基于ROV操作的深水多层水泥压块吊放装置设计及应用

2022-04-28张云鹏石锦坤杨盛刘毅杨转

机械工程师 2022年4期

张云鹏，石锦坤，杨盛，刘毅，杨转

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

随着海洋石油工业的发展，水下生产系统分布越来越复杂。水下生产系统中包括各类海底管线、海缆、电缆等，用于输送油气、传输电力和信号。由于海底地形不平、地质复杂、海洋状况多变、过往船舶及水生物的干扰等因素，容易造成管缆的损坏。为确保水下设施正常运转，避免裸露的管缆磨损，防止渔船/水生物等对其造成损伤，使用水泥压块对海管和海缆进行保护是一种较常用的形式[1]。

在海上安装水泥压块时，通常需要用到水泥压块吊放装置。使用施工船舶的吊机钢丝绳连接水泥压块吊放装置，将吊放装置连同水泥压块从船舶甲板起吊，并缓慢下放至接近海床位置。通过操作吊放装置操作杆，快速释放水泥压块，覆盖至海管或海缆表面。完成水泥压块下放操作后，船舶吊机将吊放装置及其上的索具重新回收至施工船舶甲板。

目前，国内海洋石油工程中已设计多种形式的水泥压块吊放装置，已在国内部分海上油气田工程项目得到了应用，具有一定的实践基础。部分吊放装置是基于潜水员操作[2]，部分是基于ROV操作。基于ROV操作的吊放装置有双推杆和单推杆[3]、单层或上下层等形式。在现有的水泥压块ROV吊放装置中，操作最为方便的通常为单推杆单层设计形式，ROV仅需推动一端的推杆，即可释放水泥压块。但是此类吊放装置的局限是每次只能吊装下放1层水泥压块，船舶吊装作业重复低效，造成资源浪费，尤其在深水工程项目中，一次下放吊机的收放时间就高达2 h以上。因此，迫切需要一套高效安装水泥压块的新装置，可以实现一次吊装下放多层水泥压块，应用于深水项目，以提高水泥压块水下安装效率，节约成本。

目前国内还没有关于多层水泥压块水下逐层释放的相关设计和技术，国外工程施工有类似的设计，但没有较系统的研究资料。

依托南海深水流花16-2油田群工程项目，技术人员在以往的工程实践基础上，设计并建造了多层水泥压块吊放装置，并顺利应用于海上施工中，极大地提高了施工效率。本文将对该吊放装置的设计方案、关键技术、有限元分析、海上施工效果等内容进行详细的阐述和总结，以期为今后的相关工程项目提供参考。

1 多层水泥压块吊放装置设计方案

在传统的ROV单推杆吊放装置基础上，创新设计多层水泥压块吊放装置。该装置由吊装框架、中心传动轴、3层限位结构、限位销轴及抽拉缆索、操作杆等结构组成。由限位支座和限位销锁住3层吊带来同时吊装3层水泥压块，再利用ROV操作手柄，推动中心传动轴轴向滑动，依次解锁各层吊带，在水下逐层分别释放并安装水泥压块，如图1 、图2所示。

图1 吊放装置锁定状态示意图

图2 多层水泥压块吊放三维模型

2 多层水泥压块吊放装置关键技术

2.1 限位支座及传动销的设计

水泥压块吊放装置中设有3层长度不等的限位传动销和限位支座槽，传动销通过中心传动轴的滑动依次进入限位支座槽内，预先将3层吊带由下至上卡入支座槽。导向限位门起到导向中心传动轴的作用，同时限制限位销的移动，保证水泥压块稳固锁定。3个限位销分别对应3层吊带的锁定与解锁，拔掉限位销后，ROV可拉动操作手柄使中心传动轴滑动将对应层传动销脱离支座槽，从而解锁对应层的吊带，实现压块逐层释放。

2.2 优化操作设计

图3 限位支座及传动销

每个限位销末端绑有绳索并连接2个尼龙绳头结（Monkey Fist），并将头结卡在吊架两侧钢管的限位板上，配合小钩可以起到拔出回收限位销的作用，回收的位置不影响ROV后续的操作，也不干扰水泥压块的安装。

通过尼龙绳头结进行操作，ROV无需进入吊放装置内侧，在装置外侧边缘处很容易拉动头结将各个限位销拔出，逐层释放水泥压块。ROV水下操作便捷，指令动作少，可靠性高。

3档吊带导向使3层水泥压块的吊带互不干扰，3档吊带导向设置对应各层水泥压块吊带、各层传动销和限位销，便于吊带与吊放装置的连接，操作简单。

3 有限元分析

3.1 设计参数

根据水泥压块吊放装置的吊装及操作需求，确定了以上介绍的基本结构形式，并选用合适的材料。完成结构基本设计后，需要对吊放装置进行强度计算。

根据通常海洋石油工程项目的水泥压块需求，单块水泥压块的质量按10 t计算，吊装的数量为3块，水泥压块的长宽尺寸为6.25 m×3.1 m。

吊放装置采用普通Q235B钢材设计，表1为结构材料的基础参数。

表1 结构材料参数

3.2 基于SACS结构强度分析

使用海洋工程结构计算软件SACS，根据吊装的水泥压块质量计算施加荷载，取吊装动态放大系数为2.0，对多层水泥压块吊放装置进行整体吊装模拟计算。将模型顶部的吊点设置为固定，压块吊带与竖直方向的夹角设置为70°，3块水泥压块的总质量均布于结构两侧钢管挂吊带点进行加载。

计算杆件最大材料利用率UC值为0.63，结构强度满足设计要求。

3.3 基于SolidWorks simulation局部应力分析

应用有限元分析软件SolidWorks simulation模块对多层水泥压块吊放装置销轴处局部结构进行有限元分析。根据吊放装置的结构形式和吊带状态，模拟计算吊带受力Fbelt与中心销轴所受横向拉力Fpin之间的数值关系，Fpin=0.55Fbelt，计算每根销轴所受横向拉力Fpin=0.55×5.32×2.867÷9=0.93 t，如图6所示。

图4 吊放装置外侧结构

图5 整体吊装结构计算模型

图6 吊带与插销受力计算

将横向拉力荷载Fpin施加至销轴进行局部结构强度分析，如图7所示。

图7 销轴局部模型

图8为有限元计算结果云图，由结果可知，不考虑筋板边缘的应力集中点，在挡板和推杆上的最大应力为141 MPa。根据DNVGL-OS-C201规范，许用应力为188 MPa（0.8×Fy）。因此，材料利用率UC=141÷188=0.75，结构强度满足设计要求。

图8 销轴局部应力分析

4 工程应用

在流花16-2油田群工程项目中，需要安装56块水泥压块对水下管缆进行保护。为提高施工效率，国内首次自主设计、建造3层水泥压块吊放装置进行水泥压块的安装。单台ROV操作的情况下平均每块安装时间约125 min，而以往同类型施工作业单层水泥压块安装时间需要210 min，较以往节省85 min，效率提高了近40%。采用该装置安装56块水泥压块需要吊机的起吊回收次数为19次，比传统每次吊装下放1块水泥压块需要吊机的起吊回收次数减少了37次，显著地提高了工作效率，节省了3.3船天，节省成本约50万元×3.3=165万元，取得了良好的经济效益。