海管膨胀弯吊装位置选取探究

57卷增刊12016年11月中国造船SHIPBUILDINGOFCHINAVol.57Special1Nov.2016文章编号：1000-4882(2016)S1-0347-09海管膨胀弯吊装位置选取探究武賦賦，韩敬艳，杜颖，姜宇飞，高军伟(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)摘要海管膨胀弯是海底管道平管与立管相连的纽带，其安装可靠性直接影响平台外输的安全性；因此，降低安装时变形量和保证吊装时强度是施工设计的主要目的。以BZ29-4WHPC平台混输管线膨胀弯吊装计算为例，介绍SACS与DNV规范相结合的膨胀弯吊装计算方法，并总结出吊装位置选取的规律，不仅保证了吊装安全性、提高了施工效率，更为今后类似项目提供了经验借鉴。关键词：海管膨胀弯；吊装计算；吊装位置；规律中图分类号：P752文献标识码：A0引言海底管道是连接海洋平台与陆地终端的纽带，是海洋工程重要的组成部分，海底管道分为平管、立管和膨胀弯，而膨胀弯是连接立管和平管的桥梁，是能够吸收海底管道膨胀或收缩的弯管[1]，有时将其归为立管的一部分，但安装时需要分段独立安装。在详细设计阶段，根据平管路由及立管在平台上的方位确定膨胀弯的形状，并依据DNV-OS-F101规范要求，采用SUSPEND软件进行吊装强度设计。但在施工阶段，由于平管铺设及立管安装的误差，都会在施工现场进行实地测量后对最后一节膨胀弯进行现场预制后安装[2]，这需要对膨胀弯吊装进行施工设计；SACS软件与DNV规范相结合的膨胀弯吊装计算方法使施工设计效率提高了一大步，而总结吊点设置规律对提高计算效率达到一次通过率起到事半功倍的效果，并有着重要的现实意义。另外，在详细设计阶段特别是对于带有弯头的较长膨胀弯的设计，会在弯管段设置撑杆，以防止吊装过程产生变形；而在后期施工设计阶段，为方便施工、减少工期，会对吊装设计做进一步校核，通过合理设置吊点，在确保强度及限制变形量的情况下尽可能减少撑杆数量。1膨胀弯分类根据不完全统计，自2013年至2014年，在BZ29-4WHPC平台混输管线工程中安装的膨胀弯有90节之多，这些膨胀弯根据注水管线、混输管线、气管线的不同，分为双层管和单层管，截面如图1。根据节数的不同分为一节膨胀弯，两节膨胀弯和三节膨胀弯；根据膨胀弯的空间形式，分为平面膨胀弯和带“鹅头”的膨胀弯。平面膨胀弯是指所有膨胀弯在一个平面内，如图2所示，其又分为无弯头直管膨胀弯、一弯头和两弯头的膨胀弯。而带“鹅头”的膨胀弯是指所有膨胀弯不在同一平面内，有一部分348中国造船学术论文管段出现在高度方向上，如图3所示。图1膨胀弯截面图吊钩(a)无弯头直管膨胀弯(b)两弯头膨胀弯吊钩(c)一弯头膨胀弯图2平面膨胀弯平面内的膨胀弯比较常见，膨胀弯的形状受海管平管和立管相对位置的影响；膨胀弯多数情况下都比较长，一般会分节安装，每节膨胀弯之间通过法兰进行连接，其通过弯头来调整平管和立管间的相对距离；由于弯头数量的不同，会导致每节膨胀弯形状上的差异；而具有相同数量弯头的膨胀弯，也会由于长度的原因导致吊点的个数不同，如图2(c)所示。57卷增刊1武斌斌，等：海管膨胀弯吊装位置选取探宂349吊钩图3带“鹅头”的膨胀弯带“鹅头”的膨胀弯的设计变化多由于海底不平引起，也会受立管和平管高度差的影响。区别于平面内膨胀弯吊装位置的选择，这种膨胀弯的吊装位置设置还需要考虑“鹅头”部分的重量。2膨胀弯吊装计算选择BZ29-4WHPC平台至BZ35-2CEPA平台间混输管线，以BZ29-4WHPC侧膨胀弯吊装计算为例，参考设计图（图4);此处膨胀弯分为两节，两节膨胀弯均有一个弯头，取第一节膨胀弯（即与平台立管相连的膨胀弯）进行吊装计算，该膨胀弯为双层管,截面参数见表1。图4BZ29-4WHPC侧膨胀弯350中国造船学术论文表1膨胀弯设计参数名称描述参数外径/mm355.6内层管壁厚/mm管材等级14.3API5LPSL2X65(HFW)屈服强度/MPa448材质PUF隔热层壁厚/mm30密度/(kg/m3)40〜60外径/mm457套管壁厚/mm14.3管材等级API5LPSL2X65(HFW)屈服强度/MPa448材质3-layerPE防腐层壁厚/mm3.1密度/(kg/m3)9402.1SACS吊装分析2.1.1模型建立采用SACS软件建模，其包含了膨胀弯和钢丝绳，膨胀弯内管、隔热层和防腐层采用等效密度的方法模拟重量，杆件外径及壁厚与套管一致。SACS软件无法建立弯管模型，建模时采用以直代弯的方法，必要时可以在建模中将节点建得密集一些，以保证其精度。膨胀弯吊高为30m,根据API规范要求，钢丝绳水平角度大于60°。2.1.2边界条件将吊钩进行完全约束，为了避免计算分析中发生刚度矩阵的奇异性，在膨胀弯两端设置弹簧单元，模型参见图5。吊钩2.1.3荷载加载膨胀弯钢管结构自重DEAD(DEAD为结构自重的荷载标识）由程序自动计算，膨胀弯两端以集中力的方式加载法兰重量，膨胀弯1节点处为旋转法兰(重0.1619t)、10节点处为焊颈法兰(重0.2549t)。57卷增刊1武斌斌，等：海管膨胀弯吊装位置选取探宂3512.1.4结果分析计算时采用大变形分析模型，吊装过程中结构的位移变形及受力情况是关注的重点，下面从这两点进行分析。(1)结构位移表2为软件输出的位移结果，单位cm，从表中可以看出最大位移值为0.396cm，出现在5号节点，从模型图可知5号节点为膨胀弯的拐点，出现峰值属正常现象。表2位移结果节点工况X方向位移/cmr方向位移/cm■Z方向位移/cm1COM-0.0386790.14464120.12311142COM-0.0386790.13446990.07641383COM-0.03867920.112505-0.03711164COM-0.03925440.0712597-0.33166465COM-0.0395740.0664947-0.39605246COM-0.04438270.0820102-0.13519717COM-0.04733210.0917699-0.05697128COM-0.06048990.1365014-0.02880179COM-0.06729660.1600801-0.119038610COM-0.07044820.1709975-0.1689123(2)杆件受力结果表3为软件输出的杆件力和弯矩的结果，提取出杆件轴力最大值，计算出最大功能弯矩值（即最大合弯矩）用于下一步规范校核，并根据规范计算出相应的杆件UC值（UC值为杆件应力比值)。表3杆件受力及弯矩结果杆件号杆件端点工况X方向力/kNr方向力/kNz方向力/kNX方向弯矩/(kN•m)r方向弯矩/(kN•m)z方向弯矩/(kN•m)1-21COM00-1.620002COM00-2.770-2.0909-109COM003.70-2.97010COM002.550002-32COM0-0.01-2.770-2.0903COM0-0.01-8.460-13.59-0.033-43COM-5.080.5612.440.51-13.67-0.134COM-5.080.56-0.050.5114.212.44-54COM-5.080.56-0.050.5114.212.45COM-5.080.56-6.980.515.423.85-65COM-5.04-0.87-6.98-1.015.353.86COM-5.04-0.87-13.92-1.01-20.771.636-76COM-5.04-0.87-13.92-1.01-20.771.637COM-5.04-0.87-16.69-1.01-36.080.767-87COM-2.34-0.2310.46-0.49-360.88COM-2.34-0.23-0.63-0.49-16.34-0.138-98COM00.029.390-16.38-0.049COM00.023.70-2.970352中国造船学术论文2.2规范校核DNV-OS-F101规范根据荷载控制条件和位移控制条件进行屈曲校核。采用荷载控制条件下的屈曲校核更加保守，因此选用荷载控制条件。管件经受弯矩、有效轴力和内部超压力作用的所有横截面应满足如下方程，海底管线的吊装工况适用于该方程，式（1)。1-(APd)2]+(APd)21V\Pb(t2)…\Pb(t2)管件经受弯矩，有效轴力和外部超压力的所有的横截面满足如下方程，式（2)[rscrm(今)+，sc，m(今)2]2+1^cMp以P1)2)式中，ySc为安全等级抗力系数，膨胀弯吊装属于低安全等级，ySc取1.04;ym为材料抗力系数，在SLS/ULS/ALS状态下取1.15;叫为流动应力参数，«。=(1-妁+々40.4+qh^=i(0.4+q)(60-Dh)/450forD/1215for15D/t260forD/1260qh=(Pld-Pe)Pb(t)0forP1dPeforPldPe式中，/u为钢材设计抗拉强度；/y为钢材设计屈服强度；膨胀弯安装时t2即为管径壁厚；Pe为管外压力;Pc为特征破坏压力；Pld为局部设计压力；Pb(t2)为爆破压力：Pb(t2)=Min(Pb,s(t2);Pb,u(t2))屈服极限状态:Pb,s(t2)2-t2w/y.73破坏极限状态：P(t)=2'’2___lu___—Pbu(2)D-121.15V3Md、为设计荷载，一般可以如下形式表示：Md=Mf-Yf-Yc+Me-Ye+Ma-Ya-YcSd=SF-rF-Xc+SE-Te+SA-7k-7cAPd=Yp-(P1d-Pe)(3)4)5)式中，MF为功能弯矩；Me为环境弯矩；Ma为偶然弯矩；SF为功能轴力；Se为环境轴力；Sa为偶然轴力。设计荷载中的影响因子有功能荷载效应因子作、环境荷载效应因子&、偶然荷载效应因子7a、压57卷增刊1武斌斌，等：海管膨胀弯吊装位置选取探宂353力荷载效应因子扑、条件荷载效应因子y。。在不同极限状态下的荷载效应因子和荷载组合如表4[3]:(SLS=正常使用极限状态；ULS=极端极限状态；FLS=疲劳极限状态；ALS=偶然极限状态)。膨胀弯吊装过程选择SLS&ULS状态下各种荷载效应因子。表4荷载效应因子和荷载组合极限状态/荷载组合功能荷载/yF环境荷载/yE偶然荷载/yA压力荷载/yP(a)1.20.71.05SLS&ULS(b)1.11.3-1.05FLS11-1ALS1111除了荷载效应因子还有条件荷载效应因子，条件荷载效应因子用于表5中的各种条件，如果多个条件荷载效应因子需要叠加，可以把不同条件下的荷载效应因子相乘，子。膨胀弯吊装采用其它条件下的荷载效应因子1.00。以得到最终的条件荷载效应因表5条件荷载效应因子Yc条件yc管道被搁在不平坦的海床或处于迂回曲折的状况1.07连续刚性支撑0.82系统压力试验0.93其它1.00Mp为塑性弯矩，Mp=/y.(D-，2)2'。私为特征塑性轴力，5；=/y.n.(D_f2).f2。吊装工况下的特征载荷是基于SACS软件进行分析的，从SACS计算结果中提取出管线的功能轴力和弯矩，用于荷载校核。荷载校核应选取膨胀弯最危险的截面。在分析中，环境弯矩和轴力应分别取功能弯矩和轴力的30%和15%。利用式（1)和式（2)计算得出内部超压和外部超压两种状态下（a)和（b)两种组合工况下四个UC值，取最大UC值作为校核结果。本例中膨胀弯的UC值为0.052小于1.0,满足规范要求。3吊装位置选取规律应用前述膨胀弯吊装设计方法，对多个项目的大量膨胀弯进行计算；根据弯头数量的不同，初步总结出膨胀弯吊装位置选取的大致规律。3.1无弯头直管膨胀弯此类膨胀弯较为简单，一般设置三根钢丝绳。中间一根设置在中点，两端钢丝绳关于中点对称分布在两侧，两侧钢丝绳分布的位置与膨胀弯长度有关，一般设置在距离端部1/5膨胀弯长度的位置。若膨胀弯长度在20m左右，也可设置两根钢丝绳，分别设置在距端部1/3膨胀弯长度的位置。3.2一弯头膨胀弯此类膨胀弯较为常见