軟性氣囊在淺水導(dǎo)管架安裝領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用

王浩宇，王　楊，黃山田，劉順慶，LEE James.海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津0046.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津00456.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津0045

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軟性氣囊在淺水導(dǎo)管架安裝領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用

王浩宇1，王楊2，黃山田1，劉順慶1，LEE James3
1.海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津300461
2.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津300456
3.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津300452

摘要：如何節(jié)約淺水導(dǎo)管架安裝過程中使用大型浮吊資源，降低海上安裝成本，優(yōu)化資源配置，已成為日益迫切的問題。在海況相對(duì)穩(wěn)定的淺水區(qū)，利用可回收軟性氣囊提供的廉價(jià)浮力，借助于半潛式的下水方案，可達(dá)到降低浮吊鉤頭力，減輕或擺脫淺水導(dǎo)管架海上安裝對(duì)大型浮吊的依賴，降低海上施工成本的目的。結(jié)合錦州25- 1南項(xiàng)目CEPF導(dǎo)管架的海上安裝方案并通過理論分析，介紹了采用軟性氣囊助浮進(jìn)行海上安裝淺水導(dǎo)管架的技術(shù)。CEPF導(dǎo)管架安裝的工程實(shí)踐成功地驗(yàn)證了氣囊布置、固定、保壓、助浮和拆除等方面的可靠性，有效地降低了鉤頭力，可顯著降低海上施工安裝成本。

關(guān)鍵詞：淺水導(dǎo)管架；海上安裝；軟性氣囊；助浮

根據(jù)黨的十八大提出的建設(shè)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略，中國海洋工程資源正在向更加復(fù)雜的深海海域優(yōu)化配置。如何節(jié)約使用淺水導(dǎo)管架安裝過程中的大型浮吊資源，降低海上安裝成本，優(yōu)化資源配置，對(duì)傳統(tǒng)的淺水導(dǎo)管架安裝方案提出了更高的要求，也越來越受到海洋工程施工隊(duì)伍的重視。

針對(duì)日益增長的油氣需求，海洋平臺(tái)的規(guī)模也越來越大。以近期完工的錦州25- 1南項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目共有4座導(dǎo)管架平臺(tái)，其中質(zhì)量超過2 000 t的有3座，分別采用了“藍(lán)疆號(hào)”和“華西5000”大型浮吊進(jìn)行吊裝作業(yè)。采用大型浮吊不僅增加了海上安裝的成本，而且擠占了深海項(xiàng)目的資源配置。為此，開發(fā)新型的淺水導(dǎo)管架安裝方案勢(shì)在必行。本項(xiàng)目采用軟性氣囊技術(shù)，研發(fā)了一種應(yīng)用軟性氣囊提供廉價(jià)浮力，配合小浮吊來安裝淺水導(dǎo)管架的施工工藝，從而解決了淺水導(dǎo)管架安裝流程中大型浮吊資源的占用問題。結(jié)合錦州25- 1南CEPF導(dǎo)管架的海上安裝，介紹了該方案在降低浮吊鉤頭力上的驗(yàn)證結(jié)果。

1　氣囊助浮安裝導(dǎo)管架方案的優(yōu)勢(shì)

氣囊助浮［1- 3］安裝導(dǎo)管架既緩解了目前大型浮吊的資源調(diào)配壓力，又降低了海上大型船舶安裝的費(fèi)用，傳統(tǒng)吊裝與氣囊助浮安裝導(dǎo)管架對(duì)比見圖1。

圖1　傳統(tǒng)吊裝與氣囊助浮安裝導(dǎo)管架對(duì)比

氣囊助浮安裝方案的主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）用小型浮吊取代大型浮吊進(jìn)行作業(yè)，降低了施工成本。

（2）廉價(jià)的軟性氣囊替代了昂貴的鋼性浮筒。軟性氣囊凈浮力大（每噸氣囊可產(chǎn)生250kN凈浮力），質(zhì)量輕，放氣后可折疊，便于運(yùn)輸、安裝和拆除，并可重復(fù)使用［4］；而鋼性浮筒的凈浮力小（每噸浮筒只產(chǎn)生20 kN凈浮力），且焊接、切割量大，回收占用駁船空間，通常是一次性使用。

（3）導(dǎo)管架坐底重力因采用氣囊而減小，可優(yōu)化防塵板的大小，降低防塵板質(zhì)量和建造費(fèi)用。

（4）借助氣囊的充、放氣控制系統(tǒng)和對(duì)氣囊組的定點(diǎn)充、放氣，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架坐底平整度的調(diào)整。

（5）利用氣囊調(diào)整導(dǎo)管架浮心相對(duì)于重心的位置，使導(dǎo)管架入水后傾角達(dá)到最小。

2　氣囊助浮安裝導(dǎo)管架的關(guān)鍵技術(shù)

由于采用氣囊助浮安裝導(dǎo)管架還沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，在整個(gè)安裝過程中，面臨著諸多難點(diǎn)，這需要用創(chuàng)新的理念和方法來加以解決。

（1）安裝過程中氣囊參數(shù)的選取。氣囊雖然已經(jīng)是較為成熟的產(chǎn)品，但在導(dǎo)管架安裝中大規(guī)模應(yīng)用還是首次，其作業(yè)環(huán)境相對(duì)于碼頭和船塢要惡劣得多。如何選取氣囊的安全系數(shù)，成為了該方案順利實(shí)施的首要關(guān)鍵點(diǎn)。考慮到從拖拉裝船、焊接固定、運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)到最終安裝的過程一般需要20 d左右，為保證導(dǎo)管架的入水浮力，要求氣囊囊體能保證20 d壓降不大于5％。圖2為某廠氣囊的氣密性試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于氣囊的耐水壓性，要求氣囊的耐壓安全系數(shù)不得小于3倍的設(shè)計(jì)工作壓力［5］，見表1。

（2）氣囊的布置及固定。由于氣囊不是鋼性結(jié)構(gòu)，無法進(jìn)行焊接，因此如何固定氣囊成為該安裝方案所面臨的新問題。課題組根據(jù)氣囊充氣膨脹的特性，在導(dǎo)管架的防沉板上設(shè)計(jì)了“門”字框架，利用氣囊充氣后膨脹的預(yù)緊力，頂死、卡緊“門”字框架，從而達(dá)到固定氣囊的目的，見圖3。

圖2　某廠氣囊氣密性試驗(yàn)結(jié)果

表1　某廠氣囊耐壓能力試驗(yàn)結(jié)果

圖3　氣囊固定示意

根據(jù)不同區(qū)域?qū)Ч芗艿乃钋闆r，計(jì)算氣囊所在位置產(chǎn)生的水壓，使氣囊充氣的內(nèi)壓大于就位時(shí)的外部水壓，這樣就可保證氣囊不被壓縮。另外，氣囊在水下產(chǎn)生的巨大浮力，使其牢牢頂住“門”字框架的上梁，從而也產(chǎn)生巨大的摩擦力，保證氣囊在水下不會(huì)發(fā)生位移。

（3）氣囊的拆除與回收。導(dǎo)管架安裝就位后，對(duì)氣囊進(jìn)行放氣作業(yè)，由于水壓作用，氣囊的放氣速率會(huì)快于空氣中的放氣速率。放氣后的氣囊由于自重會(huì)沉在水下。氣囊囊體為掛膠的錦綸材質(zhì)，不能安裝吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)，為了便于拆除，課題組設(shè)計(jì)了整體式網(wǎng)套，并在網(wǎng)套的一端預(yù)先連接索具，引至導(dǎo)管架頂部，見圖4。當(dāng)氣囊放氣結(jié)束后直接拖拽拆除索具，即可將網(wǎng)套中的氣囊拆除。

圖4　氣囊拆除裝置示意

（4）氣囊的充、放氣系統(tǒng)。為了便于氣囊的充放氣，課題組設(shè)計(jì)了兩個(gè)充、放氣點(diǎn)。一個(gè)設(shè)置在氣囊囊體端部的應(yīng)急充、放氣接口，主要用于氣囊壓力檢驗(yàn)及下水前的補(bǔ)氣作業(yè)；另一個(gè)通過管道引至導(dǎo)管架頂端走道控制面板處的充、放氣口，用于導(dǎo)管架下水后的充氣調(diào)平及放氣作業(yè)，見圖5。

圖5　氣囊充、放氣系統(tǒng)示意

3　氣囊助浮技術(shù)在錦州25- 1南CEPF導(dǎo)管架安裝中的應(yīng)用

錦州25- 1南CEPF導(dǎo)管架位于渤海北部遼東灣中部海域，水深23.9 m。導(dǎo)管架質(zhì)量2 365.96 t，有8個(gè)主腿，為浮托組塊預(yù)留了大槽口。在氣囊輔助導(dǎo)管架下水前，先對(duì)氣囊的耐壓性、氣密性、氣囊綁扎固定、氣囊充放氣系統(tǒng)和氣囊的拆除進(jìn)行了驗(yàn)證，為后續(xù)的半潛安裝作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

該導(dǎo)管架防塵板上共布置了24個(gè)φ2 m×20 m的氣囊，共提供凈浮力13 680 kN，分為6組，每組4個(gè)，見圖6。此次導(dǎo)管架安裝的主作業(yè)船為“華西5000”，由于本次不驗(yàn)證駁船半潛作業(yè)，故起吊環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)吊裝方式基本一致。在導(dǎo)管架下水后，觀測(cè)浮吊鉤頭力的變化，以檢驗(yàn)氣囊在完全入水后是否能夠提供設(shè)計(jì)浮力，從而有效降低浮吊鉤頭力。

圖6　CEPF導(dǎo)管架氣囊布置示意

3.1導(dǎo)管架吊裝前準(zhǔn)備

CEPF導(dǎo)管架從青島海工場(chǎng)地拖拉至“海洋石油229”號(hào)駁船并焊接固定，于5 d后運(yùn)輸至渤海施工現(xiàn)場(chǎng)。“海洋石油229”靠泊“華西5000”后，課題組對(duì)氣囊的固定形式及囊內(nèi)氣壓進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該氣囊固定形式牢固可靠，在駁船運(yùn)輸途中，氣囊與“門”字框架貼合緊密，未發(fā)生相對(duì)移動(dòng)；氣囊內(nèi)壓保壓性能良好，未發(fā)生泄壓漏氣情況，氣壓表顯示與出港時(shí)的狀態(tài)一致，均為1.5個(gè)大氣壓（152 kPa）。

3.2導(dǎo)管架吊裝就位過程中氣囊的功能驗(yàn)證

由于氣囊是首次大規(guī)模應(yīng)用于導(dǎo)管架下水就位作業(yè)，因此在氣囊提供理論值為13 680 kN的較大浮力之后，浮吊的鉤頭力會(huì)降低，為確保海上施工萬無一失，課題組對(duì)在氣囊浮力影響下的導(dǎo)管架進(jìn)行了一系列的分析，通過計(jì)算，確定帶氣囊的導(dǎo)管架座底穩(wěn)性滿足規(guī)范要求［6］，見表2。

表2　CEPF氣囊導(dǎo)管架座底穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

其防塵板桿件的UC值（Unity Check即單元應(yīng)力校核值，為工作應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值）也均小于1.0，見表3。

課題組還對(duì)CEPF氣囊導(dǎo)管架進(jìn)行了敏感性分析，見圖7。無氣囊時(shí)，導(dǎo)管架最大橫搖角為1.2°，有氣囊時(shí)，導(dǎo)管架最大橫搖角為1.76°。導(dǎo)管架下放過程中的傾斜角和橫搖角都有所增大，但仍處于可接受范圍內(nèi)［7］。

表3　防塵板桿件的UC值計(jì)算結(jié)果

圖7　導(dǎo)管架橫搖角對(duì)比

對(duì)布置氣囊后的CEPF導(dǎo)管架進(jìn)行分析計(jì)算表明，導(dǎo)管架可以正常下放就位。

在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，導(dǎo)管架起吊后緩慢入水，氣囊完全入水后，鉤頭力由23 400kN降至3 870kN，該狀態(tài)下鉤頭力的理論計(jì)算值為6 642.1 kN（導(dǎo)管架自身結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生浮力），實(shí)際鉤頭力比理論計(jì)算值偏小，分析其原因主要是氣囊為非剛性結(jié)構(gòu)，在工作壓力下，囊體因充氣而略有膨脹，導(dǎo)致浮力增大。

3.3氣囊的放氣與拆除

CEPF導(dǎo)管架插完首節(jié)樁后，打開導(dǎo)管架頂端走廊上的控制面板，待氣囊充分放氣后，分別用吊機(jī)和拖輪兩種方式拖拽氣囊組的拆除索具進(jìn)行拆除方式的對(duì)比。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然氣囊放氣后呈疲軟狀態(tài)，但拖輪絞車傾斜纜繩的拖拽力約為80 kN左右，而吊機(jī)的垂直起吊力約為150 kN，因此，在后續(xù)的氣囊拆除過程中，若沒有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，那么采用拖輪絞車拖拽拆除氣囊更優(yōu)于吊機(jī)拆除。

4　結(jié)束語

利用可重復(fù)使用的軟性氣囊提供廉價(jià)浮力，降低導(dǎo)管架安裝所需的浮吊鉤頭力，不僅可在海況相對(duì)穩(wěn)定的淺水區(qū)為導(dǎo)管架安裝提供一種新型的作業(yè)方式，更可緩解淺水導(dǎo)管架安裝對(duì)于大型浮吊船的依賴。通過采用這種安裝方式，節(jié)約了海上施工成本，優(yōu)化了船舶資源，降低了安裝費(fèi)用。本課題組依托錦州25- 1南CEPF導(dǎo)管架的海上安裝作業(yè)，初步驗(yàn)證了該施工方案中氣囊的耐壓性、綁扎固定效果、充放氣系統(tǒng)及拆除技術(shù)的可靠性，為后續(xù)的氣囊助浮半潛安裝大型導(dǎo)管架作業(yè)奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］孫菊香.船舶氣囊下水技術(shù)綜述［J］.中國修船，2010，23（6）：42- 46.

［2］劉正善，唐曉虎，李林林，等.氣囊助浮方法在沉箱溜放、拖運(yùn)中的應(yīng)用［J］.水道港口，2007，28（2）：143- 145.

［3］辛?xí)暂x，張孝衛(wèi)，劉玉璽，等.氣囊助浮大型導(dǎo)管架下水可行性研究［J］.石油工程建設(shè)，2014，40（5）：26- 30.

［4］ISO 14409- 2011，Ships and marine technology - Ship launching air bags［S］.

［5］吳劍國，孫燕，馬劍，等.氣囊下水的安全性研究［J］.造船技術(shù)，2010（4）：7- 9.

［6］0028/ND 2013，Guidelines for Steel Jacket Transportation & Installation［S］.

［7］海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編委會(huì).海洋石油工程設(shè)計(jì)指南：海洋石油工程安裝設(shè)計(jì)［M］.石油工業(yè)出版社，2007.

Gordian Technique Research and Engineering Application of Flexible Air- bags in Shallow Water Jacket Installation

WANG Haoyu1，WANG Yang2，HUANG Shantian1，LIU Shunqing1，LEE James3
1. Offshore Oil Engineering Co.，Ltd. Installation Company，Tianjin 300461，China 2. CNOOC Safety &Technology Services Co.，Ltd.，Tianjin 300456，China
3. Offshore Oil Engineering Co.，Ltd. Engineering Company，Tianjin 300452，China

Abstract：Application of recoverable flexible air- bags that could reduce crane hook load in flat shallow water will definitely minimize the dependence on large floating cranes，reduce cost of offshore jacket installation and benefit general combinatorial optimization of vessel arrangement/management. With theoretical analysis and JZ25- 1S CEPF jacket installation project，application of flexible air- bags during jacket offshore installation is introduced. During CEPF jacket installation，the reliability of air- bags in fields regarding air- bag arrangement，fixing，pressure- holding，floating and removal has been successfully verified and application of air- bags is proved as a practical and effective method to reduce the hook load，which undoubtedly lays sound foundation for further research and technology popularization.

Keywords：shallow water jacket；offshore installation；flexible air- bag；floating

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.003

作者簡(jiǎn)介：

王浩宇（1985-），男，河北滄州人，工程師，2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）動(dòng)力工程及工程熱物理專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事海洋工程結(jié)構(gòu)安裝設(shè)計(jì)研究工作。

Email：wanghy3@mail.cooec.com.cn

收稿日期：2015- 12- 20