基于DNV GL规范的海底管道铺设索具设计及应用

户 凯李建楠赵 刚李 斌高庆有刘 凯

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

海洋工程中常常涉及结构物吊装、海底管道铺设等作业，这些作业均需使用索具连接完成。在铺设海底管道时，常使用钢丝绳和卸扣等索具，索具设计对保障施工安全至关重要。特别是对于深水海底管道铺设，由于水深较深，铺设所需张紧器张力较大，并且深水海况恶劣，因此索具设计的安全性更为重要。

常用索具有钢丝绳和卸扣等。钢丝绳是由钢丝螺旋捻制而成的，广泛应用于海洋工程中。钢丝绳根据绳端接头形式可分为压制钢丝绳、插编钢丝绳、环形钢丝绳等。钢丝绳的公称抗拉强度等级可分为1 570 MPa、1 670 MPa、1 770 MPa、1 870 MPa和1 960 MPa等。钢丝绳抗拉强度等级并不是越高越好，高抗拉强度等级高的钢丝绳承受载荷和抗挤压能力较好，但韧性较差，钢丝较脆，承受弯曲和扭转的能力较差[1]。钢丝绳在不同的使用场所的安全系数计算方法不同。安全系数也受钢丝绳自身结构形式、使用方法、材料性能、冲击性等因素影响[2]。卸扣主要用于钢丝绳之间、钢丝绳与结构物吊点之间以及钢丝绳与海管封头之间的连接。

本文以DNV GL规范为依据[3-4]，介绍了海底管道铺设涉及的吊装作业和海管铺设作业中的索具设计方法，并应用到南海某深水海管铺设项目中。

1 索具设计依据

索具的承载能力和损伤情况关系着生产设备的安全运行和操作人员的人身安全。海底管道铺设过程中的吊装作业和海管铺设作业中索具的合理设计选型对于保障施工安全至关重要。本文索具设计方法采用规范DNVGL-ST-N001 Marine Operations and Marine Warranty和GL NOBLE DENTON 0029/ND Guidelines for Submarine Pipeline Installation。本文将两个规范统称为DNV GL规范。规范DNVGLST-N001和GL NOBLE DENTON 0029/ND分别对吊装作业和海管铺设作业中的索具设计做了详细的规定。

2 吊装作业索具设计

海管铺设施工时会涉及一些小型结构物吊装作业，比如海管、海底管道终端(PLET)、水下管汇等的吊装。基于DNVGL-ST-N001规范对吊装索具设计方法进行研究。

2.1 钢丝绳索具设计

2.1.1 受力分析

在索具设计时所用的力为索具使用时的最大动态力，该力可以通过专业软件模拟得到，但有时软件模拟需要投入很多人力和时间[5]。因此，可以通过DNVGL-ST-N001规范中动态放大系数(dynamic amplification factor，DAF)来计算所需的最大动态力。

索具的使用方式不同，也会影响到受力分析。钢丝绳对折使用或者使用环形钢丝绳时，在钢丝绳弯曲处会受到摩擦力的影响，因此在弯曲处两侧钢丝绳受力不均匀，钢丝绳受力按照45∶55的比例分配，如图1所示，即钢丝绳受力分析时应当考虑0.55倍系数[3]。

2.1.2 安全系数选取

1) 吊装系数(lifting factor，γf)[3]

吊装系数通常取1.3。对于索具承受的环境载荷(如风、波浪、海流等)，可以详细计算的情况规范也给出了吊装系数的计算方法。

2) 后果系数(consequence factor，γc)[3]

后果系数通常取1.3。对于吊装作业，单根钢丝绳断裂不影响整体结构物的吊装作业，后果系数可适当减小。

3) 折减系数(reduction factor，γr)

图1 钢丝绳受力分析

在钢丝绳结构的绳端和弯曲处，钢丝绳的强度会有所折减。折减系数分为端部折减系数和弯曲折减系数。对于钢丝绳的同一部分[钢丝绳的主体(sling body)或者琵琶头(sling eye)]，折减系数应取端部折减系数和弯曲折减系数中的最大值。

图2 钢丝绳结构

(1) 端部折减系数(termination factor，γs)。

对于钢丝绳绳端不同的接头形式，端部折减系数取值也不相同。当钢丝绳绳端是插编接头时，端部折减系数取1.25(对于六股钢丝绳插编接头，端部折减系数取1.33)，是压制接头时端部折减系数取1.12，是浇铸接头时端部折减系数取1.00[3]。

(2) 弯曲折减系数(bending factor，γb)。

钢丝绳与卸扣、滑轮、滚筒、吊钩等连接时，会由于弯曲而产生弯曲应力，而弯曲应力是影响钢丝绳寿命的主要因素。弯曲应力会使钢丝绳的强度减弱，因此安全系数应当考虑弯曲应力的影响。与钢丝绳连接结构的直径不宜过大或者过小，直径过大，会对钢丝绳接头产生不利影响；直径过小，会使钢丝绳琵琶头承载能力减弱。DNVGL-ST-N001规范中推荐钢丝绳琵琶头长度不小于钢丝绳直径的10倍并且琵琶头内部张开的角度不超过20°。

弯曲折减系数计算公式为[3]

式中：d为钢丝绳直径，mm；D为与钢丝绳连接结构(如卸扣、滑轮、滚筒、吊钩等)的最小直径，mm。

由表1可知，钢丝绳端部折减系数一般比弯曲折减系数小。钢丝绳主体和琵琶头的安全系数的差别主要是弯曲折减系数，当钢丝绳主体部分不受弯曲应力时，即γb=1，若此时琵琶头处弯曲折减系数γb=2，则钢丝绳主体和琵琶头的承载能力相当。γb=2，也即D=d，钢丝绳直径和与其连接结构直径相等。由此可知，当D＜d时，琵琶头承载能力较小；当D＞d时，钢丝绳主体承载能力较小。DNVGLST-N001规范中规定[3]，在任何情况下，与钢丝绳主体连接结构的直径都应不小于钢丝绳直径。与钢丝绳琵琶头连接结构的直径可以小于钢丝绳直径，但也不推荐这种做法，此时的弯曲折减系数将会大于2.0。为了让钢丝绳琵琶头处于良好的状态，规范推荐将钢丝绳琵琶头与不小于钢丝绳直径2倍的结构连接，保证琵琶头承载能力强于钢丝绳主体承载能力。

表1 弯曲折减系数[3]

另外，钢丝绳两端的琵琶头弯曲折减系数可能不相同，应当取弯曲折减系数最大的来计算安全系数。

4) 材料系数(material factor，γm)[3]

对于取得一般金属材料认证证书的钢丝绳，材料系数至少取1.5。对于崭新的且取得了欧盟授权机构签发的EN10204-3.2证书的钢丝绳，材料系数可取1.35。γw)[3]

5)磨损及应用系数(wearand application factor，

对于满足检验要求的钢丝绳，该系数应取1.0。对于频繁使用且未经过全面检验的钢丝绳，该系数至少取1.1。

2.1.3 钢丝绳设计方法

钢丝绳安全系数计算式[3]：

式中：γsf为钢丝绳的安全系数。DNVGL-ST-N001规范中规定钢丝绳安全系数通常大于2.3。

钢丝绳设计选型公式如下[3]：

式中：FSD为钢丝绳受力，对于对折使用的钢丝绳和环形钢丝绳，该力为单根绳受到的力。MBL(minimum breaking load)为钢丝绳破断拉力，通常由钢丝绳生产厂家提供。环形钢丝绳破断拉力通常是指整个环形钢丝绳的破断拉力，因此在使用式(3)时应当将环形钢丝绳破断拉力乘以50%。

根据式(3)可知，已知钢丝绳受力情况和安全系数，可以得到所需钢丝绳破断拉力，查阅相关索具产品手册即可得出满足要求的钢丝绳规格。

2.2 卸扣设计

卸扣设计载荷T应满足下式要求[3]：

式中：WLL(working load limit)为卸扣极限工作载荷，是静态载荷；DAF为动态放大系数；MBL为卸扣最小破断载荷；Tt为卸扣试验载荷。

卸扣极限工作载荷WLL从生产厂家索具产品手册中获得，通常以吨(t)为单位。卸扣的安全系数，即MBL/WLL，也由生产厂家提供，根据卸扣安全系数可求得MBL。卸扣试验载荷Tt规范中规定[3]，当WLL≤25 t时，卸扣试验载荷Tt=2×WLL；当WLL＞25 t时，卸扣试验载荷Tt=1.22×WLL+20 t。有些卸扣生产厂家对WLL＞25 t的卸扣试验载荷仍采用2×WLL，具体情况应当以生产厂家所提供的试验载荷为准。

3 海管铺设索具设计

在海底管道铺设过程中，起始铺设、终止铺设以及临时弃管及回收海管时，均需要用到钢丝绳等索具与海管封头连接，对海管进行下放或者回收作业。基于GL NOBLE DENTON 0029/ND规范对铺管索具设计方法进行研究。在索具受力分析时，所采用的力为铺管时的最大动态力，该力可通过铺管计算分析软件得到。

GL NOBLE DENTON 0029/ND规范针对海管铺设作业索具安全系数，主要考虑端部折减系数、弯曲折减系数、载荷系数和材料系数[4]。不同铺管工况下，载荷系数和材料系数的取值也不相同，如表2所示。规范中根据铺管过程中海管内是否充水，将铺管工况分为空管铺设、计划充水铺设和意外充水铺设。为了保证海管铺设作业安全，对于空管铺设应当考虑海管意外进水后的充水铺设情况，因此，空管铺设的索具安全系数应当考虑空管铺设和意外充水铺设两种情况。

表2 索具安全系数[4]

4 应 用

南海某深水海底管道铺设项目包含6 in和12 in海底管道铺设以及4个PLET安装。PLET最大重量为45.4 t，PLET吊装采用四分支吊装形式并配有吊装框架。作业海域水深为520～1 120 m。海管铺设所使用的铺管船是海洋石油201船，该船具有DP定位系统。根据DNV GL规范，完成了海管铺设、PLET安装、海管吊装、PLET吊装等的索具设计。表3、表4和表5给出了部分索具的设计结果。索具设计结果在深水海管铺设施工过程中得到了很好的应用，保证了海上作业安全。

表3 吊装钢丝绳设计结果

表4 海管铺设钢丝绳设计结果

表5 卸扣设计结果

5 结 语

通过对DNVGL-ST-N001规范和GL NOBLE DENTON 0029/ND规范中关于索具设计相关规定的研究，总结出一套海底管道铺设索具的设计方法。海管铺设主要涉及小型结构物吊装作业和海管铺设作业，针对两种作业工况，分别给出了钢丝绳索具设计安全系数计算方法。通过在南海某深水海管铺设项目中应用，成功指导了深水海上安装索具设计选型，证实了索具设计方法的可靠性，对于保障海上施工安全具有重要意义。