膨胀弯海上吊装设计理论方法研究

岳剑峰

摘 要：随着海洋油气资源的开发，海底管道铺设的需求越来越大，海上吊装作业越来越频繁。目前膨胀弯吊装设计基本采用手动计算，无法准确模拟被吊物和吊装索具的真实受力状态。文中通过分析动载系数的计算方法和索具校核安全系数的选取方法，以膨胀弯海上吊装设计为例，运用SACS软件进行仿真计算，得出结构物海上吊装设计的理论和方法。通过某油田开发项目膨胀弯海上吊装设计的实际运用，验证该计算理论和仿真方法满足项目需求，具有可推广性。

关键词：吊装设计;索具;强度校核;动载系数;RAO;SACS

中图分类号：P75           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）05-0074-03

文中以某油田开发膨胀弯吊装设计为例，研究膨胀弯海上吊装设计的理论和方法。海上膨胀弯吊装共分三个阶段：水面上吊装，过水面吊装和水下吊装。吊装过程最危险工况发生在过水面阶段，波浪的起伏运动会造成吊索松弛和张紧，使吊索承受额外动态载荷和附加水张力。文中主要研究动载系数的计算方法和其他安全系数选取方法，通过组合工况，运用SACS仿真计算，校核吊装过程索具吊点位置和吊索长度设计对膨胀弯自身强度的影响，同时根据软件计算索具最大受力值校核索具强度，完成膨胀弯海上吊装设计。

1基础理论

膨胀弯吊装过程需要考虑动载系数，多根索具吊装还需要考虑不均衡载荷系数，重心偏移系数和附加质量系数。下文对各系数计算和选取进行详细分析，同时给出索具设计的基本思路和方法。

1.1动载系数（DAF）

动载系数计算方法有两种，一种是过水面动载系数（DAF）计算法[1]，另一种是空气中动载系数（DAF）计算法[2]。实际吊装设计项目中，一般取两种计算方法中最大值作为动载系数。

1.1.1过水面动载系数（DAF）计算

海上吊机起吊速度选取0.25m/s，有义波高（取1.85m，吊装作业一般选择迎浪作业，这里选取两种浪向动态响应算子（浪向180°和浪向165°）用于计算，取值波浪周期范围在6～13s[1];起吊船动态响应算子（RAO），一般通过水动力仿真计算获得。

1.1.1.1膨胀弯过水面吊装动态载荷计算

膨胀弯吊装过程主要考虑以下工况：

（1）膨胀弯在静水面之上;

（2）膨胀弯通过静水面，部分没入水中;

（3）膨胀弯在静水面之下。

膨胀弯吊装过程中，质量引起的动态载荷主要考虑膨胀弯空气重质量、附加水质量、排水体积质量、吊机顶部位置船体动态响应引起的加速度和水质点加速度等因素影响，具体见以下计算式[1]：

膨胀弯吊装时受水拖曳力计算公式如下[1]：

膨胀弯吊装过水面动态载荷计算如下[1]：

1.1.1.2膨胀弯吊装过程中索具松弛判断

膨胀弯吊装过程中，由于波浪引起船体的不断晃动，会造成过水面时吊装钢丝绳会松弛，判断钢丝绳是否会松弛的计算公式如下：

膨胀弯在静水面之上时，满足以下公式钢丝绳不松弛[1]：

膨胀弯在静水面之下时，满足以下公式钢丝绳不松弛[1]：

1.1.1.3膨胀弯吊装动载系数计算

最大静载计算公式如下[1]：

总载荷计算公式如下[1]：

起吊船吃水5.425m 时，相应RAO下吊装动载系数（DAF）计算如下[1]：

1.1.2空气中膨胀弯吊装动载系数（DAF）计算

由于膨胀弯总重在3吨和100吨之间，空气中动载系数计算如下[2]：

1.2仿真计算系数选取

根据过水面吊装动载系数计算和空气中吊装动载系数计算，取最大动载系数作为仿真计算依据，最大动载系数（DAF）为1.558。由于吊装过程的不确定性，需考虑不均衡载荷系数（SKL）和重心偏移系数，分别取值1.25和1.1[2];如果重量没有经过精确称重，需要考虑附加质量系数 （WCF），取值1.1[5]。

1.3吊索设计强度校核

SACS仿真模拟得出的钢丝绳轴向力需要满足以下公式[2]：

其中安全系数满足以下公式[2]：

式中主要包含载荷系数、风险系数、折减系数、损伤系数和材料系数。考虑到吊装载荷并不一定完全考虑周全，取载荷系数;考虑钢丝绳吊装过程存在局部失效风险，取风险系数;折减系数主要是考虑钢丝绳末端结构对钢丝绳影响，不同类型的端头钢丝绳的折减系数不同，这里钢丝绳的端头采用压制鸡心环方式，折减系数取;损伤系数是指索具频繁使用磨损系数，如果经过检验后使用，损伤系数取;对于钢丝绳材料系数一般取。总体安全系数取两种安全系数计算最大值。

1.4卸扣和调整链吊装设计校核

卸扣和调整链，采用同一种校核方法，计算动载荷不超过以下公式计算最小值[2]：

（1）SWL×DAF.

（2）MBL/3.0.

（3）试验载荷不小于2× SWL

式中SWL为安全工作载荷，一般从索具样本获取，MBL为破断载荷，同样从索具样本获取。

2 模型分析

采用SACS建模，并对膨胀弯模型进行简化处理，密度采用等效密度法，膨胀弯建模时只考虑基本管尺寸，不考虑外层管、PE层和水泥层厚度，需要把PE和水泥层重量换算成密度添加在模型上。管的等效密度计算如下：

每米长管的体积计算如下：

膨胀弯等效密度计算如下：

法蘭没有建出具体模型，通过质量点的形式加载在模型上。

模型共包含20个节点和22个单元，单元均为环形截面，钢丝绳采用柱状刚性体模拟。

3 工况选取及边界条件分析

3.1工況设计

工况采用组合工况，考虑自重和点载荷同时，需考虑不均衡载荷系数（SKL）、重心偏移系数（CoG IF）、附加重量系数（WCF）和动载系数（DAF），具体计算如下：

LC-D： （SW+JL1+JL2+2*JL3）* WCF*SKL* CoG IF*DAF

3.2边界条件处理

吊点位（LFT）约束掉x，y，z平动，释放掉其转动（111000）;索具与膨胀弯连接位释放掉6个自由度约束;膨胀弯两端x，y平动上各加两个1kN的弹簧约束力，用于模拟止晃绳止晃。

边界条件加载模型图见图2。

4 结果分析

在SACS中运用规范API RP 2A进行强度校核，分析吊装过程中膨胀弯各分段的UC值，均不能超过1，一般建议不超过0.85，如果UC值过大，需要重新调整膨胀弯上索具固定点的位置或者调节吊索绳长，至UC值≤0.85为止。通过SACS计算，得出单根钢丝绳最大受力为167 kN，吊点处最大受力473 kN，该值可用于索具设计和强度校核。

5 索具设计

根据SACS计算结果设计索具组成，索具组成需考虑海上吊装及水下ROV索具拆装施工便利。同时根据2.3和2.4节理论计算，校核索具强度是否满足海上吊装需求。

5.1吊装设计

根据有效长度、吊索受力情况、膨胀弯形状和吊机类型选择索具，主要包含吊带、ROV吊钩、带子母吊环的4腿索具、手拉葫芦和卸扣。ROV钩主要用于膨胀弯水下吊装，方便ROV水下解钩;手拉葫芦主要用于调整绳长，通过调整绳长保证膨胀弯起吊过程中处于水平状态。详细索具组成见图3。

5.2索具强度校核

索具强度校核时，吊带打双负载按总载荷的55%计算;卸扣安全系数一般取6，当卸扣安全工作载荷大于85吨时安全系数取4，具体参考索具样本;吊环和手拉葫芦的安全系数一般按4倍选取;钢丝绳安全系数根据上文计算公式选取。具体校核方法，按上文2.3和2.4进行。

6 结论

文中通过理论分析和研究，得出一套包括动载系数（DAF）、不均衡载荷系数（SKL）、重心偏移系数、附加质量系数的计算和选取方法，整理出索具设计和强度校核的计算理论。通过运用SACS软件仿真，校核计算膨胀弯在载荷工况下的强度，是否满足设计要求;计算结果可输出吊索最大轴向力及索具设计长度，根据输出结果进行吊装设计，并根据索具校核的原理和方法，对吊装索具进行强度校核。该套理论已应用于某油田建设项目，成功完成48段膨胀弯海上吊装，取得不错的效果。膨胀弯海上实物吊装见图4。

参考文献：

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[2] DNV-OS-H205. Lifting Operations（VMO Standard - Part 2-5） [S]， April 2014

[3] DNV-OS-C101. Design of Offshore Steel Structures， General （LRFD Method） [S]， July 2014

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基金资助来源：广东省重点领域研发计划项目。