大型結(jié)構(gòu)物深水安裝安全作業(yè)距離研究.docx

1、大型結(jié)構(gòu)物深水安裝安全作業(yè)距離研究孫餛，劉文，方霖，陳曉東，張偉（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518054）摘要：介紹了大型結(jié)構(gòu)物墜落過(guò)程水平位移的兩種計(jì)算方法一依據(jù)DNVGL規(guī)范的計(jì)算方法和基于建立OrcaFlex水動(dòng)力模型的計(jì)算方法。在OrcaFlex模型中考慮海流拖曳力和附加水質(zhì)枝的影響，將兩種計(jì)算方法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。評(píng)估結(jié)構(gòu)物墜落觸底沖擊能雖對(duì)水下設(shè)施的破壞程度，并提出劃分禁止作業(yè)區(qū)域的方法，減小了與水下設(shè)施的碰撞概率，改進(jìn)了大型結(jié)構(gòu)物安裝作業(yè)流程。關(guān)鍵詞：深水安裝；碰撞；總沖擊能S：OrcaFlex：大型結(jié)構(gòu)物中圖分類號(hào):TE952文獻(xiàn)標(biāo)志碼溥文章編號(hào):旅迎原顧懿啤21）08

2、就146朝4ResearchonSafeWorkingDistanceofLargeStructureInstallationinDeepWaterSUNKun,LIUWen,FANGLin,CHENXiaodong,ZHANGWeiICOOECSubseaTechnologyCo.Ltd.Shenzhen518054.China!Abstract:ThispaperintroducesthecalculaiionmethodofthehorizontaldisplacementofalargestructureduringthefallprocessbasedontheDNVGLstanda

3、rdandtheestablishmentofanOrcaFlexhydrodynamicmodel.IntheOrcaFlexmodel,theeffectsofihedragforceofiheoceancurrentandtheadditionalwaterqualityareconsidered,andtheresultsoftheiwocalculaiionmethodsarecompared.Thedamageiounderwaterfacilitiescausedbytheimpactenergyofihestructurefallingtothebonomisevaluated

4、.Itisproposedtodividetheprohibitedoperationareaioreduceiheprobabilityofcollisionwithunderwaterfacilities,andioimprovetheinsiailationprocessoflargestructures.Keywords:deepwaterinstallation;collision;totalimpactenergy;OrcaFlex:largestructure最終著陸點(diǎn)與水深成正切關(guān)系，并假設(shè)其在海床上的分布規(guī)律滿足正態(tài)分布，如圖1所示。海平面入水點(diǎn)！代又角度偏差P（X）/結(jié)構(gòu)物

5、卷咕點(diǎn)/的概率地/'、一結(jié)構(gòu)物在水中、'、X的運(yùn)動(dòng)軌跡為777話臼F痍以了x（啊朝M若陸點(diǎn)圖1結(jié)構(gòu)物海床著陸點(diǎn)與水深的關(guān)系0引言常見(jiàn)的水下結(jié)構(gòu)物有管匯、采油樹(shù)、吸力錨及海底管道等，這些結(jié)構(gòu)物般坐落在海床上且相互連接，從而組成-套完整的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。在水下結(jié)構(gòu)物的安裝施工過(guò)程中,吊機(jī)和索具的受力與結(jié)構(gòu)物的重力、海況及船舶運(yùn)動(dòng)特性等因素相關(guān)，一旦結(jié)構(gòu)物的吊裝索具配置不合理或者施工海況較為惡劣，就有定的概率發(fā)生索具或者吊機(jī)鋼絲繩受力超過(guò)極限值的情況，從而導(dǎo)致索具斷裂失效、結(jié)構(gòu)物意外墜落的申故。這就會(huì)對(duì)一定區(qū)域內(nèi)己經(jīng)安裝就位的水下設(shè)施造成比較嚴(yán)重的安全威脅，而這些水下設(shè)施一般無(wú)法承受較

6、大的沖擊力。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，水下設(shè)施發(fā)生碰撞損傷宰故的概率并不大，但是一旦發(fā)生類似事故，就會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的后果和較大的財(cái)產(chǎn)損失，屬于典型的“小概率高網(wǎng)穹'事件。結(jié)構(gòu)物墜落點(diǎn)相對(duì)于海床著陸點(diǎn)之間的水平位移對(duì)于確定其安全作業(yè)距離和撞擊水卜設(shè)施的概率十分關(guān)鍵。當(dāng)結(jié)構(gòu)物處于深水（水深1500m環(huán)境下，海流作用對(duì)于其水平位移的影響不可忽略P己時(shí)物奶契瑚部質(zhì)典中號(hào)的附加*響，。.計(jì)燈敏枷WlfeSlM.也沒(méi)fE嘗抻枷:-KT餉粕滴:皈孫國(guó)構(gòu)mOUWJBM的水平怔作還粉部雄J的觸盼附尊繃.粉,炳郴的一曜.1*1此捋血!i妍充泳木條件下壽戒作川再陪枸物木YtWXfil和帔晚沖血0他V的彩響,井H捉出河上

7、H構(gòu)枸安裝作北過(guò)程的安全作業(yè)距離和避免其墜落后與水下設(shè)施碰撞的優(yōu)化作業(yè)流程。I大型結(jié)構(gòu)物墜落過(guò)程中的水平位移研究基丁-DNVGL規(guī)范的結(jié)構(gòu)物水平位移量計(jì)算在DNVGL-RP-F107規(guī)范中，將結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量劃分為4檔：小于2t、28t、大丁8t和遠(yuǎn)大于8t。然后考慮不同的結(jié)構(gòu)物/傍憂，給出了不同的入水角度琢。認(rèn)為結(jié)構(gòu)物在海床上的對(duì)于項(xiàng)目中需要安裝的兒類大型結(jié)構(gòu)物，根據(jù)規(guī)范可以得到表1所示的計(jì)算參數(shù).表I常見(jiàn)水下大型結(jié)構(gòu)物質(zhì)量等級(jí)及偏移角度結(jié)構(gòu)物類型質(zhì)量1質(zhì)員等級(jí)1偏移角度段1）防沉板103»82深水管匯240»82水下分配單元95»82施工作業(yè)水深d=1500m,則

8、結(jié)構(gòu)物在水中的水平位移量&（入水點(diǎn)與著陸點(diǎn)之間的水平位移）為Ki=dian年=52.4m。即上述3種結(jié)構(gòu)物在1500m水深條件下最大水平位移為52.4mo但這種簡(jiǎn)單考慮結(jié)構(gòu)物形狀和質(zhì)量就對(duì)其入水角度做出判斷的方式顯然不夠準(zhǔn)確，尤其對(duì)于一些大型結(jié)構(gòu)物，它們的拖曳力面積和拖曳力系數(shù)有很大區(qū)別。同時(shí)，由于作業(yè)水深較大，結(jié)構(gòu)物在較長(zhǎng)時(shí)間的墜落過(guò)程中，不可避免地會(huì)受到海流作用，從而產(chǎn)生附加水平位移山血回伽-'iJKatttftSHWit方向一致時(shí).將會(huì)&著雄iniMK物在水平方向的&圖3OrcaFlex建立的吊裝模型圖3OrcaFlex建立的吊裝模型方向一致，不考慮波高的

9、影響，設(shè)定結(jié)構(gòu)物從海面處開(kāi)始?jí)嬄洹Ｗ罱K建立結(jié)構(gòu)物墜落前的模型如圖3所示。計(jì)算后得到水平位移的OrcaFlex計(jì)算結(jié)果，然后與依圖2水深-海流流速關(guān)系曲線據(jù)規(guī)范計(jì)算得到的圖4結(jié)構(gòu)物水平位移計(jì)算對(duì)比移，因此針對(duì)深水環(huán)境下結(jié)構(gòu)物墜落的水平位移進(jìn)行研究，海流的流向和流速不可忽略。1.2基于OrcaFlex建模的結(jié)構(gòu)物水平位移量計(jì)算結(jié)構(gòu)物在水中墜落過(guò)程中，除了受到重力和浮力作用，會(huì)受到海流的拖曳力作用，從而改變其在水中的運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)構(gòu)物在水中受到用?個(gè)方向拖曳力表示為：fR.=pCxAxV,V.：2D11fR,=pEC'Amv:2D11fRx=pltC：.ArVxV.o2D11式中：p為濕比例：

10、E為海水密度：C'd為指定方向的拖曳力系數(shù)；A為拖曳力面積；v為結(jié)構(gòu)物相對(duì)于海水的流速。根據(jù)相關(guān)海域一年一遇的海流速度剖面數(shù)據(jù)，得到了的水深-海流流速的關(guān)系曲線，如圖2所示。為了準(zhǔn)確模擬不同深度的海流速度對(duì)結(jié)構(gòu)物墜落過(guò)程中產(chǎn)生的附加水平位移，以及結(jié)構(gòu)物在墜落過(guò)程中產(chǎn)生的附加質(zhì)量力，根據(jù)DNVGL-RP-N103和。洲1咔?-1；107規(guī)范，利用0rcaFlex軟件對(duì)兒種大型結(jié)構(gòu)物建立了水動(dòng)力模型，考慮模型X、Y、Z三個(gè)方向拖曳力系數(shù)G,和拖曳力面積A。3種結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力參數(shù)如表漩示。表2結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力參數(shù)結(jié)構(gòu)物類型附加質(zhì)量。t拖曳力系數(shù)拖曳力面枳/呻防沉板7681.316,18,197深

11、水管匯18741.348,76,201水下分配單元5841.343,45.145注：淤僅考慮Z方向附加質(zhì)鼠：于X、Y、Z三個(gè)方向的拖規(guī)力系數(shù)均設(shè)為1.3。利用0rcaFlex6Dbuoy建立以上3種結(jié)構(gòu)物的附加質(zhì)雖模型和拖曳力模型，設(shè)定其附加質(zhì)量系數(shù)G和拖曳力系數(shù)結(jié)構(gòu)物從海平面位置處開(kāi)始?jí)嬄?，水深設(shè)為1500m,將圖2所示的水深-海流流速的關(guān)系曲線導(dǎo)入OrcaFlex模型中的環(huán)境參數(shù)，假設(shè)從海平面到海底的海流對(duì)比,女圖榻泳。可以看出，在假設(shè)不同水深海流的情況下，OrcaFlex模擬結(jié)果均要大于依據(jù)規(guī)范計(jì)算的結(jié)果，這說(shuō)明在深水條件下，海流對(duì)結(jié)構(gòu)物墜落過(guò)程中產(chǎn)生的附加水平位移是不可忽略的。在圖4中

12、，防沉板、管匯和水下分配單元從開(kāi)始?jí)嬄涞接|底的總時(shí)間依次為560、413、440s,防沉板在水中墜落時(shí)間最長(zhǎng)，所以它的水平位移昂:超過(guò)規(guī)范計(jì)算結(jié)果最多，其次是水下分配單元和管匯。這主要是由于防沉板的高度較小，而底面積卻相對(duì)較大，其高度和底面枳比率為0.005。導(dǎo)致其在墜落過(guò)程中，更容易受到豎直方向拖曳力的影響，導(dǎo)致其在水中的墜落時(shí)間更長(zhǎng)，從而產(chǎn)生更大的水平位移。2結(jié)構(gòu)物觸底沖擊能黃與水下設(shè)施損傷評(píng)估2.1結(jié)構(gòu)物總沖擊能量的計(jì)算墜落物的動(dòng)能主要取決于其質(zhì)量和速度，而墜落物的速度又取決于其形狀及在水中的重力。隨著墜落物在水中速度逐漸增大，阻力也會(huì)隨之增加，最終達(dá)到個(gè)受力平衡的狀態(tài)，此時(shí)物體會(huì)勻速下

13、落。假設(shè)撞擊前落物達(dá)到受力平衡狀態(tài)，則以卜.關(guān)系成立：(m-|tw.r.«*V)g=0.5AVt2o式中：v為墜落物的體枳；G,為阻力系數(shù)，它是關(guān)于雷諾數(shù)的函數(shù)：服睥為海水密度：A為物體在垂直于水流方向上的投影面積：L為墜落物觸底前速度。由上式可以確定出墜落物觸底前的速度V”進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)物總的碰撞能量為E=Et+Ea=0.5*(m+m.,)*vt20式中：m,為附加水動(dòng)力質(zhì)量，n=IUwC,V；C,為附加質(zhì)量系數(shù)。2.2海底管道抗沖擊能力計(jì)算海底管道損傷分析方法包括試驗(yàn)法、能量法和數(shù)值分析法等七試驗(yàn)法代價(jià)高昂但是結(jié)果足夠準(zhǔn)確。數(shù)值分析法涉及到幾何、材料非線性問(wèn)題，難度大H.計(jì)算成本高

14、，不適于工程計(jì)算分析。而能量法計(jì)算簡(jiǎn)便，誤差也在接受范圍之內(nèi)，比較適用于工程計(jì)算。一般海底管道為防止其受到落錨、漁船拖網(wǎng)等作業(yè)的損害，一般會(huì)在鋼制管道外面覆蓋混凝土保護(hù)層或者挖溝深埋予以保護(hù)。因此，海底管道抗沖擊的能力取決于鋼管和其外側(cè)的管道保護(hù)層或者掩埋土壤深度可以吸收的沖擊能量之和。項(xiàng)目中的管道采用混凝土層保護(hù)，其中混凝土保護(hù)層吸收的撞擊能量為E=bh為。式中：Y為混凝土的壓碎強(qiáng)度：b為落物寬度：h為落物深度X。為落物嵌入混凝土加一重層深度。鋼管抵抗撞擊能量計(jì)算：對(duì)于除海底管道以外的表4海底管道結(jié)構(gòu)參數(shù)其他水下設(shè)施而言，在設(shè)計(jì)之參教效仇初往往沒(méi)有考慮承受其他結(jié)構(gòu)物的直接或間接撞擊，而且這些

15、水下設(shè)施上往往布有復(fù)管道外徑/nun混凝土壓碎強(qiáng)度MPa混凝土保護(hù)層原度inm鋼管壁厚/mm3403530雜的管線、閥門或者控制沒(méi)鋼管屈服強(qiáng)度，'MPa450備，一旦受到撞擊就會(huì)產(chǎn)生較大破壞。綜合來(lái)看，在上述3種結(jié)構(gòu)物的海上安裝過(guò)程中，一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)物意外脫落，擊中周邊水下設(shè)施，必然會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此，針對(duì)這一類大型結(jié)構(gòu)物，根據(jù)DNV規(guī)范計(jì)算其與水下設(shè)施碰撞概率再結(jié)合水下設(shè)施的損傷程度進(jìn)行麟懿密器簌蠢器融輜安全式電m為管壁的塑性彎矩，rn廣卻4：1為鋼管壁厚：滓、為鋼管屈服應(yīng)力：四為凹痕深度；D為鋼管外徑。綜合得到，海管總的抗沖擊能力為E=E,+E。2.3水下設(shè)施損傷程度評(píng)估對(duì)于海底管

16、道的損傷程度評(píng)估，為了劃分海底管道撞擊受損程度，DNVGL-RP-F107規(guī)范采用管道的凹痕直徑比職D這參數(shù)來(lái)表示，其中&為管道遭受尖峰荷載的情況下產(chǎn)生的凹痕深度，D為鋼管道直徑。由此，將海底管道損傷程度分為4種類型：D輕微損傷。不會(huì)造成泄漏，引）<5%°2）中度損傷?？赡軙?huì)造成泄漏5%<W<10%o3）重大損傷。預(yù)計(jì)會(huì)造成泄漏、管道破裂10%羔'1）<20%。4）斷裂。管道發(fā)生斷裂，K，D>20%«圖5結(jié)構(gòu)物墜落速度和時(shí)間的變化關(guān)系根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)物OrcaFlex水動(dòng)力模型，同時(shí)可以計(jì)算出3種結(jié)構(gòu)物的觸底速度，如圖5所示。圖5

17、中，3種結(jié)構(gòu)物在入水之后，首先均是加速運(yùn)動(dòng)，而后保持一個(gè)恒定的速度墜落，其中防沉極的穩(wěn)定墜落速度最小，水下分配單元穩(wěn)定墜落速度最大。這是由于防沉板底面積最大而高度較小，卜落過(guò)程受到水的阻力最大，也就導(dǎo)致其墜落速度較小。根據(jù)圖5可以得出三種結(jié)構(gòu)物的觸底前沖擊總能量,如表3所示。表3結(jié)構(gòu)物的觸底速度和觸底總能量參數(shù)防沉板管匯水下分配單元觸底速度J（msT）1.802.653.38觸底總能量/'kJMil77053713根據(jù)表4中所示參數(shù)和2.2節(jié)內(nèi)容，可以計(jì)算得出海底管道發(fā)生斷裂時(shí)（相應(yīng)的管道凹痕值徑比勃）=20%）,對(duì)應(yīng)的極限抗沖擊能力為106.8kJ,而上述3種結(jié)構(gòu)物的觸底沖擊總能量均

18、遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這一閾值。作業(yè)距離，避免結(jié)構(gòu)物意外脫落后擊中周邊水下設(shè)施。3結(jié)構(gòu)物深水安裝安全作業(yè)流程優(yōu)化3.1安全作業(yè)距離計(jì)算在1.2節(jié)中，在各深度海流方向一致的前提下，己經(jīng)利用OrcaFlexil-算出了3種結(jié)構(gòu)物墜落后的水平位移。但實(shí)際上各個(gè)深度的海流流向往往不會(huì)一致，所以上述計(jì)算結(jié)果可以認(rèn)為是結(jié)構(gòu)物墜落后達(dá)到的最大水平位移，而結(jié)構(gòu)物的安全作業(yè)距離表5結(jié)構(gòu)物的安全作業(yè)距離m也就是根據(jù)結(jié)構(gòu)物在水防沉板深水管匯水下分配單元中的最大水平位移是確定的，如表5所示。四3.2結(jié)構(gòu)物安裝作業(yè)流程優(yōu)化一般情況下，海上結(jié)構(gòu)物安裝過(guò)程中，安裝船會(huì)直接移動(dòng)到目標(biāo)海域附近，然后通過(guò)主吊機(jī)將結(jié)構(gòu)物直接緩慢下放到海床目標(biāo)位

19、置，最終落座、安裝完成。但是這種安裝方法會(huì)對(duì)周圍水下設(shè)施產(chǎn)生一定安全威脅。為了最大限度地降低結(jié)構(gòu)物脫落后與水下設(shè)施碰撞的概率，提出圖6、圖7所示的-種“漸進(jìn)式”的水下結(jié)構(gòu)物安裝作業(yè)流程:在安裝結(jié)構(gòu)物時(shí)，以海床上的目標(biāo)位置為圓心，以結(jié)構(gòu)物相應(yīng)的安全作業(yè)距離為半徑，確定出一個(gè)圖6所示的禁止作業(yè)區(qū)域，結(jié)構(gòu)物和索具不能出現(xiàn)在禁止作業(yè)區(qū)域以內(nèi)，禁止作業(yè)區(qū)域以外就是安全作業(yè)范圍。具體優(yōu)化后的安裝作業(yè)流程如下：D移船，媛船以合適的速度向目標(biāo)位置移動(dòng)2）移船同時(shí)，吊機(jī)鋼絲繩持續(xù)下放，下放速度一般不超過(guò)0.5in's；3）不圖6目標(biāo)位置附近的結(jié)構(gòu)物安裝流程示意圖圖7海管附近安裝作業(yè)的結(jié)構(gòu)物安裝流程示意圖

20、（下轉(zhuǎn)第151頁(yè)）圖4加工工裝示意圖1.定位柱2.基座3.塑料零件4.螺釘5.壓板6.定位銷fI、圖5檢測(cè)工裝圖1.測(cè)量:輔具2.塑料零件3.標(biāo)準(zhǔn)角度塊全的保證。5）創(chuàng)新點(diǎn)。采取專用工裝，第一次加工基面，第二次通過(guò)一次裝夾就能全部加工完成，減少了多次加工所帶來(lái)的定位誤差，提高了塑料零件加工精度。3塑料零件加工檢測(cè)分析與確定塑料零件的尺寸精度高，相對(duì)位置尺寸多，加工過(guò)程中零件不好檢測(cè)，各孔的測(cè)量可以利用量規(guī)進(jìn)行檢測(cè)，相對(duì)位置尺寸就難以檢測(cè)。如利用三坐標(biāo)煎I量?jī)x進(jìn)行檢測(cè)，效率較低，不利于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，因此需找到合適的測(cè)量方法。通過(guò)對(duì)零件性能詳細(xì)分析與研究，考慮零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄、易變形、精度高、難定位

21、等特性，需要設(shè)計(jì)出輔助檢測(cè)工裝。檢測(cè)工裝結(jié)構(gòu)如圖5所示，利用標(biāo)準(zhǔn)角度測(cè)量塊3,在現(xiàn)場(chǎng)即可直接檢測(cè)角度誤差。采用檢測(cè)輔助，可以實(shí)現(xiàn)邊加工邊檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控加工精度和效果，測(cè)檢結(jié)果很直觀、準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)單、節(jié)省時(shí)間、提高效率。4加工效果通過(guò)采用預(yù)留機(jī)械加工余量、去應(yīng)力退火、泡沫填充裝夾、設(shè)計(jì)專門檢測(cè)工具等工藝優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)了薄壁塑料零件的機(jī)械加工。加工后的塑件壁厚均勻，同時(shí)滿足最薄壁1mm的精度要求，孔和轉(zhuǎn)角的尺寸精度都符合裝配要求，通過(guò)進(jìn)一步加工，成品可直接投入裝配使用。采取專用工裝，第一次加工基面，第二次通過(guò)一次裝央就能全部加工完成，減少了多次加工所帶的誤差，也實(shí)現(xiàn)了塑料零件加工的可能。5結(jié)語(yǔ)薄壁

22、鏡簡(jiǎn)塑件的精密加工工藝方案在機(jī)械加工中易于實(shí)現(xiàn)，大大提升了加工工藝性，成效明顯，針對(duì)各類薄壁塑件的機(jī)械加工有很好的借鑒作用。得到以下結(jié)論：D設(shè)計(jì)了羯料PPS熱處理（退火）工藝及高、低溫處理工藝；力實(shí)現(xiàn)了工藝的突破和經(jīng)驗(yàn)的積累，為今后的注塑零件的加工打下基礎(chǔ)：3）采用專用夾具，通過(guò)一次裝夾，就能全部加工完成，減少了多次加工帶來(lái)的誤差，提高了加工效率：4）采取檢測(cè)輔具，并利用標(biāo)準(zhǔn)角度塊進(jìn)行檢測(cè)，操作簡(jiǎn)單，提高了檢測(cè)效率。參考文獻(xiàn)1 朱曉麗，魏書(shū)雷.鍥基合金特殊螺紋加工工藝參數(shù)優(yōu)化J.制造技術(shù)與機(jī)床,2018（9）:127-130王志能.煤礦用隔爆箱體加工工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)J.煤礦機(jī)械,2018,39:67-68.魂蘭杰.齒盤類零件加工工藝優(yōu)化J.金屈加工（冷加工）,2020（1）:42-44.W王麗娜.缸蓋凸輪抽孔加工精度分析及工藝優(yōu)化J.制造技術(shù)與機(jī)床2019（5）:161-166.（編輯邵明濤）作者簡(jiǎn)介：蘇君（1977-）,女，