[发明专利]一种监测调节铺管船托管架托辊荷载的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种监测调节铺管船托管架托辊荷载的方法以及能够实现该方法的系统。

背景技术

海底管道铺设一般是利用铺管船上的托管架、张紧器、焊接线等装备实施完成的，从焊接线经托管架到海床安装的管道呈现为S形构形，托管架上的管道承担张紧器的张力，并由若干个托辊支撑在托管架上。S形铺管在实施之前，需要就选定的托管架来计算铺设水深下管道所需要的张紧力，确保其在合理范围内，给出托管架的角度以及托管架上各个托辊分担的支撑力，再校核管道的安装应变。

托管架的托辊一般是简单的支撑构件，其垂向高度一般要在铺管之前事先调节，以改善管道的铺设构形，降低管道铺设的局部应变。

在上述机制下，S形铺管存在有以下不足：

1、现有托管架上的十几个或二十几个托辊共同为管道提供垂向支撑，这些托辊的高度在出海铺管之前已经预设。但随着管道铺设距离的增加，铺设水深一般会有变化，但托辊高度的调节却不易同步实施，因此管道在托管架上的实际曲率与之前的设计曲率间始终存在有差别，而这种差别甚至会导致管道局部塑性损伤。例如，随着铺设水深增加，S形构形中管道在托管架上的弯曲曲率就会加大，并导致前半段托管架托辊的支撑力逐渐减少，甚至托辊与管道脱离接触，后半段托管架托辊的支撑力则逐渐加大，管道在支撑力最大的托辊位置处很容易过弯曲而导致塑性变形。

2、铺设作业中，波浪载荷与铺管船运动的周期一般在10秒上下。铺管船、托管架和管道构成了一个运动整体，当波峰到达时，纵向弯矩使前半段托管架托辊的支撑力增大，后半段托管架托辊的支撑力变小；当波谷到达时则相反。与此同时，被动生成的张紧器张力也是实时变化的，张紧力的变化会直接影响托管架上管道的曲率，尤其是张紧力变小瞬间容易在托管架末端位置引发管道过度弯曲。

由于波浪等环境荷载的随机性，铺设之前的设计分析一般无法覆盖全部的可能响应，因此，管道在托管架上过弯曲，屈服后铺入海床的情况很容易出现，目前缺少一套直接或间接的应变监测系统，确保托管架上的管道不发生屈服。

3、实际工程中，受管道刚度、托管架长度、张紧器吨位及海洋环境条件这些因素制约，管道的可铺设管径与可铺设水深均是受限制的，而铺设过程中托管架角度与托辊高度难以及时调节就会加大这些限制，尤其在环境条件更为苛刻的深水铺设中，铺设管道的强度冗余度本身就很低，上述困难很可能导致深水铺设无法实现。

对于某一条具体的铺设管道，当铺设水深与张紧器的张紧力业已确定，随机变化的环境载荷与铺管船的随机运动就是引起托管架托辊承载变化的主要原因，也是导致某一瞬时各个托辊承载分配不合理而管道某点发生过弯曲的原因。若能补偿上述随机因素引起的不利于所铺设管道受力的托辊承载变化，就能够增大铺设安全系数，提升铺管船铺设能力。实现这个目标的难点在于铺管作业中托管架上由多个托辊支撑的管道在力学上是典型的超静定连续梁，各个托辊的承载力与其高度并非唯一关联，当调节某一托辊高度时，不仅该托辊的承载有变化，相邻的，乃至整个托管架上的其他托辊的承载力理论上均会同时变化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效监测托管架上各个托辊对管道的支撑力，并利用监测数据实现各托辊高度的实时调节的监测调节铺管船托管架托辊荷载的方法及系统。