（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）铺管船概念设计稳性分析及仿真.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 海底管道大多数是采用铺管船法铺设的。铺管船法铺设海底管道较其他 方法具有抗风能力强、广泛的适用性、机动灵活和作业效率高等优点。铺管 船上装备各种铺管专用设备，例如张紧器、弃拾管绞盘、托管架和定位系统 等。在船甲板上设有一条铺管流水线，在作业线上完成对中、焊接、无损检 验、阴极保护、节点防腐涂层等工序。 本文内容主要包括： 1 )铺管船类型介绍：通过各种方式的调查研究，总结国内外已有铺管 船的类型及分类方法。 2 )铺管船概念设计：根据本设计铺管船的技术规格书，选取国内已有 的优秀铺管船总布置作为参考，通过对本设计船技术规格和母型船总布置的 研究，对本设计铺管船进行布置。 3 )铺管船仿真：这一部分主要是利用t r i b o n 软件建立本船船壳体的 三维模型，然后将其导入到c a t i a 软件中。在c a t i a 中主要利用零件设计模 块和曲面设计模块对铺管船的甲板和上层建筑和主要设备进行三维仿真。 4 )铺管船十大设备选型：这一部分主要是为本铺管船选择需要主要设 备的型号、实物的图形及简单的计算。写明通过分析调研得出的结论及建议 选型。通过调研经验及分析比选提供有说服力的比选结果。 5 )铺管船稳性计算：对本设计铺管船进行完整稳性计算。 6 )施工工法和管道检测技术介绍：针对本铺管船的工作海域和技术任 务要求，为本铺管船选取合适的铺管工作方法，并对管道检测技术进行介绍。 通过本论文的研究，将船舶设计知识进一步应用到实际中，更深的掌握 了本学科的知识，并对铺管船的工作特点和主要设备有了深入的了解。由于 对石油的需要，当今国内船舶市场对铺管船的需要正在逐渐增大，而国内主 要的铺管船还是由国外来设计的，因此，希望本论文的研究可以作为今后铺 管船设计一个借鉴。 关键词：铺管船类型；概念设计与仿真；设备选型；稳性计算；施工工法 a b s t r a c t o f f s h o r ep i p e l i n e sh a v eb e e nm a i n l yl a i db yt h eu s eo fp i p e l a yv e s s e l s c o m p a r i n gw i t ho t h e rp i p e l a ym e t h o d s ，t h eu s e o ft h ep i p e l a yv e s s e l sh a s a d v a n t a g e ss u c ha sg o o dr e s i s t a n c et ow i n dl o a d s ，a n dw i d ea p p l i c a t i o n sa n d e f f i c i e n c y i nt h ep i p e l a yv e s s e l st h e r ea r es e v e r a ls p e c i a le q u i p m e n t ss u c ha s t e n s i o n e r s ，a & rw i n c h e s ，s t i n g e r sa n dd y n a m i cp o s i t i o n i n ge q u i p m e n t s t h e r e i s a p l a n n e dw o r k f l o wi nt h ed e c kw h e r ep i p ea l i g n m e n t ，w e l d i n g ，n d ei n s p e c t i o n ， a n o d e si n s t a l l a t i o n ，f i e l dj o i n tc o a t i n ge t ca r ec a r d e do u t t h et h e s i sm a i n l yi n c l u d e s ： 11t h ek i n di n t r o d u c t i o no fp i p e l a yv e s s e l s ：b yu s i n g av a r i e t yo f r e s e a r c h ，c o n c l u s i o nt h ep i p e l a yv e s s e lc a t e g o r ya n dc l a s s i f i e dm e t h o d t 1 1 a th a v ee x i s t e di nw o r l dn o w 2 ) c o n c e p td e s i g no ft h ep i p e l a yv e s s e l ：i n a c c o r d a n c ew i t ht h e v e s s e l s p e c i f i c a t i o n ，s e l e c t i n ga e x c e l l e n tp i p e l a yv e s s e la sd e s i g nr e f e r e n c e 3 ) s i m u l a t i o no ft h ep i p e l a yv e s s e l ：t h i sp a r ti sm a i l yb a s e do ni n p u t i n ga h u l lm o d e lt h a td e r i v e df r o mt r b i o ns o f t w a r ei n t ot h ec a t i as o f t w a r ea n d o u t p u t t i n gt h e3 - ds i m u l a t i o nm o d e l o f t h ep i p e l a yv e s s e l 4 ) p r o c u r e m e n to fp i p e l a yv e s s e l 10e q u i p m e n t ：t h i sp a r ti sm a i n l yt o p r o c u r ea p p r o p r i a t ee q u i p m e n t f o rm ea b o v ed e s i g n e dp i p e l a yv e s s e l 5 ) s t a b i l i t ya n a l y s i s ：i n t a c ts t a b i l i t ya n a l y s i so f t h e v e s s e l 6 ) i n t r o d u t i o no ft h ee n g i n e e r i n gm e t h o da n dp i p e l i n ed e t e c tt e c h n o l o g y ： b yr e s e a r c ho ft h i st h e s i s ，w ec a nm o r ea p p l yt h es h i pd e s i g nk n o w l e d g e i n t o p r a c t i c e ，a n dm o r ed e e p l yc o m m a n ds p e c i a l i t yk n o w l e d g e a n dm o r eu n d e r s t a n d i n g t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dm a i ne q u i p m e n to fp i p e l a yv e s s e l n o wi n t e r n a l s h i pm a r k e tm o r ea n dm o r en e e dt h ep i p e l a y v e s s e lb e c a u s et h en e e do ft h e o i l h o w e v e rn o wam a jo r i t yo fi n t e r n a lp i p e l a yv e s s e li sd e s i g n e db yo v e r s e a s c o m p a n y t h e r e b y , 1w i s hm y t h e s i sc a nb e c o m eah e l pf i l ef o ri n t e r n a ld e s i g n p i p e l a yv e s s e l k e y w o r d s ：p i p e l a yc a t e g o r y ；c o n c e p td e s i g n a n d s i m u l a t i o n ；e q u i p m e n t p r o c u r e m e n t ；s t a b i l i t ya n a l y s i s ；e n g i n e e r i n gm e t h o d ； 2 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：豇亟基尘 日 期：汐d 矿年多月2 - e l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 我国的滩海地区蕴藏着极为丰富的油气资源。经初步勘探估计，仅渤海 湾沿岸滩海地区的石油储量就达2 0 亿吨以上。胜利、辽河、大港等油田都在 向滩海领域发展，以使其成为后续油气产量的重要基地。胜利油田渤海湾滩 海地区已成为海上油田开发的主战场，“九五”己建成年产量2 0 0 万吨的生产 能力。辽河、大港等油田滩海勘探开发也都有新的突破。但是，渤海湾滩海 区域自然环境条件差，地貌复杂，且风大浪高，涌多流急，受风、浪、流、 潮汐等影响，滩海铺管敷缆作业困难多、危险性大，施工速度和工程质量都 难以保证；而且由于渤海湾滩海区域水深较浅，土质复杂，陆地设备下不去， 普通的海洋工作船进不来，给滩海铺管敷缆施工带来极大的困难。因此，研 制一台安全可靠、经济实用、操作简便、自动化程度高、设备齐全、工艺技 术先进的铺管敷缆装置，以延长海上作业时间，加快施工速度，保证施工质 量，降低工程成本，提高经济效益，满足滩海铺管敷缆施工的急需，是十分 必要的u 1 。铺管船的设计中，而主要设备的选型是也是非常关键的。我国铺 管船设备的供应商和制造商很少，主要分布在美国、英国、新加坡、意大利、 荷兰等国。在国内海洋工程正处于上升，国外海洋工程已经成熟的今天，我 国应加大力度开发海洋工程，高效的利用海洋能源，以解决我国的能源问题。 1 2 铺管作业方式 海洋管道铺设作业是由陆上管道穿越河流、湖泊水域的施工方法发展起 来的。铺管作业常见的三种方法是：铺管船铺设、牵引法铺设和定向钻法铺 设。作业过程中选择何种方法是根据管径大小、海水深浅、海况和距岸远近 等条件确定的。近年来海洋油气田探勘接近千米深的海域，海洋管道施工技 术正向这一深度发展。 1 、铺管船法铺设：该方法铺设海底管道较其他方法具有抗风能力强、广 泛的适用性、机动灵活和作业效率高等优点。它是以铺管船为中心和其他辅 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 助船如：抛锚船、运管驳船、潜水作业船、供应船、调查船等组成施工船队， 在水深能满足铺管船吃水要求的滩海区域，高效、安全经济的进行管道铺设 作业。其优点是： ( 1 ) 铺管效率高。 ( 2 ) 铺管安全性高。 ( 3 ) 节省施工场地。 2 、牵引法铺设：在水深较浅，海况条件较好，并且海底地质能满足设计 要求、易开沟的滩海区域，一般采用牵引法施工。其优点是： ( 1 ) 牵引法施工工序比较简单。 ( 2 ) 费用相对较少。 3 、定向钻法铺设：在特殊的滩海区域，可以采用定向钻法。 1 3 选择铺管船法铺设海底管道 通过上述比较得知，铺管船法铺设海底管道较其他方法具有抗风能力强、 广泛的适用性、机动灵活和作业效率高等优点。它是以铺管船为中心和其他 辅助船如：抛锚船、运管驳船、潜水作业船、供应船、调查船等组成施工船 队。 铺管船上装备各种铺管专用设备，例如张紧器、弃拾管绞盘、管段传送 装置、对中装置、支撑辊轮、舷吊、托管架和定位系统等。在船甲板上设有 一条铺管流水线，在作业线上完成对中、焊接无损检验、阳极保护、节点防 腐涂层和节点浇注马蹄脂等工序，每接好一段管段，利用锚绞车向前移位( 对 于动力定位的铺管船，向前航行一个管段长度) 下放管段。 1 4 铺管船发展历史 5 0 年代在开发浅海区油气田时，多采用人工开出一条能通行浅水船的河 道，并在一种用浮箱拼装而成的铺管驳船上，把管子组装起来，当驳船向后 移动时，焊接好的管段即滑入水中。这种铺管驳船逐步发展成为大型铺管船。 1 9 5 6 年第一艘较大型的铺管船投入使用。船上可以堆放管材，设有吊运管子 的起重设备和管段的组装线，还有托管架作为管段下海的滑道。这种铺管船 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 锚定技术较完善，可在3 0 米深的海域作业。此后，铺管船不断地发展，出现 了具有自航能力，可铺设更大口径的管道，能在较深的海域作业的自航式铺 管船。 1 9 6 5 年在开发大西洋的北海油气田时，这种类型的铺管船因抗风浪能力 差，不能适应北海区的海况，作业经常被中断，经过改革船体结构，制成半潜式 铺管船，加强了抗风浪能力。7 0 年代初期“乔克陶i ”号半潜式铺管船在澳大 利亚的巴斯海峡投入使用，证明半潜式铺管船稳定性好，并能在1 2 0 - 1 8 0 米 深海中进行铺管作业。1 9 7 9 年半潜式“卡斯特罗”号铺管船，在建设由非洲阿 尔及利亚经突尼斯穿过突尼斯海峡通向欧洲意大利的输气管道时，成功地在 6 0 8 米深的海域中铺设了5 0 0 毫米管径的管道。 铺管作业过程是将管子经陆上预制厂加上水泥加重层后，用船运到铺管 船上，将管子逐段组装焊接，焊好的管段在铺管船向前移动时，从船尾部的 托管架上滑入海中。整个铺管作业的过程中，管段下滑的长度必须与船的位 移量同步，同时，铺管船必须处于较稳定的状态。为此，在铺管船的前后左右 布置有4 - 6 个船锚，调节锚缆的松紧可稳定船只；调节锚缆的长短可移动船 位。管段自托管架的尾部滑向海底时，悬吊在海水中形成一个由上拱弯转为 下弯曲的s 形，使管段受到复杂的弯曲应力的作用，此外，还受到浪涌和水流的 冲击力的作用。为了使管段不产生永久变形，须用托管架保持上拱弯尽可能 大的弯曲半径，并使下弯曲处处于容许弯曲应力的范围以内。因此船上有能 力足够的张力机夹住管段，使之不能自由滑动，并且使管段下滑同船的位移 距离一致。 我国海洋石油、天然气开发中铺设的海底管道大多数是采用铺管船法铺 设的，铺设的管道主要有两种形式：一种是平台之间的海底管道，它是通过 管道将井口平台的油气输送到集输平台或浮式生产系统；另一种是由海底管 道将平台或单点系泊装置的油汽直接输送到陆地炼油厂或气体处理厂。 1 5 本文工作内容 本论文主要研究的内容包括以下几个方面： 对铺管船进行分类，阐述各类型铺管船的优缺点及安装能力 3 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 - 对要设计铺管船进行总布置研究和利用c a t i a 进行三维仿真 对该铺管船主要设备进行选型研究 对该铺管船进行稳性分析 介绍铺管船海上作业施工工艺、管道焊接工艺和无损检测工艺 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章铺管船概述 滩海铺管船由以下几个系统组成：主船体系统，管道焊接系统，管道铺 设系统，起重系统，动力系统，锚泊系统，定位系统及移位控制系统，通讯 导航系统，安全及救生环保系统等“。 图21 工程专用铺管船图2 2 “监疆号铺管船 2 1 铺管船类型、原理、安装能力及优缺点 管道安装方法过去二十多年发生了显著的变化。这些方法在最近的b p f o r t i e s l 7 0 公里干线管道的替换巾又得到适当地提高。当该管道1 9 7 4 年首次安 装时，用两条铺管驳船花了两个夏天，并且每条铺管驳船由于天气遭受了6 0 停工时间的损失。在1 9 9 0 年，它用一个( 相对旧的) 铺管船安装替换管道( 并 且管壁与最初的1 9 m m 相比明显较厚2 8 5 m m ) 。铺设速度的明显增加源于以 下几个因素的组合： 改进了焊接技术 改进了调查能力 改进了移锚技术 改进了程序 安装管道的方法不同，选用不同的船型( 见图2 3 ) ，取决于铺管方法和 位置特性( 水深、天气条件等) ，其主要类型包括： 半潜式s - 铺设j - 铺设 s 一铺设，j - 铺设船 艇遴 哈尔滨工程大学硕士学位论文 滚筒船 拖或拉船 2 1 1 半潜式铺管船 开发半潜式铺管是由于单体铺管驳船所历经的大量气候停工( 特别是在 北海) 的直接反应。这种船具有优良的耐候能力并且可以在8 级风力条件的 海况为管道铺设提供稳定的平台。这通常是锚固操作船的泊船的极限限制半 潜式在恶劣天气下操作的。目前在北海有几艘这样的船只在作业( 见图2 3 典型船- s e m a e ) 。 1 一般原理 半潜式铺管是一个有效的浮动工厂，其将管线管焊接在一块，并且精确 地将管体安装在海床上。最早在墨西哥弯使用的铺管驳船在北海历经到使管 道铺设迅速且无损伤的困难。结果，半潜式铺管得到发展。这些船以下述顺 序进行铺管。 用铺管船吊机将1 2 m 的管节运送到甲板上； 将管节送上运输线进行坡口和将管节连接成对( 9 2 管节) ； 存储双管节； 将双管节焊接到主组装线上； 铺管道到海床上而不使管道超过负载。 为了完成这些任务，船应当具有述能力： 稳定的平台和恒定张力的张紧器以便允许管道以s 形铺设入海( 见图 2 5 ) 。如果船移动太多( 如由于天气) ，管道可能过载并且可能屈曲。 快速连接作业的方法。这些船可以一天内安装管道达5 k m ( 每3 5 分 钟一个管节) 满足速度达到平均3 5 分钟一个管节的焊接和无损检验方法。这意味 着每个焊缝实际上花( 3 5 x 4 2 ) 2 8 分钟就可以完成。 6 ! 窒堑鎏三垒奎兰些圭：堡尘兰 z f 萄丽霞爵螽妥瑟痧 z z s e m i - s u b m e 只s i b l el a y b a r g e - s e c e m c ) 、| 蒋式铺管船 ( m c d e r m o n r e e ls h i p dpche(stenm 滚筒船 p i p e l a ys h i p s j o r e l a y ( a l i , s e a s ) 。e t p m d l b l 6 0 1m ( n o d pr e q u i r e s a n c h o r s ) 铺符船 d s vp i p e w n y 0 【n os u p p o r t v e s s e l w i t h d p t e m c a p a b l eo f c o n s t a n t p u l l 口y p l 0 d 0 w n 图23 各类铺符船 d s v 锄管船 l 剖2 4 、潜式钏管船 ：笪尘堡兰垄奎兰竺圭兰堡鎏兰 图25 安装过程典型的管子形态 c o n t r o l l e d d e p t ht o w m e t h o d t r j u n gt u g p a t r o lv e s s e l 。鹳。g 摧 图2 6 出油管线拖法 2 安装能力约束 半潜式铺管可以在很宽的管径范围( 6 ”到4 0 ”) 和水深由1 0 到1 5 0 0 m 的范围内( 迄今晟深是6 0 0 m ) ，进行管道安装。 铺管船的主要约束是费用，它们通常需要4 0 0 个员工、两条抛锚船、一条调 查船和运输管线管的供应船。铺设的总费用每年的变化取决于设备费率等。 2 1 2 铺管船和驳船 1 一般原理 铺管船以与半潜式铺管同样的方式安装管道。主要差别是这些船是单体 船，因此没有半潜式那样很好的海况把握能力。平驳的海况把握能力比船差， 仅仅用在较平静的波浪气候条件。除了这些，管体的运送、焊接和铺设如对 半潜式讨沦同样方式进行。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 安装能力限制 铺管船具有与半潜式铺管非常类似的安装能力。这包括宽范围的管径和 1 5 m 到超过1 0 0 0 m 的水深。 单体铺管船的海况把握能力比半潜式铺管差。这产生较长的停工周期， 减少了每个季节管道可以安装的总时间。 铺管船的主要优点是费用：相对小的、动力定位船可以不用抛锚船的帮 助而作业。目前没有装备动力定位的半潜式铺管。 如果工作可以限制在夏季，那么一个小的动力定位船对于短管道的安装 会提供一种比任何大的现有半潜式铺管都更经济的方法。然而如果为了铺管 目的装备较小的动态定位半潜式，同样在夏季，应用铺管船和应用半潜式相 对费用效率可能是不同的。 2 1 3 滚筒铺管船 目前在北海的英国部分有一条滚筒船( s t e n aa p a c h e ) 。这种船已经为 安装短的、小直径管道提供了一种经济的工具。 1 一般原理 滚筒式铺管可以用于铺设1 6 ”的管道。管道在岸上建造且卷到一个放在 专用船上的大滚筒上。在卷绕过程中，管体在滚筒上经受塑性变形。 在安装期间，管体回卷并且用一个专用的拉直滑道进行拉直。然后管 子以类似于铺设驳船所用的形状( s 一铺设) 安放在海床上，尽管在多数情况 可以使用一个较陡的滑道并且消除上弯曲率( 即j 铺设) 。使用j 一铺设方 法可以达到非常深的水深。 滚筒铺管分析可以使用与铺管驳船同样的技术来完成。必须对卷绕过 程与管道钢级和所用的焊接工业的相容性给予特别的注意。最新试验已经证 明卷绕过程在较高级别钢材可能导致不可接受的加工硬化。 滚筒式铺管的主要考虑是管体的塑性变形必须保持在相关规范规定的 限度内。现有滚筒船考虑了这些规范的要求。 2 安装能力约束 由于将管道卷到小直径滚筒上的要求，管道历经某些塑性应变。应变许 可量( 和管体椭圆度) 限制了管道可以用该方法进行安装的最大直径。通常， 1 0 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 取决于壁厚，最大直径是1 6 ”。同样，由于滚筒的有限尺寸，仅仅长度短的 管道可以铺设( 通常3 1 5 公里，取决于管体直径) 。然而，如果可以得到 更大的管子滚筒，安装较大管道是可能的。 如果认可这种方法的约束，滚筒安装方法可以被证明是一种可靠的和经 济的安装管道的方法。这种施工方法的主要优点是： 海上安装周期短； 海上作业面最小( 无抛锚作业) 2 1 4 拖或拉船 这种方法用在短的管道，通常少于4 公里，( 已经铺过7 公里) ，已证 明用铺管船安装是困难的、不可能的、或更昂贵的。 1 一般原理 管道在岸上制造，当其完成后拖到海里。选择和设计管道的浮力，以确 保可以在控制的深度拖动。通常配两个拖船将管道拖到位置；一个在首部， 一个在尾部。到位置后，管道被灌水和就位。这种安装方法通常用在当几条 出油管线被预制在一起时( 即集束) 。 2 安装能力限制 在岸上预制管道的主要优点是： 与海上预制相比，设备费用低 长的制作周期，允许应用更困难的预制技术。一些预制技术，诸如用 集束作法( 几条管道束紧在一起并且有时安装在一个运送管内) ，不可能在 海上船只上完成。 管道预制不易被天气中断。 然而，使用拖拉方法的约束是： 由于预制场地的尺寸( 长度) 和在拖出时控制长管道的困难性使管串 的预制长度受到限制，迄今使用该方法的最大管道长度是7 公里。管道宜以 直线安装。在系统中安装弯头需要大量的治理工作。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 铺管船常见铺管方式 铺管船铺设海底管道，常见的铺管方式有以下几种 2 21s - l a y 铺管方式 该铺管方式应用于刚性管。管道接头在水平位置进行焊接后，通过托管 架伸向海底。该铺管方式拥有很大的弯曲半径，以保证管在弹性范围内的弯 曲强度。管道的铺设是利用张紧器来完成的。见图2 7 。 s i a v 蘸 j o = 二t ir “。蠹! ” 图27s - l a y 铺管方式图2 8j - l a y 铺管方式 主要优点：因为焊接过程在多个焊接站之间同时被完成，所以拥有高的 生产率： 不存在管的塑性弯曲； 可以铺放涂混凝土的管； 适合浅水作业； 主要缺点：向深海铺放时需要很长的导管架 在深海作业时，要求大的船舶推动 2 2 2j - l a y 铺管方式 该铺管方式应用于刚性管，管道接头在倾斜位置进行焊接后，利用滑轮 连着管上的衬垫对管子进行铺放作业。见图2 8 。 主要优点：不要求或要求小的托管架； 不存在管的塑性弯曲； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 适合深水作业： 主要缺点：由于只有一个焊接和涂漆站，因此生产效率低 要求管子上有衬垫( 费用) 上述这些缺点可以采用利用两个铺放工作站来工作的方式得到缓解。利 用这种方式可以增加管的铺放效率，并且管道的铺放可以利用张紧器来完成。 但是这个过程要求提供一个很高的塔。利用一个睦的管撑可以是管道的铺放 速度得到增加，但是这也增加了对塔高的要求。 2 2 3 卷筒类( r e e l l a y ) 铺管方式 该铺管方式应用于刚性管和弹性管，在这种铺管作业方式中，有很长的 管是在岸上进行焊接作业并缠绕在铺管船的垂直卷轴上的，在管铺放过程中 管道是从卷轴上绕下的，铺向海底，但是管在离丌铺管船时要将其管拉直处 理。 图2 9 卷筒类铺管方式图 2l o 转盘类铺管方式 主要优点：很高的生产率： 在可控制周围环境的条件下，管的焊接工作在岸上进行 主要缺点：将管缠绕在卷轴上的前提是要对管道进行预处理； 管是塑性弯曲的； 不能铺放涂混凝土的管： 铺设管道直径一般要求不大于0 5 m ； 匿 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 4 转盘类( c a r o u s e l l a y ) 铺管方式 该铺管方式应用于刚性管和弹性管。在这种作业方式中，有很大长度的 管是在岸上焊接并缠绕在铺管船水平卷轴上的。在铺管的过程中，管道从转 盘上绕下，铺向海底，但是管在离开铺管船时要将其管拉直处理。 主要优点：非常高的生产效率 在可控制周围环境的条件下，管道的焊接工作在岸上进行 主要缺点：将管缠绕在卷轴上的前提是要对管道进行预处理 管是塑性弯曲的 张紧器需要做垂向的移动以配合管的升起 在深海铺管作业时，需要非常长的导管架支撑被铺管道 2 2 5 垂直类铺管方式 该铺管方式应用于弹性管管系，弹性管被存放在卷轴上、转盘上等上， 在管道越过一个塔被绕下期间，一个垂直安装的张紧器将该管道铺放到海底。 主要优点：管在张力作用下不弯区 设备非常轻便 定位于尾部、两侧或月池 主要缺点：不适用于冈4 性管 图21 1 垂直类铺管方式 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3s - l a y 铺管船类型 2 3 1 第一代s - l a y 铺管船 图21 2 第一代铺管船图 2 】3 第二代铺管船 d b i t 是典型的第一代s 型铺管，其具有简单的结构，作业于墨西哥湾。 1 9 6 9 年生产，可铺设1 5 2 4 m m 的管线，有5 个焊接工作问，并可在3 0 r 和 1 5 0 0 f t 之间的海洋中作业。同时可以装载1 2k 的管线，并将这些管线在焊接 间焊接在一起。 届时，这些管道将被拖用到船尾，置入钢架中，然后才进入水中。这些 管线被焊接在一起后，铺管船将用铺管系统来维持焊接间的稳定性。 2 3 2 第二代s 1 a y 铺管船 第二代铺管船明显要比第一代大很多，并且被装各上了先进的系统，其 中有一些像船一样的装备，主要是半潜式驳船。 图示中的c h o c t a w i c 是第一艘二代铺管船，建造于1 9 6 9 年，其设计适 合于巴拿马海峡的环境，但其狭长的船身设计不能发挥应有的作用。此船正 在北海作业，显示了其优良的特性。 霉 k 隳 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 3 第三代铺管船 图2 1 4 第三代铺管船 第三代铺管船比第二代更加庞大 的稳定。 图2 1 5 第四代铺管船 且宽大的船身设计在海上作业时更加 这艘l b 2 0 0 铺管船比一个足球场还要大，其船尾有一个坚固的移动式舷 梯，同时焊接效率增强了一倍，拥有1 2 米管线焊接机和2 4 米管线焊接间。 这艘船全长1 6 2 m ，宽6 0 m ，并拥有一个高出水平面1 3 。2 米的工作平台甲板。 其它类似的船有：s e m a c i 和c a s t o r os e i 。 2 3 4 第四代铺管船 第四代铺管船已经使用了推进器和动力地位系统，所以不需用锚链系统。 第四代铺管船有来自a l l s e a s 的s o l i t a i r e 和l o r e l y 。 s o l i t a i r e 在深水区作业，其能力可以与j 型铺管船媲美。s o l i t a i r e 的铺管 效率要远高于j 型铺管船和其它s 型铺管船，其拥有2 套焊接器，7 个焊接 间，1 处无损伤检测站和2 处涂装站。 2 3 5 系泊铺管船储系铺管船 大多数s 型铺管船是锚系定位，根据铺管船型号一般有8 个或是1 2 个锚， 一个锚的失效不至于发生事故，而所有锚都失效的情况也是不可能的了。 ? 盈 譬至蒌三堡奎兰堡圭耋堡篁苎 幽2 】6 锚系铺管船图2 1 7 动力定位铺管船 锚链必须符合铺管船要求，并且锚链控制系统可以布置锚链的位置，当 操纵接近其它管线和平台时，每个锚的地点也需要一个运输船管理系统进行 认真地监控，锚链必须随管道路线、邻近的装置和周边环境而定。安装的锚 的类型取决于所需要的拉力和沿着管道线路的海床土质。通过推进前锚和控 制后锚，保证铺管船沿着所需路线移动，港口和右舷锚使驳船保持横向移动。 当水位增高时，锚的调整需耗大量的时间从而影响铺管的速度。链长被 纳入锚链中以用来降低垂直高度，因此锚定铺管船受“阴影”水域的限制。 2 3 6 动力定位铺管船 动力定位铺管船的船形比锚系铺管船拥有更大的调度力；可置于与平台 更近的位置；防干绕能力强；有自身动力系统。 艘动力定位铺管船拥有很多优势，能应用g p s 定位系统，并且可以预 置其位置和航行路线。现代铺管船应用定位系统，使其不受水域的限制。而 早期的铺管船去在这一方面去没有优势。此系统有一个缺点：要消耗大量的 动力。铺管船上安装有不同额度性能的动力定位系统，依靠诧的需求工作。 2 4 本章小结 本章主要介绍国内外已有铺管船的类型、工作原理及安装能力，主要有 以下四种类型铺管船： 1 、半潜式铺管船； 2 、铺管船和驳船： 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 3 、滚筒铺管船； 4 、拖或拉船； 另外，介绍几种常见的铺管方式，特别介绍铺管船法铺设海底管道的方 式，包括铺管船法铺设、牵引法铺设和定向钻法铺设。还介绍了常见的铺管船 铺设海底管道的方式，包括： 1 、s l 蚪铺管方式 2 、j - l a y 铺管方式 3 、卷筒类铺管方式 4 、转盘类铺管方式 5 、垂直类铺管方式。 最后结合本船的设计，介绍s l a y 铺管船的类型，包括：。 1 、四代铺管船：运输船；简易船；定位船；船形驳船； 2 、定位方式的选择：锚链定位；动力定位。 下一章将介绍本论文所设计的铺管船的类型及工作能力。 1 8 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 第3 章铺管船概念设计与仿真 3 1 铺管船概念设计 本铺管船设计采用优秀母型船法，所选母型为我国蓝疆号铺管船。 母型船设计法： 根据综合设计船与母型的特点，根据舱室布置要求的甲板面积要求绘制 总布置草图。本次设计应用仿似变换，其实质是将母型的船型系数保持不变 将母型船的型线在长度、宽度、高度方向上根据设计的船的主尺度做相应的 放大或缩小，得到设计船的型线。 这种方法的优点是： 1 一次就可得到既符合主尺度和排水量要求又相互配合的型线，节省时 间。 2 可由母型船几何特征直接得到设计船的型值。 3 设计船的性能有保证。 ( 一) 母型船描述 蓝疆号大型起重铺管船是中国海洋石油总公司为加快海上油气田开发而 建造的”十五”期间，中国海洋石油总公司的石油与天然气年总产量将达到 4 0 m t 这一期间，海上需新建石油及天然气平台5 0 多座，铺设海底油气输送管 道约14 0 0k m 蓝疆号建成后可为上述目标的实现提供保障在以往的油田建 设中，由于整体吊装能力不足，大型平台只能分块建造，蓝疆号建成后将会改变 这一落后局面蓝疆号大型起重铺管船于2 0 0 1 年春建成交付使用 蓝疆号大型起重铺管船是一艘非自航无限航区作业的大型工程船，船体 总长1 5 7 5m ，型宽4 8m ，满载排水量5 8 0 0 0t ，可在1 5 0m 水深实施起重和铺管 作业该船主甲板艉部装有1 台38 0 0 t 起重能力的全回转电动起重机；船上设有 铺管系统，铺设最大管径为12 2 0m l n ，具有单节管和双节管2 种铺管模式；船上 有直升飞机平台和作业人员生活区，生活区可满足2 8 0 人住宿、餐饮；船舶设备 具有较高的技术含量，其主要设备如起重机、铺管系统、动力和推进器都采用 了世界顶级名牌产品 1 9 哈尔滨工程火学硕士学位论文 ， ， 。 ，。 基羹藏 “菥簿毫篓臻一，谲纛遵量翼翕繇玉 器蕊蠢邈熬纂剿 图3 1 蓝捌号铺管船 表3 1 主要尺寸 总k ：1 5 75 m型宽：4 8 m型深：1 25 m 满载吃水：80 m满载排水：2 8 9 1 吨 甲板荷载：1 0t m 2 床位2 7 8 人 甲板空间：2 2 5 0m 2 定位锚1 2 个锚缆长度2 2 0 0 m 主钩有限网旋3 8 0 0 tx3 0 m主钩艉吊能力3 0 0 0 tx4 0 m 主钩全回旋2 5 0 0 tx 4 4 m1 # 辅钩全l 叫旋8 0 0 tx6 0 m 2 # 辅钩全回旋2 0 0 tx1 0 5 m小钩5 0 t 推进器2x f s z 5 1 0 - 5 6 3 m n 功率，转速3 0 0 0k w 7 5 0l pm 螺旋桨2 1 2l p m d i a3 0 0 0 i n m主发电机组3x 瓦西兰9 l 3 2 功率3x3 9 9 0k w 张紧器2x7 5 t工作站1 0 个 a r 绞车1 6 0 t2 5 m r a i n 适用管径1 1 43m m 一1 2 1 9 m m 作业水深8 m 1 5 0 m风速 】6 m s 浪高电m 托管架类型：漂浮式类型 ( 二) 设计指标 1 入级 本船入中国c c s 船级 哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 2 作业海域 我国东海和渤海海域 3 基本功能 该铺管铺管船为钢质非自航式工程船，该铺管船的主要用来铺管，建造 等工作并且拥有工作和生活居住舱室。 4 主要参数 表3 2 主要参数 总长( l o v ) 1 7 7 8 m 型宽 3 9 2 m 型深 1 2 3 m 空载吃水 3 8 2 6 m 设计吃水 6 8 9 5 m 甲板铺管位置左舷，右舷 有义波高4 0 m 风速2 0 海里d , 时 极限工作状态 流速3 海里4 , 时 1 有义波高5 0 m 弃管2 风速3 0 海里d , 时时速 3 流速4 海里4 , 时 1 2 0 0 t ( t i e d b a c k ) 1 0 0 0 t ( 回转) 6 0 0 t ( 辅助) 1 5 0 t ( 动臂) 提货高度8 0 m ( 距海平面的垂直高度) 最大半径7 5 m 主起重机 最小半径2 5 m 提货速度( 1 5 0 0 t ) 1 7 m m i n 提货速度 ( o t )3 5 m m i n 1 5 0 t ( w h i p ) 提货高度1 2 0 m 最大半径9 2m 动臂起重机 最小半径4 1r n 提货速度( 1 5 0 t ) 2 0 m m i n 提货速度 ( 0 t ) 4 0 m m i n 辅助起雷机6 0 0 t ( a u x ) 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 提货高度1 1 0 m 最大半径8 5m 最小半径3 5m 提货速度 ( 1 5 0 t )2 0m r a i n 提货速度 ( 0 t )1 4m m i n 1 5 0 t ( w h i p ) 提货高度1 2 0m 最大半径9 2m 动臂起重机 最小半径4 1m 提货速度( 1 5 0 t ) 2 0 m m i n 提货速度 ( o t ) 4 0 m m i n 满载货物1 0 0 0 to 1 2 5r p m ( 每分钟转数) 旋转起重机 0 to 2 5r p m 1 气动绞盘绞车至少4 个 主吊绞车 2 电动绞盘绞车至少2 个 甲板绞车1 气动绞盘绞车至少2 个 起重机( 轴隧) 4 4 m 至中线 船舯甲板2 奉2 m 的吊杆柱承载能力3 0 0 t ， 合适的绞盘( 液压式) ， 系泊系统 2 根缆桩，承载能力分别为： 1 7 5 m m ( 3 英寸) 的锚链 2 1 5 0 m m ( 6 英寸) 的锚链 推进器无推进器 锚船首2 个，船尾1 个 护栏 前缘平板式 控制塔 n a v t e x 回声测探器( 有打印机) 导航设备 自动气压计 无液气压计膜盒气压计 ( 五) 总体布置简介 1 总体布置图 譬暂垄三塞奎兰罂圭：箸鲨銮 见下图 图3 2 总布置图 = = 二= = = = 二l = = 二= = = l 一 鲑重量主i 差 e 蕊蠡 幽3 3 型线圈 2 总布置描述 根据该课题要求，滩海铺管装置由主船体系统、管道焊接系统、管道铺 设系统、起重系统、动力系统、锚泊系统、通讯、导航系统、安全、救生、 环保系统、生活设施系统等十个系统组成”1 。 主船体系统 主船体系统是铺管装置的主体部分，用于安装动力装置、施工作业设备、 锚泊设备、吊机等设各，存储钢管等施工用料，提供工作人员住宿及拖曳水 下所需的牵引力。分为甲板和船舱两大部分。 盛 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 甲板分区主要由管道焊接入水作业线、储管平台、管道输送装置、 吊机、锚机和主控制室( 中央控制室) 等组成。管道焊接入水作业线布置在 平台甲板一侧，贯穿整个甲板。在焊接作业线上，布置对口根焊、填充焊， 盖面焊，检测、防腐补口，配重补口等。管道张紧器装置在焊接作业线后部， a r 绞车则设置在平台甲板首部的舷侧。一台回转式吊机，设置在甲板尾部 中心线上，用以安装立管和安装托管架。舷侧设有舷侧吊，用来进行海上管 道接口。甲板上还配置一台甲板履带吊，用于运送管道和其他设备。锚机分 布在甲板，用于定位、移位系泊时。主控制室位于甲板前方中间位置，是整 个铺管敷缆装置指挥和控制的中枢。 ( 2 ) 船舱部分由纵舱壁和横向舱壁组成，将主船体分隔成大小不等的水 密舱室。主要安设有调节水舱、压载水舱、减摇水舱、动力舱、辅机舱、燃 油舱、淡水舱、污水处理舱、住宿舱，还有储物舱、厨房、餐厅、会议室等。 管道存储、焊接系统 管道焊接系统的主要作用是将存储在铺管敷缆船上的管段进行管端预清 理，然后将管段送到焊接作业线上，进行对口、焊接、检测、补口处理，达 到下水埋设的要求。 管道焊接系统主要包括：储管平台、上管机构、预制辊道、焊接辊道、入 水辊道、焊接站、无损检测站、外管推进器、防腐保温补口设备等。 管道铺设系统 管道铺设系统的主要作用是使管道在基本保持恒张力的情况下入水，并 沿管道在海床上挖出一条管沟，保证管道沉入沟底。管道铺设系统由a r 绞 车、管道张紧器、托管架、管道挖沟机等组成。 起重系统 起重系统是铺管敷缆施工必不可少的，其主要作用是吊运双联管、收放 水下施工机具、联接托管架、协助a r 绞车收管、安装立管、海上管道接口 作业等。铺管敷缆船上安装有回转吊机，一般安装在平台尾部，主要用于安 装立管、联结托管架、吊运双联管、协助a r 绞车收管等。安装舷侧的舷侧 起重机，用于海上管道的对接。甲板履带机在甲板上，用于吊运管段及其他 设备等。 动力系统 2 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 动力系统的主要作用是向铺管敷缆船上的动力设备、控制设备、通讯导 航设备、照明设备及生活设施等提供电力及液压动力，以保证滩海铺管敷缆 装置正常施工作业和安全停泊，包括电站、配电、液压站等几大部分。 动力舱内配有发电机组，以保证管道焊接检测、管道铺设、监测控制、 通讯导航、电缆敷设、吊机起重、液压系统、定位移位、照明及生活用电。 同时在辅机舱内配有一台备用发电机组，一台应急发电机组，用于本装置处 于危险情况下的消防、照明等用途。配电供电线路将用电负荷与电站联系起 来，既能向动力设备提供三相交流电，又能向弱电仪器、监测控制台、通讯 导航设备、照明及生活设施提供单相交流电。配电部分主要包括总配电室、 单体配电盘、应急配电盘、启动器、自动保护装置、控制装置、 电缆线路及用电负荷等。液压站是根据铺管铺设装置施工作业的需要而 设置的电液转换装置，通过液压管路和执行元件，向各液压马达、液压缸等 液压执行元件提供液压动力。液压站主要包括驱动电机、主油泵、补油泵、 油箱、控制阀、溢流阀及管路等部件。 锚泊系统 由于滩海铺管敷缆装置为非自航式，所以该装置的系泊，施工过程中的 定位、移位均需依赖锚泊系统。 中央控制系统 中央控制系统主要由主控制室、控制操纵台、卫星定位仪器( 差分式g p s ) 、 计算机控制系统、信号传输系统、信号处理系统、连续跟踪记录系统、视频 图象显示系统等组成。包括铺管敷缆平台定位、移位控制系统和施工作业机 具控制系统。 通讯、导航系统 通讯导航系统用于指挥人员与工作人员、各工作岗位之间，指挥人员与 基地以及辅助船只之间进行联络，并能够及时确定铺管敷缆装置所在位置， 保证安全航行。通讯与导航系统按有关规范配备，主要包括：单边带电台、甚 高频电台、程控小交换机、声力电话、指挥扩音系统、雾笛发生器、卫星定 位仪器( 差分式g p s ) 、风速风向仪、罗经、导航雷达以及雷达反射器等。 安全、救生、环保系统 依照中国船级社钢质海船入级与建造规范，本铺