1、大型結構物深水安裝安全作業距離研究孫餛，劉文，方霖，陳曉東，張偉（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳518054）摘要：介紹了大型結構物墜落過程水平位移的兩種計算方法一依據DNVGL規范的計算方法和基于建立OrcaFlex水動力模型的計算方法。在OrcaFlex模型中考慮海流拖曳力和附加水質枝的影響，將兩種計算方法結果進行對比。評估結構物墜落觸底沖擊能雖對水下設施的破壞程度，并提出劃分禁止作業區域的方法，減小了與水下設施的碰撞概率，改進了大型結構物安裝作業流程。關鍵詞：深水安裝；碰撞；總沖擊能S：OrcaFlex：大型結構物中圖分類號:TE952文獻標志碼溥文章編號: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最終著陸點與水深成正切關系，并假設其在海床上的分布規律滿足正態分布，如圖1所示。海平面入水點！代又角度偏差P（X）/結構物

5、卷咕點/的概率地/'、一結構物在水中、'、X的運動軌跡為777話臼F痍以了x（啊朝M若陸點圖1結構物海床著陸點與水深的關系0引言常見的水下結構物有管匯、采油樹、吸力錨及海底管道等，這些結構物般坐落在海床上且相互連接，從而組成-套完整的水下生產系統。在水下結構物的安裝施工過程中,吊機和索具的受力與結構物的重力、海況及船舶運動特性等因素相關，一旦結構物的吊裝索具配置不合理或者施工海況較為惡劣，就有定的概率發生索具或者吊機鋼絲繩受力超過極限值的情況，從而導致索具斷裂失效、結構物意外墜落的申故。這就會對一定區域內己經安裝就位的水下設施造成比較嚴重的安全威脅，而這些水下設施一般無法承受較

6、大的沖擊力。統計數據表明，水下設施發生碰撞損傷宰故的概率并不大，但是一旦發生類似事故，就會產生比較嚴重的后果和較大的財產損失，屬于典型的“小概率高網穹'事件。結構物墜落點相對于海床著陸點之間的水平位移對于確定其安全作業距離和撞擊水卜設施的概率十分關鍵。當結構物處于深水（水深1500m環境下，海流作用對于其水平位移的影響不可忽略P己時物奶契瑚部質典中號的附加*響，。.計燈敏枷WlfeSlM.也沒fE嘗抻枷:-KT餉粕滴:皈孫國構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構枸安裝作北過程的安全作業距離和避免其墜落后與水下設施碰撞的優化作業流程。I大型結構物墜落過程中的水平位移研究基丁-DNVGL規范的結構物水平位移量計算在DNVGL-RP-F107規范中，將結構物的質量劃分為4檔：小于2t、28t、大丁8t和遠大于8t。然后考慮不同的結構物/傍憂，給出了不同的入水角度琢。認為結構物在海床上的對于項目中需要安裝的兒類大型結構物，根據規范可以得到表1所示的計算參數.表I常見水下大型結構物質量等級及偏移角度結構物類型質量1質員等級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施工作業水深d=1500m,則

8、結構物在水中的水平位移量&（入水點與著陸點之間的水平位移）為Ki=dian年=52.4m。即上述3種結構物在1500m水深條件下最大水平位移為52.4mo但這種簡單考慮結構物形狀和質量就對其入水角度做出判斷的方式顯然不夠準確，尤其對于一些大型結構物，它們的拖曳力面積和拖曳力系數有很大區別。同時，由于作業水深較大，結構物在較長時間的墜落過程中，不可避免地會受到海流作用，從而產生附加水平位移山血回伽-'iJKatttftSHWit方向一致時.將會&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，設定結構物從海面處開始墜落。最終建立結構物墜落前的模型如圖3所示。計算后得到水平位移的OrcaFlex計算結果，然后與依圖2水深-海流流速關系曲線據規范計算得到的圖4結構物水平位移計算對比移，因此針對深水環境下結構物墜落的水平位移進行研究，海流的流向和流速不可忽略。1.2基于OrcaFlex建模的結構物水平位移量計算結構物在水中墜落過程中，除了受到重力和浮力作用，會受到海流的拖曳力作用，從而改變其在水中的運動軌跡，結構物在水中受到用?個方向拖曳力表示為：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；A為拖曳力面積；v為結構物相對于海水的流速。根據相關海域一年一遇的海流速度剖面數據，得到了的水深-海流流速的關系曲線，如圖2所示。為了準確模擬不同深度的海流速度對結構物墜落過程中產生的附加水平位移，以及結構物在墜落過程中產生的附加質量力，根據DNVGL-RP-N103和。洲1咔?-1；107規范，利用0rcaFlex軟件對兒種大型結構物建立了水動力模型，考慮模型X、Y、Z三個方向拖曳力系數G,和拖曳力面積A。3種結構物的水動力參數如表漩示。表2結構物水動力參數結構物類型附加質量。t拖曳力系數拖曳力面枳/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方向附加質鼠：于X、Y、Z三個方向的拖規力系數均設為1.3。利用0rcaFlex6Dbuoy建立以上3種結構物的附加質雖模型和拖曳力模型，設定其附加質量系數G和拖曳力系數結構物從海平面位置處開始墜落，水深設為1500m,將圖2所示的水深-海流流速的關系曲線導入OrcaFlex模型中的環境參數，假設從海平面到海底的海流對比,女圖榻泳。可以看出，在假設不同水深海流的情況下，OrcaFlex模擬結果均要大于依據規范計算的結果，這說明在深水條件下，海流對結構物墜落過程中產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始墜落到觸底的總時間依次為560、413、440s,防沉板在水中墜落時間最長，所以它的水平位移昂:超過規范計算結果最多，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，而底面積卻相對較大，其高度和底面枳比率為0.005。導致其在墜落過程中，更容易受到豎直方向拖曳力的影響，導致其在水中的墜落時間更長，從而產生更大的水平位移。2結構物觸底沖擊能黃與水下設施損傷評估2.1結構物總沖擊能量的計算墜落物的動能主要取決于其質量和速度，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，阻力也會隨之增加，最終達到個受力平衡的狀態，此時物體會勻速下

13、落。假設撞擊前落物達到受力平衡狀態，則以卜.關系成立：(m-|tw.r.«*V)g=0.5AVt2o式中：v為墜落物的體枳；G,為阻力系數，它是關于雷諾數的函數：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”進而得到結構物總的碰撞能量為E=Et+Ea=0.5*(m+m.,)*vt20式中：m,為附加水動力質量，n=IUwC,V；C,為附加質量系數。2.2海底管道抗沖擊能力計算海底管道損傷分析方法包括試驗法、能量法和數值分析法等七試驗法代價高昂但是結果足夠準確。數值分析法涉及到幾何、材料非線性問題，難度大H.計算成本高

14、，不適于工程計算分析。而能量法計算簡便，誤差也在接受范圍之內，比較適用于工程計算。一般海底管道為防止其受到落錨、漁船拖網等作業的損害，一般會在鋼制管道外面覆蓋混凝土保護層或者挖溝深埋予以保護。因此，海底管道抗沖擊的能力取決于鋼管和其外側的管道保護層或者掩埋土壤深度可以吸收的沖擊能量之和。項目中的管道采用混凝土層保護，其中混凝土保護層吸收的撞擊能量為E=bh為。式中：Y為混凝土的壓碎強度：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算：對于除海底管道以外的表4海底管道結構參數其他水下設施而言，在設計之參教效仇初往往沒有考慮承受其他結構物的直接或間接撞擊，而且這些

15、水下設施上往往布有復管道外徑/nun混凝土壓碎強度MPa混凝土保護層原度inm鋼管壁厚/mm3403530雜的管線、閥門或者控制沒鋼管屈服強度，'MPa450備，一旦受到撞擊就會產生較大破壞。綜合來看，在上述3種結構物的海上安裝過程中，一旦發生結構物意外脫落，擊中周邊水下設施，必然會導致嚴重后果。因此，針對這一類大型結構物，根據DNV規范計算其與水下設施碰撞概率再結合水下設施的損傷程度進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水下設施損傷程度評估對于海底管

16、道的損傷程度評估，為了劃分海底管道撞擊受損程度，DNVGL-RP-F107規范采用管道的凹痕直徑比職D這參數來表示，其中&為管道遭受尖峰荷載的情況下產生的凹痕深度，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。不會造成泄漏，引）<5%°2）中度損傷。可能會造成泄漏5%<W<10%o3）重大損傷。預計會造成泄漏、管道破裂10%羔'1）<20%。4）斷裂。管道發生斷裂，K，D>20%«圖5結構物墜落速度和時間的變化關系根據上述的結構物OrcaFlex水動力模型，同時可以計算出3種結構物的觸底速度，如圖5所示。圖5

17、中，3種結構物在入水之后，首先均是加速運動，而后保持一個恒定的速度墜落，其中防沉極的穩定墜落速度最小，水下分配單元穩定墜落速度最大。這是由于防沉板底面積最大而高度較小，卜落過程受到水的阻力最大，也就導致其墜落速度較小。根據圖5可以得出三種結構物的觸底前沖擊總能量,如表3所示。表3結構物的觸底速度和觸底總能量參數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根據表4中所示參數和2.2節內容，可以計算得出海底管道發生斷裂時（相應的管道凹痕值徑比勃）=20%）,對應的極限抗沖擊能力為106.8kJ,而上述3種結構物的觸底沖擊總能量均

18、遠遠超過這一閾值。作業距離，避免結構物意外脫落后擊中周邊水下設施。3結構物深水安裝安全作業流程優化3.1安全作業距離計算在1.2節中，在各深度海流方向一致的前提下，己經利用OrcaFlexil-算出了3種結構物墜落后的水平位移。但實際上各個深度的海流流向往往不會一致，所以上述計算結果可以認為是結構物墜落后達到的最大水平位移，而結構物的安全作業距離表5結構物的安全作業距離m也就是根據結構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結構物安裝作業流程優化一般情況下，海上結構物安裝過程中，安裝船會直接移動到目標海域附近，然后通過主吊機將結構物直接緩慢下放到海床目標位

19、置，最終落座、安裝完成。但是這種安裝方法會對周圍水下設施產生一定安全威脅。為了最大限度地降低結構物脫落后與水下設施碰撞的概率，提出圖6、圖7所示的-種“漸進式”的水下結構物安裝作業流程:在安裝結構物時，以海床上的目標位置為圓心，以結構物相應的安全作業距離為半徑，確定出一個圖6所示的禁止作業區域，結構物和索具不能出現在禁止作業區域以內，禁止作業區域以外就是安全作業范圍。具體優化后的安裝作業流程如下：D移船，媛船以合適的速度向目標位置移動2）移船同時，吊機鋼絲繩持續下放，下放速度一般不超過0.5in's；3）不圖6目標位置附近的結構物安裝流程示意圖圖7海管附近安裝作業的結構物安裝流程示意圖

20、（下轉第151頁）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檢測工裝圖1.測量:輔具2.塑料零件3.標準角度塊全的保證。5）創新點。采取專用工裝，第一次加工基面，第二次通過一次裝夾就能全部加工完成，減少了多次加工所帶來的定位誤差，提高了塑料零件加工精度。3塑料零件加工檢測分析與確定塑料零件的尺寸精度高，相對位置尺寸多，加工過程中零件不好檢測，各孔的測量可以利用量規進行檢測，相對位置尺寸就難以檢測。如利用三坐標煎I量儀進行檢測，效率較低，不利于現場檢測，因此需找到合適的測量方法。通過對零件性能詳細分析與研究，考慮零件結構復雜、壁薄、易變形、精度高、難定位

21、等特性，需要設計出輔助檢測工裝。檢測工裝結構如圖5所示，利用標準角度測量塊3,在現場即可直接檢測角度誤差。采用檢測輔助，可以實現邊加工邊檢測，實時監控加工精度和效果，測檢結果很直觀、準確，操作簡單、節省時間、提高效率。4加工效果通過采用預留機械加工余量、去應力退火、泡沫填充裝夾、設計專門檢測工具等工藝優化方案，實現了薄壁塑料零件的機械加工。加工后的塑件壁厚均勻，同時滿足最薄壁1mm的精度要求，孔和轉角的尺寸精度都符合裝配要求，通過進一步加工，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，也實現了塑料零件加工的可能。5結語薄壁

22、鏡簡塑件的精密加工工藝方案在機械加工中易于實現，大大提升了加工工藝性，成效明顯，針對各類薄壁塑件的機械加工有很好的借鑒作用。得到以下結論：D設計了羯料PPS熱處理（退火）工藝及高、低溫處理工藝；力實現了工藝的突破和經驗的積累，為今后的注塑零件的加工打下基礎：3）采用專用夾具，通過一次裝夾，就能全部加工完成，減少了多次加工帶來的誤差，提高了加工效率：4）采取檢測輔具，并利用標準角度塊進行檢測，操作簡單，提高了檢測效率。參考文獻1 朱曉麗，魏書雷.鍥基合金特殊螺紋加工工藝參數優化J.制造技術與機床,2018（9）:127-130王志能.煤礦用隔爆箱體加工工藝的優化設計J.煤礦機械,2018,39:67-68.魂蘭杰.齒盤類零件加工工藝優化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化J.制造技術與機床2019（5）:161-166.（編輯邵明濤）作者簡介：蘇君（1977-）,女，