连续油管海上作业下放系统研究

2022-03-24张艺凡文子彦位予瑄陈晓东唐婷

应用科技 2022年6期

张艺凡，文子彦，位予瑄，陈晓东，唐婷

深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518057

随着海洋资源开发不断向深水迈进，海底管道在海洋油气资源开采和运输方面扮演着越来越重要的角色。海底管道的完整性和可靠性检查依赖于预调试作业，海底管道预调试作业包括冲水、清洁、内监测、水压试验、排水、干燥和惰化等。连续油管作为一种目前常用的预调试施工技术，将预调试设备布置在施工作业船上，从作业船下放高压注水软管，通过遥控水下机器人（remotely operated vehicle，ROV）或潜水员连接至水下发球筒进行相关的清管试压作业[1-6]。连续油管系统由连续油管滚筒、注入头及其塔架、动力撬、控制室等部分组成，所有设备需布置在甲板月池附近。在常规海上作业中，注入塔架安装于作业船月池位置，连续油管通过注入头的夹持作用力从月池下放至海底[7-9]。因此，这一施工过程对作业船提出了较高限制：首先作业船需具备月池以满足下放，其次最小作业距离对甲板面积提出了较高的要求。本文为解决这一工程作业限制，对连续油管塔架系统进行了研究，设计了一套能够满足连续油管舷侧下放入水需求的塔架系统。通过该塔架系统作业，作业船无需具备月池结构，可通过塔架结构伸出舷外进行下放作业。同时，伸出舷侧下放的设计将系统注入头这部分设备布置在舷外，减少了对甲板面积的需求，增大了连续油管系统进行海上油气作业的适用性。

1 设计指标与参数

典型连续油管海上作业（图1）时在作业船舶甲板的布置如图2 所示。

图1 典型连续油管海上作业示意

图2 连续油管海上作业布置示意

在海上进行预调试施工作业时，连续油管塔架支撑拖拉头，通过鹅脖结构的导向作用使连续油管穿过拖拉头，实现连续油管的下放入水[10-11]。本文设计的塔架系统主要用于支撑连续油管注入头及其连接的下放油管，为满足拖拉头下方作业需求，塔架高度须高于甲板5 m，连续油管中心距离船舷侧不小于2 m。

连续油管的注入头包括握持系统、鹅脖及其支撑结构等，如图3 所示。连续油管注入头尺寸和重量信息如下：长1 300 mm，宽1 300 mm，高6 000 mm，质量7 000 kg，中心位置坐标为（-239,-15,1 401），作业时最大牵引力约为354 kN。

图3 注入头模块示意

连续油管系统其他组成模块示图如图4 所示，其他信息如表1 所示。

图4 连续油管系统其他组成模块示意

表1 其他模块尺寸及质量信息

本文所设计的连续油管作业塔架将注入头模块支撑于舷侧，注入头模块通过底部的4 根管状支撑与塔架结构进行连接，作业时连续油管中心距离舷侧2 m。其下部连接有万向节、连接索具、连续油管等部件，设计最大牵引力为354 kN，如图5 所示。

图5 舷侧下放连续油管布置示意

本次结构设计时以海洋石油285 为目标作业船舶，如图6 所示。海洋石油285 主尺度参数为：总长125.75 m，垂线间长114.6 m，型宽25 m，型深10.8 m，吃水7.7 m。

图6 海洋石油285

2 结构分析

在进行塔架结构设计分析时，考虑以下因素对设计形式的影响：

1）塔架系统支撑注入头的部分需伸出舷外，舷外无法设置支撑，与船舶进行固定的结构设置在舷内甲板上，计算时需考虑结构固定点位置和结构强度。

2）塔架结构整体强度需考虑以下3 种工况：海上作业工况，在该工况下要求船舶横摇纵摇角度均小于5°，作业时注入头作业提升力为354 kN；运输工况，以常规作业船舶HYSY285 为例，根据DNVGL-ST-N001 对船舶运动相应的规定进行运输工况计算[12]，在该工况下不考虑注入头的提升力；海上吊装工况，该工况需满足塔架系统整体吊装强度要求[13-14]。

3）塔架上部和下部均设置预调试作业平台，作业平台周围设置爬梯及围栏，保障作业人员安全。

连续油管塔架三维结构如图7 所示。塔架主体结构为梁结构，在进行塔架整体结构计算时采用SACS 作为结构分析软件，塔架结构设计尺寸如下：长9 200 mm，宽5 000 mm，高6 000 mm。

图7 舷侧下放系统三维示意

在SACS 软件中对主要承重结构建立计算模型，并将附属结构简化为载荷施加在承重结构上，简化后的结构计算模型如图8 所示。

图8 舷侧下放系统SACS 计算三维模型

注入头重力载荷通过DUMMY 单元施加，以便在计算中考虑船舶运动的影响。注入头握持力采用在支撑梁上施加均布荷载的形式，其他附属结构采用点荷载或均布荷载施加，在计算时考虑重量误差系数0.1，加载示意如图9 所示。塔架各部件质量说明如下：塔架本体结构14 000 kg，注入头7 000 kg，拉力测试用梁392 kg，扶手及栏杆4 335 kg，其他附件734 kg。

图9 计算加载示意

在进行海上作业时，由于船舶运动会产生横摇、纵摇和垂荡3 个方向的运动响应，船舶3 个方向的运动会引起结构物对应方向的加速度，船舶运动示意图如图10 所示。

图10 船舶运动示意

按照海上施工要求，在连续油管进行预调试作业时，船舶横摇纵摇角度均为5°，周期为10 s，垂荡加速度为1.962 m/s2。在船舶运输过程中，船舶横摇角度为20°，纵摇角度为12.5°，周期为10 s，垂荡加速度为1.962 m/s2。

针对上述2 种海上作业工况，根据船舶运动理论及DNVGL-ST-N001 规范要求，对船舶运动响应引起的横向、纵向及垂向方向的运动加速度与重力及注入头模块工作时拖拉力进行组合叠加，计算时共考虑48 种工况组合。同时，在计算时考虑了吊装作业时的不利计算工况[15]。以上3 种不同类工况下的结构应力云图如图11 所示。所有工况的计算分析汇总结果表明，在海上作业工况下，结构产生最大利用因子为0.74，满足结构强度规范要求。所有工况下结构分析结果如表2 所示。