CN104692247B - 深水水下结构物防扭转的安装方法 - Google Patents

Abstract

一种深水水下结构物防扭转的安装方法，采用以下步骤：一：将结构重块起吊到绞车滑轮的正下方；二：将结构重块下放至设定的海底深度就位；三：将深水水下结构物安装、下放，当深水水下结构物发生扭转时，安装在深水水下结构物上两根短缆将与水平牵引缆的一端一起扭转，而水平牵引缆的另一端则被滑动卡环限制在绞车导向缆上，此时，水平牵引缆将对深水水下结构物产生一个与扭转方向相反的力矩，阻止深水水下结构物发生扭转，并保持平衡；四：深水水下结构物就位后，将短缆切断，将结构重块连同水平牵引缆一起回收到安装船上。本发明有效地控制了深水水下结构物在整个安装下放过程当中的扭转角，使深水水下结构物的不受水深和环境条件的限制。

Description

深水水下结构物防扭转的安装方法

技术领域

本发明涉及深水水下结构物的安装，尤其涉及一种用于深水水下结构物防扭转的安装方法。属于海洋石油工程领域。

背景技术

水下生产系统作为目前海洋深水油气田开发模式之一，广泛应用于全世界不同水深的各大油田海域。

深水水下结构物(如：海底管汇，海底管道基础防沉板，脐带缆终端等)是水下生产系统的重要组成部分，其一般采用深水支持船通过深水吊机或者深水绞车吊装下放的方式安装到海底。由于深水水下结构物应用海域相对比较深(从大于200米到几千米)，因此，无法通过潜水员进行海底辅助安装与就位；同时，深水水下结构物的安装控制与精度要求非常高，比如：工业界对水下结构物安装的水平方位角偏差要求一般为+/-1°。这么高的精度要求，并且是在没有潜水员辅助的前提下进行，对于深水水下结构物的安装来说，无疑是个巨大的挑战。且由于缺乏对水平扭转方向内的约束，当受到船舶运动，环境载荷影响的时候非常容易发生扭转，而且水深越深，扭转就越容易发生，这对深水水下结构物安装的水平方位角精度控制十分不利。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种深水水下结构物防扭转的安装方法，其可以有效地控制深水水下结构物在整个安装下放过程当中的扭转角，使深水水下结构物的安装不受水深和环境条件的限制，便可以达到精确控制水下结构物安装方位角度的目的；解决了深水水下结构物安装过程中的扭转问题。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

一种深水水下结构物防扭转的安装方法，其特征在于：采用以下安装步骤：

第一步：通过船用吊机，将结构重块起吊到绞车滑轮的正下方，然后，逐渐的将张力由船用吊机切换到绞车上，当张力完全切换完毕之后，将船用吊机勾头从连接结构中的三角板上解脱；

第二步：通过绞车及绞车导向缆将结构重块下放至设定的海底深度就位，

此时，绞车导向缆在结构重块的作用下保持铅垂状态；

第三步：通过船用吊机，将深水水下结构物进行安装与下放，随着深水水下结构物的下放，水平牵引缆与深水水下结构物相连的一端，将随着深水水下结构物的下放而一起下放到海底，套装在绞车导向缆上的滑动卡环将在重力作用下，沿着绞车导向缆实现与深水水下结构物同步下放；当深水水下结构物在外力扰动下发生扭转时，安装在深水水下结构物上两根短缆带动水平牵引缆的一端一起扭转，而水平牵引缆的另一端则被滑动卡环限制在绞车导向缆上，这样一来，水平牵引缆将对深水水下结构物产生一个与扭转方向相反的力矩，阻止深水水下结构物发生扭转，并迫使深水水下结构物回到平衡位置；

第四步：当深水水下结构物安装到海底就位以后，由水下机器人携切割工具将短缆切断，此时，安装船便能够启动绞车将结构重块连同水平牵引缆一起回收到安装船上。

所述结构重块就位后所设定的海底间距为：10-20米。

所述第三步中，深水水下结构物以及套装在绞车导向缆的滑动卡环的相对位置是通过调节水平牵引缆的长度实现，水平牵引缆在结构物下放过程中，呈略微绷紧状态。

所述第四步中，当深水水下结构物重复安装时，只需在下一个深水水下结构物重新配备短缆即可继续进行下一个深水水下结构物的安装。

一种为实现上述方法的深水水下结构物防扭转的安装装置，其特征在于包括：一个用于产生铅垂力的结构重块，垂直悬挂在结构重块上的绞车导向缆，其中，绞车导向缆上通过一个滑动卡环与一水平牵引缆的一端套装，水平牵引缆的另一端通过两根短缆分别与深水水下结构物相连，并呈三角状态。

所述绞车导向缆和结构重块之间是通过一连接结构连接为一体，该连接结构包括：安装在第一个卸扣上的一旋转接头、三角板、第二个卸扣。

所述结构重块的材料为：钢或者水泥混凝土；形状为：规则的立方体或圆柱体结构；结构重块上安装有一供卸扣安装的吊点。

所述水平牵引缆为：无弯曲和扭转刚度的链式结构。

所述短缆通过卸扣及水下结构物吊装索具连接在深水水下结构物或安装在水下结构物上，吊装索具与船上绞车的缆绳相连，该缆绳用于引导和约束水平牵引缆，随着深水水下结构物的下放实现同步下放。

所述深水水下结构物受到的竖直平面内的外力矩采用以下公式进行计算：

$M=m_{c}g\·tan\mathrm{\θ}\·(r+d-l\·sin\mathrm{\θ}\frac{m_c}{m_s})\·sin\mathrm{\β}$

式中：

M为深水水下结构物109受到的竖直平面内的外力矩；

m_c为结构重块的自重；

m_s为水下结构物的自重；

g为重力加速度；

θ为绞车导向缆与竖直铅垂线的夹角；

r为水平牵引缆连接点距离水下结构物旋转中心的距离；

d为水平牵引缆的长度；

l为绞车导向缆的有效长度，即：绞车滑轮到滑动卡环之间的距离；

β为水平牵引缆的旋转角；

其中：

$sin\mathrm{\β}=\sqrt{1-{\mathrm{cos\β}}^2}$

其中：

$cos\mathrm{\β}=\frac{{(d+l\·\sin \mathrm{\θ})}^2+{(r+d-l\·sin\mathrm{\θ}\frac{m_c}{m_s})}^2-r^2}{2(d+l\·\sin \mathrm{\θ})(r+d-l\·\sin \mathrm{\θ}\frac{m_c}{m_s})}$

并根据深水水下结构物主尺度信息以及安装施工海域的环境条件，估算出深水水下结构物在安装下放过程中，受到的竖直平面内的外力矩M，且根据以上公式构建如下函数：

$y=f(m_c,r,d,l)=M-m_{c}g\·\tan \mathrm{\θ}\·(r+d-l\·sin\mathrm{\θ}\frac{m_c}{m_s})\·\sin \mathrm{\β}$

通过给定函数参数的初值，对以上函数采用数值迭代的方法进行求解，函数值y＝0表示恢复力矩与深水水下结构物受到的外力矩M平衡。

本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，其不仅可以有效地控制深水水下结构物在整个安装下放过程当中的扭转角，使深水水下结构物的不受水深和环境条件的限制，便可以达到精确控制水下结构物安装方位角度的目的；而且，降低了水下结构物的下放安装的难度，提高了安装精度，节省了海上作业时间和安装成本。

附图说明

图1为本发明结构俯视示意图。

图2为本发明结构侧视示意图。

图3为本发明结构透视示意图。

图4为本发明工作原理俯视图。

图5为为本发明工作原理侧视图。

图中主要标号说明：

101.绞车导向缆；102.卸扣；103.三角板；104.旋转接头；105.结构重块；106.水平牵引缆；107.滑动卡环；108.短缆；109.深水水下结构物；110.吊装索具。

具体实施方式

如图1-图5所示，本发明包括：一个用于产生铅垂力的结构重块105，垂直悬挂在结构重块105上的绞车导向缆101，其中，绞车导向缆101上通过一个滑动卡环107与一水平牵引缆106的一端套装，水平牵引缆106的另一端通过两根短缆108分别与安装在深水水下结构物109或者深水水下结构物109上的吊装索具110连为一体，并呈三角状态。

上述绞车导向缆101和结构重块105之间是通过一连接结构连接为一体，连接结构包括：安装在第一个卸扣102上的一个旋转接头104、三角板103、第二个卸扣102，其中，旋转接头104是用于分离深水水下结构物109与绞车导向缆之间101的相对扭转，以保证绞车导向缆101不会因发生扭转，而影响使用效果。三角板103是用于结构重块105从安装船甲板起吊以后的张力切换。

上述结构重块105的材料为：钢或者水泥混凝土；形状为：规则的立方体或圆柱体结构；结构重块105上采用焊接方式安装有一供卸扣102安装的吊点。

上述水平牵引缆106为：无弯曲和扭转刚度的链式结构，用于在安装过程当中的连接和控制。

上述两根短缆108是通过卸扣及水下结构物吊装索具连接在深水水下结构物109或安装在水下结构物上，其中，吊装索具与船上绞车的缆绳相连，该缆绳用于引导和约束水平牵引缆106，随着深水水下结构物109的下放实现同步下放。

上述深水水下结构物109受到的竖直平面内的外力矩采用以下公式进行计算：

$M=m_{c}g\·tan\mathrm{\θ}\·(r+d-l\·sin\mathrm{\θ}\frac{m_c}{m_s})\·\sin \mathrm{\β}$

式中：

M为深水水下结构物109受到的竖直平面内的外力矩；

m_c为结构重块的自重；

m_s为水下结构物的自重；

g为重力加速度；

θ为绞车导向缆与竖直铅垂线的夹角；

r为水平牵引缆连接点距离水下结构物旋转中心的距离；

d为水平牵引缆的长度；

l为绞车导向缆的有效长度(绞车滑轮到滑动卡环之间的距离)；

β为水平牵引缆的旋转角；

其中：

$sin\mathrm{\β}=\sqrt{1-{\mathrm{cos\β}}^2}$

其中：

$cos\mathrm{\β}=\frac{{(d+l\·sin\mathrm{\θ})}^2+{(r+d-l\·sin\mathrm{\θ}\frac{m_c}{m_s})}^2-r^2}{2(d+l\·\sin \mathrm{\θ})(r+d-l\·sin\mathrm{\θ}\frac{m_c}{m_s})}$

根据深水水下结构物109主尺度信息以及安装施工海域的环境条件，可以估算出深水水下结构物109在安装下放过程中，受到的竖直平面内的外力矩M。根据以上公式构建如下函数：

$y=f(m_c,r,d,l)=M-m_{c}g\·tan\mathrm{\θ}\·(r+d-l\·sin\mathrm{\θ}\frac{m_c}{m_s})\·\sin \mathrm{\β}$

式中，y为函数值；

f表示y与自变量m_c，r，d，l相关的函数关系。

通过给定函数参数的初值，对以上函数采用数值迭代的方法进行求解，函数值y＝0表示防扭装置所产生的恢复力矩与深水水下结构物109受到的外力矩M平衡，通过变换函数参数以及y值对某参数变换的响应可以逐一优化参数，从而得出最优化的满足要求的防扭装置设计。

本发明采用以下安装步骤：

第一步：通过船用吊机，将结构重块105起吊到绞车滑轮的正下方，然后，逐渐的将张力由船用吊机切换到绞车上，确保张力完全切换完毕之后，将船用吊机勾头从连接结构中的三角板103上解脱；

第二步：通过绞车及绞车导向缆101将结构重块105下放至距离海底约10-20米的深度就位，此时，绞车导向缆101在结构重块105的作用下保持铅垂状态；

第三步：如图2所示，通过船用吊机，将深水水下结构物109进行安装与下放，随着深水水下结构物109的下放，水平牵引缆106与深水水下结构物109相连的一端，将随着深水水下结构物109的下放而一起下放到海底，套装在绞车导向缆101上的滑动卡环107将在重力作用下，沿着绞车导向缆101实现与深水水下结构物109同步下放；其中，深水水下结构物109以及套装在绞车导向缆101的相对位置是通过调节水平牵引缆的长度实现，使得水平牵引缆在结构物下放过程中，呈略微绷紧状态。

如图3所示，当深水水下结构物109在外力扰动下发生扭转时，安装在深水水下结构物109上两根短缆108带动水平牵引缆106的一端一起扭转，而水平牵引缆106的另一端则被滑动卡环107限制在绞车导向缆101上，这样一来，水平牵引缆106将对深水水下结构物109产生一个与扭转方向相反的力矩，阻止深水水下结构物109发生扭转，并迫使深水水下结构物109回到平衡位置。

第四步：当深水水下结构物109安装到海底就位以后，将派水下机器人携切割工具将短缆108切断，此时，安装船便能够启动绞车将结构重块105连同水平牵引缆106一起回收到安装船上，下一个深水水下结构物109的安装只需要重新配备短缆108即可。

上述各种缆、卸扣、旋转接头、滑动卡环为现有技术，未作说明的技术为现有技术，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种深水水下结构物防扭转的安装方法，其特征在于：采用以下安装步骤：

第一步：通过船用吊机，将结构重块起吊到绞车滑轮的正下方，然后，逐渐的将张力由船用吊机切换到绞车上，当张力完全切换完毕之后，将船用吊机勾头从连接结构中的三角板上解脱；

第二步：通过绞车及绞车导向缆将结构重块下放至设定的海底深度就位，

此时，绞车导向缆在结构重块的作用下保持铅垂状态；

第三步：通过船用吊机，将深水水下结构物进行安装与下放，随着深水水下结构物的下放，水平牵引缆与深水水下结构物相连的一端，将随着深水水下结构物的下放而一起下放到海底，套装在绞车导向缆上的滑动卡环将在重力作用下，沿着绞车导向缆实现与深水水下结构物同步下放；当深水水下结构物在外力扰动下发生扭转时，安装在深水水下结构物上的两根短缆带动水平牵引缆的一端一起扭转，而水平牵引缆的另一端则被滑动卡环限制在绞车导向缆上，这样一来，水平牵引缆将对深水水下结构物产生一个与扭转方向相反的力矩，阻止深水水下结构物发生扭转，并迫使深水水下结构物回到平衡位置；其中，深水水下结构物与套装在绞车导向缆的滑动卡环的相对位置是通过调节水平牵引缆的长度实现，水平牵引缆在结构物下放过程中，呈略微绷紧状态；

第四步：当深水水下结构物安装到海底就位以后，由水下机器人携切割工具将短缆切断，此时，安装船便能够启动绞车将结构重块连同水平牵引缆一起回收到安装船上。

2.根据权利要求1所述的深水水下结构物防扭转的安装方法，其特征在于：所述结构重块就位后所设定的海底间距为：10-20米。

3.根据权利要求1所述的深水水下结构物防扭转的安装方法，其特征在于：所述第四步中，当深水水下结构物重复安装时，只需在下一个深水水下结构物重新配备短缆即可继续进行下一个深水水下结构物的安装。

4.一种为实现上述方法的深水水下结构物防扭转的安装装置，其特征在于包括：一个用于产生铅垂力的结构重块，垂直悬挂在结构重块上的绞车导向缆，其中，绞车导向缆上通过一个滑动卡环与一水平牵引缆的一端套装，水平牵引缆的另一端通过两根短缆分别与深水水下结构物相连，并呈三角状态。

5.根据权利要求4所述的深水水下结构物防扭转的安装装置，其特征在于：所述绞车导向缆和结构重块之间是通过一连接结构连接为一体，该连接结构包括：安装在第一个卸扣上的一旋转接头、三角板、第二个卸扣。

6.根据权利要求4所述的深水水下结构物防扭转的安装装置，其特征在于：所述结构重块的材料为：钢或者水泥混凝土；形状为：规则的立方体或圆柱体结构；结构重块上安装有一供卸扣安装的吊点。

7.根据权利要求4所述的深水水下结构物防扭转的安装装置，其特征在于：所述水平牵引缆为：无弯曲和扭转刚度的链式结构。

8.根据权利要求4所述的深水水下结构物防扭转的安装装置，其特征在于：所述短缆通过卸扣及水下结构物吊装索具连接在深水水下结构物或安装在水下结构物上，吊装索具与船上绞车的缆绳相连，该缆绳用于引导和约束水平牵引缆，随着深水水下结构物的下放实现同步下放。

9.根据权利要求4所述的深水水下结构物防扭转的安装装置，其特征在于：所述深水水下结构物受到的竖直平面内的外力矩采用以下公式进行计算：

$M=m_{c}g\·tan\mathrm{\θ}\·(r+d-l\·sin\mathrm{\θ}\frac{m_c}{m_s})\·\sin \mathrm{\β}$

式中：

M为深水水下结构物受到的竖直平面内的外力矩；

m_c为结构重块的自重；

m_s为水下结构物的自重；

g为重力加速度；

θ为绞车导向缆与竖直铅垂线的夹角；

r为水平牵引缆连接点距离水下结构物旋转中心的距离；

d为水平牵引缆的长度；

l为绞车导向缆的有效长度，即：绞车滑轮到滑动卡环之间的距离；

β为水平牵引缆的旋转角；

其中：

$sin\mathrm{\β}=\sqrt{1-{\mathrm{cos\β}}^2}$

其中：

$cos\mathrm{\β}=\frac{{(d+l\·\sin \mathrm{\θ})}^2+{(r+d-l\·sin\mathrm{\θ}\frac{m_c}{m_s})}^2-r^2}{2(d+l\·\sin \mathrm{\θ})(r+d-l\·sin\mathrm{\θ}\frac{m_c}{m_s})}$

并根据深水水下结构物主尺度信息以及安装施工海域的环境条件，估算出深水水下结构物在安装下放过程中，受到的竖直平面内的外力矩M，且根据以上公式构建如下函数：

$y=f(m_c,r,d,l)=M-m_{c}g\·\tan \mathrm{\θ}\·(r+d-l\·\sin \mathrm{\θ}\frac{m_c}{m_s})\·\sin \mathrm{\β}$

通过给定函数参数的初值，对以上函数采用数值迭代的方法进行求解，函数值y＝0表示恢复力矩与深水水下结构物受到的外力矩M平衡。