單扒桿雙鉤扶正技術在導管架海上安裝中的應用

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(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司， 廣東 湛江 524057)

0 引 言

在中國近海海域油氣田開發中，導管架平臺是應用最廣泛的生產平臺開發模式之一。目前，國內導管架平臺的建造、安裝技術日趨成熟。陸地建造階段，結合海上浮吊資源的吊高要求和導管架自身的高度、質量，選擇立式建造或臥式建造等方式。對應海上安裝時，通常安裝方案為平吊下水、滑移下水[1-3]。對于臥式建造的較深水導管架，在導管架下水后，須通過扶正再坐底就位，通常所采用的扶正方式為單鉤注水扶正，即在主作業浮吊船的單鉤輔助下，按設計步驟往導管架注水艙室中注入海水，調整導管架浮態，使其從水平漂浮狀態慢慢扶正到豎直狀態的施工過程。單鉤注水扶正要求導管架本身具有10%以上的儲備浮力，變相增加了導管架體積和質量。

圖1 導管架單扒桿雙鉤扶正現場

南海某油氣田開發項目結合其平臺導管架的特點，應用單扒桿雙鉤扶正技術(見圖1)，此技術方案避免注水扶正過程對于導管架儲備浮力的要求，從而減少導管架主體結構質量，降低建造投資成本，為此類導管架的設計和海上安裝提供新的思路。

1 單扒桿雙鉤扶正技術關鍵參數校核

單扒桿雙鉤扶正是指通過使用主作業浮吊船單扒桿上的主鉤和副鉤雙鉤聯動，在水中調整導管架從水平漂浮至豎直狀態的技術。為保證扶正作業的安全可行性，須對導管架扶正過程進行整體分析，并對導管架各個浮態下(傾斜角度不同)各主要參數進行計算校核，以確保各參數滿足施工要求。

1.1 結構空間干涉校核

在整個導管架扶正分析過程中，需合理選取導管架水中的位置和對應傾斜角度，使得整個過程中導管架本身結構與主作業船體結構及海床之間互不干涉，且留有足夠的安全距離。重點關注的因素如下：

(1) 主作業浮吊船吊機限制高度校核。吊機限制高度校核是吊裝作業最基本也是最主要的校核之一。在導管架扶正過程中，浮吊船主鉤緩慢下降，副鉤配合同步上升，其傾斜角度相應發生變化，同時適當地調整導管架入水深度，以保證吊機限制高度滿足導管架吊裝高度要求，結構物與起重船扒桿之間的凈間距不小于3 m。

(2) 與主作業船體安全間距限制。在導管架扶正過程中，底部防沉板朝向浮吊船船首，頂部水平層朝向開闊海域。隨著導管架浮態調整與浮吊船扒桿的調整，再考慮風、浪、流等環境載荷的聯合作用，導管架底部防沉板與船首結構的距離也會隨之實時變化。需綜合考慮各條件影響，適當選取對應導管架傾斜角度時導管架的位置及水深，以保證與主作業船之間的安全距離不小于3 m。

(3) 與海床之間的底部間隙要求。在導管架扶正過程中，隨著導管架浮態逐步轉為豎直狀態，以及水中位置調整下放，導管架結構與海床間距會逐漸減小。綜合考慮扶正分析全過程，選取合適的吊裝索具長度，以保證導管架與海床之間的底部間隙滿足安全距離要求，考慮海床變化與障礙物間距要求，建議在扶正過程中與海床最小間距不小于5 m。

1.2 結構受力分析校核

在導管架扶正分析過程中，需在靜態和動態兩種情況下，對導管架結構強度、吊點及索具強度、導管架結構穩性進行整體分析校核，以滿足相關規范要求。在通常情況下，動態分析簡化為增加動力放大因數，此處要求與常規導管架海上吊裝作業要求基本一致，可參考API RP 2A-WSD 2000。

(1) 導管架結構強度校核。在導管架扶正過程中，每一傾斜角度時，需綜合考慮環境荷載，按API要求選取計算動載因數，對導管架結構受力進行分析校核，其結果應滿足：實際應力δ< 許用應力[δ]。

(2) 吊點及索具強度校核。吊點設計荷載需考慮動載系數，且各應力(吊點孔的擠壓應力；吊點孔的剪切應力、吊點孔的極限拉伸應力、吊點孔的拉伸應力、眼板與板方向的焊縫強度、最弱斷面復合應力、與主結構連接斷面的復合應力)需小于許用應力要求。

(3) 導管架結構穩性校核。導管架初穩心高是導管架浮態的關鍵參數。為保證扶正作業的安全，合理布置扶正吊點的角度，需分別對扶正過程中導管架的縱向初穩心高hGM縱和橫向初穩心高hGM橫進行校核：hGM縱≥1 m；hGM橫≥1 m。

2 單扒桿雙鉤扶正技術的應用

下面通過該南海油氣田項目導管架海上的施工應用情況，具體介紹此技術方案設計時如何選取各參數，以及其海上安裝的實施步驟。

2.1 導管架主要參數

導管架為4腿4裙裝結構，主要參數如下：頂部水平層尺寸為12.270 m×12.375 m；底部水平層尺寸為25.000 m×30.075 m；設計水深為62.3 m；導管架垂向高度為76.8 m；導管架主結構質量為893.67 t；導管架吊裝總質量為1 752.40 t；導管架總浮力為1 296.10 t；組塊吊裝質量為1 104.32 t。

對比質量與浮力數據可知：若采用常規單鉤注水扶正技術，為滿足10%剩余浮力要求，需增加浮力456.3 t，約為主結構質量的0.51倍。此時單純地增加浮筒不能滿足結構強度和浮力要求，需整體擴大導管架主腿和拉筋尺寸，粗略估算需增加的鋼材總質量至少500 t。

2.2 導管架扶正計算

根據導管架詳細設計圖紙，在SACS軟件中建立導管架扶正過程力學計算模型(見圖2)，各桿件和節點根據API工作應力設計要求校核。模型選取的坐標原點為海圖基準面處導管架水平面的幾何中心點，x軸指向平臺東，y軸指向平臺北，z軸豎直向上。

圖2 SACS計算模型及坐標系

圖3 變換后MOSES模型坐標系

圖4 在MOSES模型中調整導管架縱傾角

通過模型轉換，將計算模型導入MOSES軟件中，并定義導管架扶正旋轉點。在SACS模型中旋轉點坐標為(12.182 m，-0.084 m，-17.000 m)，即MOSES模型原點。根據該導管架實際情況，定義導管腿、拉筋、裙樁套筒、立管為密封艙室，參與提供浮力；而電纜護管、犧牲陽極、登船平臺等附件不參與提供浮力。如此，得到MOSES模型如圖3所示。

MOSES模型定義完成后，加載環境力，通過下方主鉤，提升副鉤，調整導管架縱傾角度。使導管架以MOSES模型坐標原點為旋轉中心，從平躺狀態(縱傾角為0°)，逐漸扶正為直立狀態(縱傾角度為90°)，如圖4所示。

通過模擬計算，在各個縱傾角(各事件中)時整個導管架扶正過程的主鉤荷載、副鉤荷載、導管架縱傾角和橫傾角與海床距離、各索具張力變化曲線如圖5～圖8所示。

圖5 主鉤鉤頭荷載變化曲線

圖6 副鉤鉤頭荷載變化曲線

圖7 縱傾角、橫傾角、導管架與海床距離變化曲線

圖8 索具張力變化曲線

選取縱傾角度每變化15°時的數據作為控制工況，見表1。

表1 不同扶正步驟的工況情況

導出相應數據見表2。

表2 各扶正步驟數據匯總

導出相應的索具張力結果見表3。

表3 各扶正步驟索具張力匯總

在整個雙鉤扶正過程中，由表2和表3可知：主鉤最大鉤頭荷載為479 t，最大索具張力為209 t，最大鉤頭高度為65.19 m；副鉤最大鉤頭荷載為369 t，最大索具張力為138 t，最大鉤頭高度為89.46 m；導管架與海床的最小間距為7.32 m；導管架與浮吊船之間的最小間距為6.782 m。

再將上述的8個工況中索具荷載情況輸入SACS計算模型中，校核各桿件和節點受力情況，如圖9所示。

圖9 SACS軟件校核扶正過程中導管架結構受力

表4為節點信息，對于個別節點UC值大于1.0，分析結果是可以接受的，在設計上增加加強環對節點結構做了加強。

表4 導管架加強節點信息匯總

2.3 浮吊船吊裝能力校核及索具選擇

浮吊船的最大吊重為7 500 t，主鉤最大起升高度為110 m，副鉤最大起升高度為135 m。結合導管架扶正計算主要工況結果，對比浮吊船吊裝能力曲線，綜合分析吊裝過程的受力情況和空間干涉校核。

導管架在豎直狀態時垂向總高為76.8 m，對應取浮吊船扒桿幅度80 m時進行校核。各相關數據如表5、圖10、圖11所示，滿足扶正計算中對應的高度和鉤頭荷載要求。

表5 浮吊船主鉤、副鉤最大限高和最大鉤頭荷載

圖10 浮吊船吊鉤幅度與高度關系圖

圖11 浮吊船吊鉤幅度與起重量關系圖

由此配備的平吊索具見表6。

表6 本項目導管架平吊索具清單

配備的扶正索具見表7。

表7 本項目導管架扶正索具清單

2.4 應用經驗及總結

本項目導管架海上安裝過程相對較為順利，但仍有亟待改進之處。

(1) 吊裝索具繁多。導管架扶正過程共用到鋼絲索具8條，控制纜繩7條。作業涉及主鉤、副鉤聯合動作，需實時監控扒桿幅度、鉤頭噸位變化，觀察測量縱傾角度，使導管架在滿足吊機吊重和各吊裝間距要求下緩慢扶正。扶正作業指揮、操作難度大。

(2) 作業環境條件要求嚴格。在導管架扶正過程中，導管架本身與船體間距、縱向傾角和橫向傾角受環境影響較大，作業最大浪高2.4 m，有義波高1.5 m，流速小于0.5 kn。

東方海域流速快，流向多變。導管架準備扶正時，正好遇上流向變化，水下機器人觀察導管架與船體間距在2.8 m左右，現場待機1 h，流速減小后，順利完成扶正作業。

3 結 語

本項目導管架海上單扒桿雙鉤扶正技術方案，優化了導管架詳細設計方案，減少導管架主體結構質量約500 t，節省了建造投資成本。綜合考慮海上作業過程風險控制，合理設計海上扶正過程，安全、順利地完成海上安裝工作，其對以后相似水深、同樣類型導管架的設計和安裝具有借鑒和參考意義。