導(dǎo)管架下水搖臂千斤頂移位技術(shù)研究

崔廣亮，董振強(qiáng)，魏佳廣，陳凱超

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

隨著我國(guó)油氣開采逐步走向深水，200～300 m水深海域油田的勘探和開發(fā)逐年增加，此水深海域的油氣開發(fā)使用樁基式平臺(tái)仍然是一種較為經(jīng)濟(jì)的選擇。大型樁基平臺(tái)導(dǎo)管架采用滑移下水方式安裝[1-2]，通常情況下下水搖臂的移位是借助大型浮吊船來(lái)完成的，這種作業(yè)不僅增加了船舶靠泊及施工的危險(xiǎn)，同時(shí)也增加了大型浮吊船等資源的投入，成本較高[3]。

導(dǎo)管架下水搖臂千斤頂移位技術(shù)研究是利用千斤頂和輔助工裝來(lái)完成下水搖臂的移位，不需要投入大型浮吊資源，此工藝技術(shù)極大降低了施工成本和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

本項(xiàng)目以30 000 t級(jí)下水駁船HYSY229下水搖臂移位為依托，開展了相關(guān)技術(shù)的研究。

1 搖臂移位受力分析

搖臂與甲板相對(duì)位置示意如圖1所示。

1.1 搖臂靜態(tài)受力分析[4-5]

根據(jù)目前狀態(tài)，若考慮導(dǎo)槽失效，計(jì)算搖臂在自身重力G（5 880 kN）作用下的下滑力、搖臂對(duì)甲板的壓力以及摩擦力如下：

圖1 搖臂與甲板相對(duì)位置示意

下滑力F下滑=G×sin15°=5 880 kN×sin15°=1 522 kN。

搖臂對(duì)甲板的壓力N=G×cos15°=5 880 kN×cos15°=5 680 kN。

甲板與搖臂之間的靜摩擦力F靜=N×μ=5 680 kN×0.3=1 704 kN。

其中，μ為DNV規(guī)范中鋼與鋼接觸的靜摩擦系數(shù)最大值。

1.2 搖臂橫移力分析[4-5]

搖臂的重心位于導(dǎo)槽上方偏向甲板一端，在平衡狀態(tài)下，按導(dǎo)槽承受搖臂全部重力考慮，因此，搖臂移位的橫向力，即需要克服的最大靜摩擦力F橫=G×μ=5 880 kN×0.3=1 764 kN。

根據(jù)上述分析，主要摩擦部位為導(dǎo)槽與搖臂轉(zhuǎn)軸接觸面。由于搖臂與導(dǎo)槽接觸面存在銹蝕，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，μ應(yīng)為理論值的1.5～2倍。因此，實(shí)際F橫應(yīng)按照1 764 kN×2=3 528 kN考慮。

2 方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 搖臂移位方案流程

由于搖臂與導(dǎo)槽長(zhǎng)期在海水中浸泡，接觸面因海水而銹蝕嚴(yán)重，因此在搖臂移位作業(yè)前，需要對(duì)此接觸面進(jìn)行除銹處理。

搖臂移位作業(yè)流程如下：輔助工藝裝備設(shè)計(jì)、制作、安裝及焊接固定→拆解搖臂固定卡套→頂升搖臂→處理?yè)u臂與導(dǎo)槽接觸面→搖臂回落→搖臂移位→安裝、焊接搖臂固定卡套→拆除輔助工藝裝備。

2.2 輔助工藝裝備設(shè)計(jì)

根據(jù)上述搖臂移位方案，設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助工藝裝備，如圖2所示。

圖2 輔助工藝裝備布置示意

相關(guān)布置及用途如下[1]：

大龍門架：設(shè)置在搖臂橫移導(dǎo)槽上。主要承載搖臂脫離甲板的載荷，搖臂頂升反作用力通過(guò)大龍門架作用在導(dǎo)槽上。

頂升門架：數(shù)量2個(gè)，承載搖臂頂升載荷，并將載荷傳導(dǎo)在搖臂上。

防下滑和傾翻門架：與止滑裝置組合使用，防止搖臂下滑、翻轉(zhuǎn)。

止滑裝置：固定在搖臂上，防止在頂升過(guò)程中搖臂有可能出現(xiàn)的下滑傾向，與導(dǎo)槽共同起到防下滑作用。

反力座：作為搖臂移位千斤頂支撐點(diǎn)。

2.3 輔助工藝裝備受力分析

項(xiàng)目選用屈服強(qiáng)度345 MPa的鋼材設(shè)計(jì)輔助工藝裝備，主要受力分析如下。

2.3.1 大龍門架

因兩處千斤頂需要克服搖臂自重5 880 kN，所以形成2處集中載荷，間距為4 m，考慮動(dòng)載荷系數(shù)1.1，每處載荷分別為3 234 kN，間距為4 m，方向豎直向下；同時(shí)考慮橫梁自重約132.3 kN，均布載荷，方向豎直向下。

計(jì)算結(jié)果如圖3所示，最大應(yīng)力132 MPa，安全系數(shù)為2.6，大于許用安全系數(shù)（1.5），滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

圖3 大龍門架靜應(yīng)力云圖

2.3.2 頂升門架

每個(gè)搖臂頂升門架中間位置有1處集中載荷，均為3 234 kN，方向豎直向上。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4，最大應(yīng)力108MPa，安全系數(shù)為3.2，大于許用安全系數(shù)（1.5），滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 頂升門架靜應(yīng)力云圖

2.3.3 防下滑和傾翻門架

假設(shè)沒(méi)有導(dǎo)槽對(duì)搖臂的阻礙，不考慮甲板對(duì)搖臂的摩擦力，搖臂只受到1 522 kN下滑力的作用，方向?yàn)樗较螋悍较颉?/p>

計(jì)算結(jié)果如圖5所示，最大應(yīng)力177 MPa，安全系數(shù)1.8，大于材料許用安全系數(shù)（1.5），滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 防下滑和傾翻門架靜應(yīng)力云圖

2.3.4 止滑裝置

阻止下滑力為1522kN，方向?yàn)樗较螋挤较颉?/p>

計(jì)算結(jié)果如圖6所示，最大應(yīng)力102 MPa，安全系數(shù)約為3.3，大于許用安全系數(shù)（1.5），滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 止滑裝置架靜應(yīng)力應(yīng)力云圖

2.3.5 反力座

反力座可布置在導(dǎo)槽中，集中載荷3 528 kN。計(jì)算的最大應(yīng)力215 MPa，安全系數(shù)約為1.6，大于許用安全系數(shù)（1.5）；計(jì)算的位移云圖如圖7所示，應(yīng)力和位移均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 方案實(shí)施

搖臂移位主要操作步驟如下：

（1）頂升千斤頂緩慢加載，保持雙側(cè)千斤頂同步，并隨時(shí)觀察搖臂穩(wěn)定狀況。逐步加大千斤頂壓力，直至搖臂開始頂升。

圖7 反力座位移云圖

（2）繼續(xù)緩慢頂升，設(shè)置停止點(diǎn)再次檢查搖臂轉(zhuǎn)軸與卡套內(nèi)表面之間距離，確定與卡套是否接觸。確認(rèn)搖臂在頂升千斤頂?shù)淖饔孟履軌蚱鹕欢ǜ叨龋⑶覍?duì)卡套沒(méi)有施加作用力。此時(shí)千斤頂緩慢泄壓，回落到初始狀態(tài)。

（3）待狀態(tài)穩(wěn)定后，脫焊卡套與甲板間連接。

（4）重新加載頂升千斤頂，使總頂升行程達(dá)到45 mm。在搖臂轉(zhuǎn)軸與卡套之間（艉部方向）設(shè)置合適厚度（40～45 mm） 的墊板，以防止意外下滑，起到阻滑的作用。

（5）滑移接觸面處理：在搖臂轉(zhuǎn)軸與導(dǎo)槽接觸范圍內(nèi)噴涂除銹劑，清理后涂抹潤(rùn)滑油。

（6）頂升千斤頂步進(jìn)式緩慢下降至初始狀態(tài)，動(dòng)作過(guò)程中保持各部位接觸穩(wěn)定。

（7）拆除大龍門架、搖臂頂升門架。

（8）啟動(dòng)橫向滑移油頂進(jìn)行步進(jìn)式推移，使搖臂移位到指定位置。

（9）拆除各類工裝、固定搖臂，達(dá)到船東要求。

3 工程應(yīng)用及改進(jìn)建議

下水搖臂千斤頂移位技術(shù)已經(jīng)在南海恩平項(xiàng)目中使用，該技術(shù)的可行性及可靠性得到了驗(yàn)證，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也為后續(xù)項(xiàng)目在搖臂移位設(shè)計(jì)及方案實(shí)施積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)如下：

（1） 橫向滑移油頂啟動(dòng)后，由于單點(diǎn)受力，使搖臂橫向力不平衡，建議后續(xù) 項(xiàng)目增加橫向輔助油頂，確保滑移受力均衡。

（2）在拆除大龍門架和反力座過(guò)程中，搖臂導(dǎo)槽會(huì)有不同程度的損傷，建議后續(xù)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過(guò)程中將大龍門架和反力座適當(dāng)偏移，避免其對(duì)導(dǎo)槽造成損傷，影響搖臂的正常使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

下水搖臂千斤頂移位技術(shù)較傳統(tǒng)吊裝方式有明顯的優(yōu)勢(shì)。此項(xiàng)技術(shù)研究避免了搖臂移位過(guò)程中大型浮吊船的投入，克服了由于大型浮吊資源限制對(duì)深水導(dǎo)管架裝船準(zhǔn)備階段的影響，同時(shí)降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，大大降低了作業(yè)成本，為深水導(dǎo)管架安裝提供了技術(shù)積累。