铺管船托管架关键联结部件损伤研究

裴红英

铺管船托管架关键联结部件损伤研究

裴红英

裴红英

海洋石油工程股份有限公司

裴红英，女，本科，1979年09月生，现为海油工程设计公司新技术开发项目管理部技术中心管理室主任，主要从事海洋工程及科技管理工作。

根据海洋石油铺管船托管架关键联结部件（包括Hitch点等）的工况、载荷、材料特性和强度分析，对关键联结部件由于冲击、疲劳、应力集中、腐蚀、温度效应等因素造成的损伤进行了分析研究。指出铺管船Hitch点设计满足铺设工况的静强度要求，但是仍然有许多影响因素需要根据实验或者现场测试进行进一步的分析研究。最后对新建铺管船托管架关键联结部件（包括Hitch点等）的优化方案进行了初步探讨。

托管架（stinger），是海底管道铺设中的重要装备之一，悬挂在铺管船的船尾，在管道下水过程中起到控制管道曲率的作用，防止管道因为在上弯段的弯矩过大而导致的屈服或者破裂。目前，利用托管架的铺设方法已经可以将海底管道铺设到水深3000m以上的海底。

正因为托管架在海洋石油管道铺设中的重要性，所以其质量和安全性历来受到高度重视。例如，参考文献论述了蓝疆号起重铺管船托管架拖挂结构的质量及进度控制；参考文献探讨了深水S型托管架室内模型试验测试技术。

在托管架的各个组成部分中，关键联结部件（包括Hitch点等）的安全性和可靠性，更是必须密切关注的最重要问题之一。其所以是这样，因为这些关键联结部件最容易受到各种各样的损伤。而这些关键联结部件一旦遭到破坏，将造成管道断裂甚至船舶倾覆的灾难性后果。

考虑到这些情况，本文初步探讨了铺管船托管架关键联结部件损伤研究的若干问题。

引起托管架关键联结部件损伤的主要因素

以某铺管起重船为例，简单介绍托管架的设计方案。该铺管起重船铺管作业线布置在船体右舷，管段从主甲板纵向传输线不断传至船首部右舷横移区，在横移区对管端部焊缝位置处理完毕后通过横移区转至主作业线，在主作业线上经过对中站与下水管线对中和完成封底焊接。随后随着船舶前移，经过三个自动焊接站和一个检验站后通过张紧器和涂敷站完成全部工作，最后经由船尾托管架下水。

固定式托管架系统由两节托管架本体、与船尾连接的Hitch点、托管架斜撑及斜撑与船体相连的小Hitch点、A字架、45t绞车及绞车钢缆、连接滑轮组等部分组成。

托管架首端与Hitch点相连，通过Hitch点背面的四个T型插槽和船尾右舷连接，托管架上管线传输滚轮与船体上铺管作业线滚轮中心线对齐，管线依靠这条滚轮传输线支撑下水，管线的入水角度和曲率半径依靠船尾部四个可调支撑滚轮及托管架支撑滚轮高度的调节和托管架整体角度的调节进行控制。首段托管架末端有一个铰接点与托管架斜撑相连，斜撑另一端与斜撑小Hitch 点相连并通过小Hitch点背面的两个T型插槽与船尾左舷相连，斜撑用以承担托管架和管线在水中的水平载荷和限制其水平位移。

托管架系统的布置如图1、图2所示。

图1 托管架系统布置图

图2 船尾Hitch点连接T型插槽和垫块

托管架Hitch点的连接方式如图3所示。

Hitch点结构主体是由150 mm 和200 mm厚的 DH 36级特厚钢板组焊而成，与船体T型插槽连接部分结构是300mm厚的DH 36材料，左右两个T型连接结构中间各有一个小的定位插槽，用于Hitch点安装过程中的定位。

Hitch点结构在整个托管架系统中非常重要，托管架和铺设管线所有的工作载荷、运动载荷都通过Hitch点传递到船体结构。尽管Hitch点与船体尾部连接的T型插槽和定位插槽设计为紧密接触，但仍然存在有一定的间隙。在管线铺设状态下由于船体和托管架在运动中的相互作用，Hitch点受到波浪力、拉力、压力、扭力、冲击等多种载荷的复杂作用，特别是复杂的交变应力和冲击载荷。

在该铺管起重船多次铺管作业中，由于Hitch点结构的因素和外部环境载荷的作用，Hitch点整体结构在定位插槽等部位发生了变形，与船体连接面处焊缝多次出现过裂纹、裂缝等损伤，必须在工程中间不断的修理这些损伤，直接影响到铺管工程的连续实施，造成了很大的时间和资金的浪费。在2007年10月份的最近一次测量结果显示H点定位插槽部位上下端面最大变形偏差达到了34mm。

图3 托管架Hitch点的连接方式

对该铺管起重船托管架Hitch点损伤的初步分析如下。

在2001年对该铺管起重船托管架的设计建造中，国外某公司对浮式托管架系统包括Hitch点进行了整体和局部分析计算。计算选择的工况条件如下：

（1）托管架重力；

（2）浮力；

（3）风、浪、流等作业环境载荷；

（4）船舶运动引起的惯性载荷；

（5）管线铺设工作载荷（通过铺管分析计算，42英寸管线铺设100m水深时的作业载荷是所有工况中对托管架载荷最大的工况）。

通过计算，Hitch点主体结构构件的设计强度全部满足规范要求，但该分析报告并没有准确预测出托管架系统Hitch点的定位插槽在铺管过程中出现的反复损伤。在2004年对该铺管起重船托管架新固定式托管架设计建造中，认为Hitch点整体结构满足要求，并未对Hitch点经常出现损伤的定位插槽部位进行专门分析。由于目前国内对托管架Hitch点在复杂载荷作用下的损伤研究尚处空白，一直未能找到对该铺管起重船托管架托管架Hitch点定位插槽部位撕裂和裂纹产生的主要原因和解决办法，仅仅是每次对损坏之处进行修复。

经过初步分析可以得出结论：造成托管架关键联结部件（包括Hitch点等）损伤的主要因素是：冲击、疲劳和应力集中。

然而经过进一步的分析研究可以得出结论：造成损伤的主要因素除了冲击、疲劳和应力集中以外，还有两个没有引起足够重视的因素：腐蚀和温度效应。

在一般的设计过程中，往往是仅仅考虑腐蚀裕量，而没有考虑腐蚀与其它因素的联合作用。由于这种联合作用，将加速对托管架关键联结部件（包括Hitch点等）的损伤。

而温度效应更易被忽视。造成温度效应的主要原因是日夜温差和季节温差。以渤海海域为例，季节温差可以达到60℃以上。由于热胀冷缩的作用，将加速焊缝等部位裂纹的扩散，其后果不容忽视。

铺管作业时Hitch点定位插槽部位的冲击疲劳分析

由于造成托管架关键联结部件（包括Hitch点等）损伤的最主要因素是冲击、疲劳，下面研究铺管作业时Hitch点定位插槽部位的冲击疲劳分析。

托管架Hitch点（简称H点）与船尾T型之间的周期性接触，将引发施加在托管架H点上的冲击载荷，而托管架H点的损伤是长周期冲击载荷引发的疲劳，与通常意义的金属疲劳略有区别，该种类型的载荷周期距离结构的内固有周期较远，但是由于受到冲击的材料在小能量多次冲击下的破坏过程，也是裂纹萌生，扩展直至断裂的过程，亦为多次冲击下损伤累计的结果，从这个角度来说，具有疲劳特点，因此，多次冲击属于广义的疲劳范畴，国外称它为冲击疲劳。冲击疲劳不同于一般的疲劳强度和疲劳过负荷持久值，它对加载速度、体积效应的反映较大。冲击疲劳是一个介乎冲击与疲劳两门学科之间的一个分支，它既属于冲击范畴，又属于疲劳范畴；可是它不同于大能量下的一次冲击，又不同于应力交变下的疲劳。

国外对多次冲击的研究已经有70多年的历史，国内则于30多年前开始研究。早期研究的实验结果常表示为冲击疲劳寿命与冲击能的关系曲线，但是这些曲线的力学意义并没有得到清晰的阐述，因为在相同的冲击能下，由于试件的几何和刚度不同，试件所受的冲击载荷也不同，因而不能与通常的疲劳曲线相比较，也无法提供可用于构件设计的冲击疲劳强度的数据。

研究表明，冲击疲劳载荷下试件或构件的失效也可分为三个阶段：疲劳裂纹的形成、扩展和断裂。机械工业部上海材料研究所，利用弹簧振动模型和柔度分析模型得到了冲击能量与冲击载荷之间的定量关系，并通过大量实验，得到了高强度钢的动态冲击疲劳性能数据，即冲击能量-寿命曲线，裂纹扩展速率曲线，动态断裂韧度及旋转弯曲疲劳的S～N曲线等。

对于托管架H点来说，它受到的载荷是能量型载荷，而且是交变式的能量载荷，即动态冲击疲劳，因此必须在动态冲击疲劳下来考察托管架H点的强度和寿命。鉴于托管架材料DH36冲击疲劳性能研究缺乏，本文借鉴上海材料研究所对HQ-60钢的冲击疲劳研究结果进行分析。

所用公式如下

且有HQ-60钢旋转弯曲疲劳的S～N 曲线：

其中：B ，W 分别为试样的厚度和宽度，S为试样的跨度。

弹簧振动模型得到的最大试样冲击载荷为：

断裂力学柔度分析得到的试样冲击载荷为：

船尾对H点冲击分析如下。

对冲击能量与载荷的关系，就托管架H点与船尾的如下分析：假设船尾的冲击能量为A，冲击过程中冲击能完全转化为H点插槽的弹性应变能，即为结构柔度。

应用体单元C3D8R对托管架H点插槽和船尾建模，分析中将船尾视为刚体，对其施加速度。应用ABAQUS提供的分析算法，分析船尾与托管架H点插槽的冲击过程。得到了如下分析结果。

图4给出了冲击瞬间的接触面Mises 应力分布。

图4 冲击瞬间的接触面Mises 应力分布

图5给出了冲击过程中H点顶部热点的Mises 应力分布。

图5 冲击过程中H点顶部热点的Mises 应力分布

图6给出了冲击过程中的系统应变能变化。

图6 冲击过程中的系统应变能变化

图7给出了冲击过程中的系统内能变化。

图7 冲击过程中的系统内能变化

图8给出了冲击过程中的系统动能变化。

图8 冲击过程中的系统动能变化

分析结果表明，船尾冲击载荷下H点插槽的应力分布状态与实际的损伤状态十分接近，因此可以认定托管架H点插槽的损伤系冲击疲劳导致。在设计过程中对此需要加以认真考虑。

对新建铺管船托管架关键联结部件（包括Hitch点等）优化方案的建议

（1）新建铺管船托管架关键联结部件（包括Hitch点等）的设计应满足铺设工况的强度要求。

（2）新建铺管船托管架关键联结部件（包括Hitch点等）的设计应考虑由于冲击、疲劳、应力集中、腐蚀、温度效应等因素造成的损伤。

（3）新建铺管船托管架关键联结部件（包括Hitch点等）的优化方案应有必要的疲劳等实验研究以及现场测试加以论证和检验。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.082