楊轉(zhuǎn)，楊盛，郭飛，孫首陽(yáng)，張西偉

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

隨著海洋油氣的發(fā)展，柔性管纜（如電纜、靜態(tài)軟管、動(dòng)態(tài)柔性立管、臍帶纜等）鋪設(shè)項(xiàng)目日益增多[1-2]。常見(jiàn)的柔性管纜儲(chǔ)存裝置有滾筒（Reel）和儲(chǔ)纜筐（Carousel）[3-4]。滾筒分為立式滾筒和臥式滾筒，其優(yōu)點(diǎn)是占地面積小、可整體吊裝、便于裝船和轉(zhuǎn)運(yùn)；缺點(diǎn)是裝載量較小，根據(jù)柔性管纜尺寸不同，其儲(chǔ)存長(zhǎng)度一般在幾公里以內(nèi)，如果管纜過(guò)長(zhǎng)，就需要多個(gè)滾筒、多次航運(yùn)，容易延長(zhǎng)施工周期，增大施工成本。水平儲(chǔ)纜筐分為固定式和旋轉(zhuǎn)式，具有裝載量大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、節(jié)省甲板空間等特點(diǎn)，能夠很好地彌補(bǔ)滾筒的不足。在海洋工程領(lǐng)域，深水臍帶纜及海底電纜等柔性管纜一般使用長(zhǎng)度較大，為了節(jié)省船天，通常會(huì)一次性帶走所有海纜進(jìn)行海上安裝。因此，應(yīng)優(yōu)先采用水平儲(chǔ)纜筐進(jìn)行管纜的儲(chǔ)存和運(yùn)輸。

目前，我國(guó)海上油氣開(kāi)發(fā)正處于起步并快速發(fā)展的時(shí)期，開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)也不斷向深水邁進(jìn)，深水柔性管纜鋪設(shè)技術(shù)正處于研究階段，大型纜筐將會(huì)是未來(lái)儲(chǔ)存柔性管纜的重要裝備。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，國(guó)外船舶及其裝備的纜筐主要有EMAS AMC公司Lewek Connector船、Subsea 7公司Seven Arctic船、Technip公司Deep Constructor船、Fugro公司Southern Ocean船等。1982—2000年，國(guó)外設(shè)計(jì)建造的纜筐最大裝載量為3600 t；2001年至今，建造的纜筐最大裝載量高達(dá)9000 t，為L(zhǎng)ewek Connector船，甲板上下各有一個(gè)，裝載能力最強(qiáng)。公司自有船舶配備內(nèi)嵌式儲(chǔ)纜筐的垂直鋪設(shè)工程船僅有一艘，即海洋石油286，其艙內(nèi)自帶內(nèi)徑為6 m、外徑為20.4 m、有效儲(chǔ)存高度為3.5 m的大型纜筐，裝載管纜最大可達(dá)2500 t。由于我國(guó)現(xiàn)有鋪管船資源匱乏，而租用國(guó)外鋪管船價(jià)格較高，船舶改造復(fù)雜且成本高，容易延長(zhǎng)施工周期[5]。因此，針對(duì)項(xiàng)目需求，在普通船舶上加裝臨時(shí)儲(chǔ)纜筐至關(guān)重要。2017年，方霖等[6]對(duì)在多功能船上新增管纜卷盤的可行性進(jìn)行了評(píng)估，通過(guò)對(duì)新增卷盤尺寸、管纜裝載量、甲板布置及管纜鋪設(shè)路由等方面的研究表明，新增卷盤安全可靠，可較大增加船舶裝載能力，但該文獻(xiàn)沒(méi)有涉及纜筐本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文針對(duì)儲(chǔ)纜筐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，基于理論分析及SACS軟件，計(jì)算分析了儲(chǔ)纜筐的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，形成了一套基于等效密度和積分的大型儲(chǔ)纜筐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，從而為同類型的纜筐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 管纜布置

纜筐可以儲(chǔ)存各種形式柔性管纜，管纜采用插空法進(jìn)行布置。

1.2 幾何結(jié)構(gòu)

大型固定式纜筐通常采用分塊預(yù)制，將其分別吊裝至目標(biāo)船舶后在甲板上進(jìn)行組裝焊接，但這種方式存在以下缺點(diǎn)：1）存在高空作業(yè)，需要在甲板上搭設(shè)臨時(shí)腳手架；2）現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量大，組裝時(shí)對(duì)水平度要求較高；3）動(dòng)復(fù)員時(shí)間長(zhǎng)，卸船時(shí)也需要分塊吊裝下船；4）不便于存儲(chǔ)，重復(fù)利用率低。針對(duì)以上缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了可整體吊裝的大型固定式纜筐，纜筐外徑為16 m，內(nèi)徑為6 m，高為4.4 m，質(zhì)量為75 t，最大裝載量為1690 t，如圖1所示。

圖1 纜筐結(jié)構(gòu)形式

為適用多種船舶甲板，設(shè)計(jì)輻射形底座，便于與甲板焊接固定，其位置可以根據(jù)甲板結(jié)構(gòu)形式不同進(jìn)行調(diào)整；采用埋入式吊耳，并在底座上鋪板以保護(hù)海纜；內(nèi)部設(shè)置有直徑為12 m的隔艙，能夠存儲(chǔ)不同規(guī)格的海纜，避免臨時(shí)調(diào)整施工順序時(shí)某一規(guī)格的海纜壓在纜筐下方無(wú)法安裝。

另外，可整體吊裝的大型固定式纜筐動(dòng)復(fù)員時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)快速切割，縮短裝船時(shí)間，同時(shí)可以提高重復(fù)利用率，節(jié)省建造成本。

1.3 設(shè)計(jì)要求

纜筐的主要性能參數(shù)有內(nèi)徑、外徑、有效高度和最大裝載量。其中：1）纜筐內(nèi)徑主要受柔性管纜在儲(chǔ)存及工作狀態(tài)下最小彎曲半徑限制，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取一定的動(dòng)態(tài)放大系數(shù)。2）纜筐外徑及有效高度則主要受甲板的有效使用空間限制，纜筐直徑不宜過(guò)大，因?yàn)檩^大直徑的纜筐雖然能夠降低有效高度，但也會(huì)增大占地面積、浪費(fèi)船舶甲板空間，增大成本；纜筐直徑也不宜過(guò)小，否則裝載高度較高，護(hù)欄容易發(fā)生結(jié)構(gòu)屈服。3）纜筐最大裝載量受纜筐自身內(nèi)徑、外徑、有效高度、船舶穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等多種因素限制，當(dāng)一個(gè)纜筐的最大裝載量不能滿足作業(yè)要求時(shí)，可通過(guò)提高纜筐自身最大裝載量或額外增加纜筐/滾筒，以提高柔性管纜總裝載量。

船舶航行時(shí)，纜筐內(nèi)外護(hù)欄能否承受多層管纜的擠壓是評(píng)估纜筐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理的重要依據(jù)，根據(jù)《ANSI/AISC 360-16》標(biāo)準(zhǔn)[7]、《API RP 2A-WSD》標(biāo)準(zhǔn)[8]進(jìn)行強(qiáng)度校核。在保證纜筐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和功能的基礎(chǔ)上，要盡量使整體結(jié)構(gòu)輕量化，避免對(duì)鋪管船的運(yùn)動(dòng)、鋪設(shè)系統(tǒng)及船舶甲板產(chǎn)生過(guò)大的影響。

2 圓周分布荷載受力分析方法

纜筐內(nèi)外護(hù)欄反作用力分為靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力，即管纜自重對(duì)內(nèi)外護(hù)欄的擠壓為靜態(tài)力，船舶運(yùn)動(dòng)對(duì)護(hù)欄產(chǎn)生的作用力為動(dòng)態(tài)力。

2.1 靜態(tài)力分析

目前，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析軟件中無(wú)法模擬管纜對(duì)內(nèi)外護(hù)欄的作用力，設(shè)計(jì)時(shí)需要分析管纜與內(nèi)外護(hù)欄每一個(gè)接觸點(diǎn)的受力情況，通過(guò)數(shù)學(xué)迭代的方式得到相應(yīng)位置的載荷，然后在每一個(gè)接觸點(diǎn)處施加載荷，如圖2所示。若盤纜高度較高，接觸點(diǎn)高達(dá)上百個(gè)，僅施加荷載就需耗費(fèi)大量的時(shí)間，而且在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要重新施加載荷，工作效率極低。對(duì)于工程項(xiàng)目前期不確定安裝海纜的長(zhǎng)度時(shí)，需快速計(jì)算儲(chǔ)纜筐的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，評(píng)估安裝方案的可行性，這種分析圓周分布荷載的方式顯然不切實(shí)際。

圖2 管纜與內(nèi)外護(hù)欄接觸點(diǎn)示意圖

對(duì)于非進(jìn)水貨艙垂直槽型橫艙壁上的壓力和力，中國(guó)船級(jí)社（CCS）在《鋼制海船入級(jí)規(guī)范 第9篇 散貨船和油船結(jié)構(gòu)》（CSR）第3.1.6節(jié)規(guī)定[9]，垂直槽型橫艙壁上位于基線以上z的點(diǎn)，由橫艙壁完整一側(cè)（該橫艙壁的另一側(cè)貨艙進(jìn)水）未進(jìn)水的貨艙的干散貨產(chǎn)生的靜壓力Pbs（kPa），取值按式（1）計(jì)算，但不小于0。

考慮海纜為干散貨，在纜筐內(nèi)緊密排列，同理，可采用上述CCS提出的基于等效密度的靜態(tài)力分析方法，如圖3所示。

圖3 基于等效密度的靜態(tài)力分析

由式（1）可知，靜壓力與深度呈三角形分布，對(duì)于盤纜高度為h的纜筐，作用在單根護(hù)欄上的靜壓力合力Ec為

合力Ec的方向背向圓心，作用點(diǎn)在距護(hù)欄底部h/3高度處。

2.2 動(dòng)態(tài)力分析

動(dòng)態(tài)力主要考慮船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力和摩擦力。假設(shè)船舶橫縱搖時(shí)只有一半的內(nèi)外護(hù)欄承受動(dòng)態(tài)力，即向左舷橫搖時(shí)，動(dòng)態(tài)力由左側(cè)外護(hù)欄和右側(cè)內(nèi)護(hù)欄承受，當(dāng)向右舷橫搖時(shí)，動(dòng)態(tài)力由右側(cè)外護(hù)欄和左側(cè)內(nèi)護(hù)欄承受；當(dāng)向船頭縱搖時(shí)，動(dòng)態(tài)力由船頭側(cè)外護(hù)欄和船尾側(cè)內(nèi)護(hù)欄承受，當(dāng)向船尾縱搖時(shí)，動(dòng)態(tài)力由船尾側(cè)外護(hù)欄和船頭側(cè)內(nèi)護(hù)欄承受。

由于纜筐內(nèi)外護(hù)欄為圓周弧面，考慮動(dòng)態(tài)力呈正弦函數(shù)分布，隨著護(hù)欄角度的變化，其受力也不同，可通過(guò)積分方式獲得。以向左舷橫搖時(shí)外護(hù)欄所受水平力為例，設(shè)π/2的幅值為A，則，

同理，可得船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)護(hù)欄所受水平力情況。

3 有限元分析

3.1 SACS模型

纜筐外徑為16 m，內(nèi)徑為6 m，高為4.4 m，質(zhì)量為75 t，最大裝載量為1690 t，內(nèi)部設(shè)置直徑為12 m的隔艙，以滿足不同規(guī)格海纜安裝要求。纜筐內(nèi)外護(hù)欄鋼管規(guī)格為φ168 mm×10 mm，底座H型鋼規(guī)格為H440×300×11×18，其SACS模型如圖5所示。

圖4 水平載荷

圖5 SACS幾何模型

纜筐材質(zhì)均選擇Q345鋼，材料屬性如表1所示。

表1 纜筐材料屬性

3.2 工況分析

3.2.1 裝船工況

船舶加速度是水下結(jié)構(gòu)物運(yùn)輸時(shí)強(qiáng)度校核的重要依據(jù)。當(dāng)遇到惡劣海況時(shí)，船舶會(huì)在6個(gè)自由度上發(fā)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，從而引起裝載在船上的貨物產(chǎn)生橫向、縱向和垂向3個(gè)方向的加速度，這些不同方向加速度的影響可能會(huì)導(dǎo)致貨物產(chǎn)生位移、發(fā)生傾覆或損傷等[10]。根據(jù)《DNVGL-ST-N001》標(biāo)準(zhǔn)[11]，取 風(fēng) 速 為38 m/s。將纜筐和管纜自重、船舶運(yùn)動(dòng)及風(fēng)速基礎(chǔ)工況組合，共8組組合工況（如表2），進(jìn)而進(jìn)行強(qiáng)度校核。

表2 船舶運(yùn)動(dòng)工況

3.2.3 吊裝工況

設(shè)計(jì)工況根據(jù)DNVGL-ST-N001[11]中取載荷系數(shù)，如表3所示。

表3 吊裝系數(shù)

靜態(tài)荷載乘以載荷系數(shù)得到最終動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)荷載，將受力情況通過(guò)API-RP-2A[8]推薦算法進(jìn)行校核。

3.3 結(jié)果分析

在SACS中施加荷載時(shí)，相較于常規(guī)圓周分布荷載受力分析方法，采用等效密度和積分的方式靈活性強(qiáng)、快速高效，能夠提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化效率。

UC值是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度判斷標(biāo)準(zhǔn)，圖6為纜筐優(yōu)化設(shè)計(jì)后SACS軟件計(jì)算的最大UC值，對(duì)8種組合工況進(jìn)行強(qiáng)度校核。

圖6 纜筐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在護(hù)欄底部存在集中應(yīng)力，這是因?yàn)殡S著儲(chǔ)纜深度的增加，護(hù)欄底部所受的荷載逐漸增大。纜筐最大UC值為0.94，即設(shè)計(jì)應(yīng)力小于護(hù)欄材料許用應(yīng)力，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

由圖7可知，在吊裝工況下，4個(gè)吊耳處會(huì)產(chǎn)生集中應(yīng)力，結(jié)構(gòu)最大UC值為0.65，滿足規(guī)范要求。此外，吊耳處需設(shè)置加強(qiáng)板，以增強(qiáng)吊點(diǎn)強(qiáng)度。

鋼絲繩最大受力為318 kN，通過(guò)配置索具，能夠?qū)崿F(xiàn)纜筐整體吊裝，有效地減少現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量，縮短動(dòng)復(fù)員時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

基于等效密度和積分的圓周分布荷載受力分析方法能夠快速校核纜筐的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，適用于設(shè)計(jì)周期短、變化快的海纜鋪設(shè)項(xiàng)目。輻射形底座能夠適應(yīng)不同船舶甲板焊接固定，可整體預(yù)制，整體吊裝，一吊就位至目標(biāo)船舶指定位置，能夠有效地減少現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量，節(jié)省動(dòng)復(fù)員時(shí)間。同時(shí)，可重復(fù)利用，節(jié)省建造成本。此外，該設(shè)計(jì)方法能夠?yàn)槲覈?guó)同類型的纜筐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)于深遠(yuǎn)海油氣開(kāi)發(fā)及深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電長(zhǎng)距離海纜的儲(chǔ)存和安裝具有重要的應(yīng)用價(jià)值。