基于DNVGL-ST-E273的深水预调试模块结构设计

石锦坤， 张艺凡， 刘毅， 高磊

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳518054）

1 深水预调试模块简介

海底管道预调试内容主要包括清管、测径、试压、排水、干燥、惰化过程，新铺设海管在投产前必须进行预调试作业，以实现对新铺设海管的在线检查，确保海管以最佳状态服役。预调试作业能减少海管腐蚀，提高海管使用寿命。通过海管预调试中排水、干燥、惰化能减少输气管道水合物的形成，从而提高海管的流动效率。

深水预调试模块设计工作水深为3000 m，可在0～50℃范围内正常工作，存储温度可满足-20～50 ℃要求。

深水海管预调试系统由六大部分组成：由过滤器、流量计、流量控制单元、阀门、海管连接器组成的自由注水部分；由化学药剂储罐、流量计、阀门组成的化学药剂注入部分；由清管泵、阀门组成的清管部分；由试压泵、阀门组成的试压部分；由ROV液压接口、液压马达组成的液压动力部分；由温度传感器、压力传感器水下数据记录仪、ROV数据接口、水下显示仪组成的数据测量储存显示部分。深水预调试模块整体布置示意图如图1所示。

2 结构撬块设计结构撬块设计

目的是将预调试系统六大部分合理布置，实现所有模块功能的同时避免系统之间管路、阀门及设备的相互干涉。

结构撬块设计尺寸为6 m×2.45 m×2.55 m（长×宽×高），主要结构构件为H200×200×8×12。结构形式分为上下两层：上层高度为0.71 m，底部为框架结构，用于支撑预调试系统的管路及泵设备，管路通过管卡及螺栓与支撑骨材进行固定；下层高度为1.64 m，底部为板架结构，用于布置化学药剂储罐及部分备件箱。在模块设计时，考虑深水海底净水压力对化学药剂罐体的影响，化学药剂罐箱采用柔性材料，外部用槽钢及玻璃钢构成的开放箱体进行形状支撑，并通过螺栓固定在结构撬块上。撬块底部设置带开孔的防沉板。结构撬块形式如图2所示。

本文在结构撬块设计计算时采用数值分析的方法，使用SACS软件分别进行了结构的吊装计算及海上运输计算。结构撬块吊装计算及海上运输计算均满足DNVGL-ST-E273[1]对可移动海上结构单元的要求。

对吊耳结构使用ANASYS软件进行了有限元分析计算，吊耳强度满足DNVGL-ST-E273对结构强度的要求。

3 吊装计算

深水预调试模块吊装施工包括自陆地码头起吊至运输船，自运输船起吊入水，自海面吊装至海底操作位置，自海底回收整个模块至运输船。按照DNV规范的规定，结构撬块强度需满足在整个过程的吊装要求。

吊装分析计算时，在SACS软件中完成整体结构模型，材料及骨材属性如表1所示。

表1 结构模型材料属性

吊装计算时，钢丝绳与水平方向的夹角为60°，吊装计算模型如图3所示。

按照E273规范的要求，吊装计算需考虑在以下3种情况下结构强度满足规范要求（即σe≤0.85Re，其中Re为材料屈服极限）：1) 化学药剂箱100%装载条件下，动态放大系数取2.5计算结构撬块整体强度；2) 化学药剂箱100%装载条件下，结构底部承受水平或垂直的碰撞载荷；3)结构水下回收时，考虑海底吸力影响下的结构强度计算。

因此，在分析计算时对表2所示工况进行计算分析校核。

表2 工况组合

表2中：M=T+P，T为结构撬块重力，P为其他设备重力（包含管路、泵及化学药剂箱）；IMH1、IMH2、IMH3、IMH4为水平碰撞力，为0.05M，分别作用于结构撬块底部四周的骨材，作用力方向为水平；IMV1、IMV2、IMV3、IMV4为垂向碰撞力，为0.08M，分别作用于结构撬块底部四周的骨材，作用力方向为垂直；SUCT为回收时的海底泥面吸附力，为0.9(M-P)。

海底回收吊装计算时，考虑结构水下重力为空气中重力的0.9倍。参考DNV-RP-H103的规定，海底泥面附着力为1倍的结构水中受力。

以上所有工况的计算分析汇总结果表明，结构最大利用因子为0.59，满足E273规范要求。

各工况下结构应力最大利用因子值如图4所示。

4 吊耳设计

在吊装过程中采用四点吊装形式，吊耳位置位于结构顶部4个端角位置。

通过ANSYS软件对吊耳及支撑H型钢的局部强度进行分析计算，有限元分析的材料模型如表3所示。

表3 结构模型材料属性

计算分析模型包括吊耳及相连的H 型钢，数值计算模型如图5所示。

与吊耳相连的H 型钢端部设置为固定段，结构受力如图6所示。

应力计算云图如图7所示，计算结果表明，结构最大应力值小于许用应力，满足设计规范的要求。

5 海上运输计算

在海上运输时，由于船舶运动引起的横摇、纵摇、垂荡会导致船舶上的设备产生额外的惯性力，这一惯性力的产生会影响整体结构强度及装船固定。在进行海上运输时，分别在结构长度及宽度方向上用码板焊接的形式进行结构与甲板之间的固定。码板的结构形式如图8所示。结构固定点位置如图9所示。

因此在数值分析计算时，综合考虑船舶横摇、纵摇、垂荡组合对结构设计的影响，按照表4所示工况组合进行结构强度计算[2]。

表4中：M=T+P，T为结构撬块质量，P为其他设备质量（包含管路、泵及化学药剂箱）；Fr为船舶横摇引起的水平力，Fr=Mg；Fp为船舶纵摇引起的水平力，Fp=Mg；Fv为船舶垂荡引起的垂向力，Fv=0.3Mg。

表4 工况组合

以上所有工况的计算分析汇总结果表明，结构最大利用因子为0.54，满足E273规范要求。

结构应力最大利用因子值如图10所示。

6结论

本文基于DNVGL-ST-E273规范的要求，设计了可用于深海的海管预调试结构撬块，集成了预调试工作所需的各个功能模块，极大地减少了海上运输所需的甲板面积及海上施工时间。该模块已申请DNV设计及建造认证，并申请实用新型专利。