用液压动力驱动，结构巧妙，操作简便，自动化程度高。通过ANSYS有限元软件进行了结构分析与强度校核，采用铰接约束模拟立柱与支撑腿之间的连接，轴支撑模拟调幅液压缸对立柱的支撑，结果表明，PLET舷侧下放安装系统结构强度能够满足下放载荷400t的作业要求。