深水半潛式生產(chǎn)平臺建造期間的SCR立管安裝技術(shù)應(yīng)用

劉 超， 孫義韜， 常小龍， 周云軍， 牛建華

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266520)

0 引 言

在深海油氣開發(fā)生產(chǎn)過程中，由于結(jié)構(gòu)形式簡單，成本相對較低，鋼懸鏈線立管(steel catenary riser， SCR)正逐漸成為首選立管形式?！吧詈Ｒ惶枴蹦茉凑臼俏覈灾餮邪l(fā)設(shè)計(jì)建造的全球首座十萬噸級深水半潛式生產(chǎn)平臺，坐落于海南島東南陵水海域，作業(yè)水深約為1 400 m，設(shè)計(jì)要求30年不進(jìn)塢，基于此設(shè)計(jì)要求，該平臺采用的是SCR系統(tǒng)，也是國內(nèi)首次采用SCR的深海氣田。

作為深水半潛式生產(chǎn)平臺生產(chǎn)和外輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，基于嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求，SCR建造要求高焊接質(zhì)量、高精度安裝和嚴(yán)格的防腐要求。建造過程中需要通過一系列的質(zhì)量檢驗(yàn)和驗(yàn)證，因此，其建造施工周期較長，需要精心組織實(shí)施。

本文以深海一號深水半潛式生產(chǎn)平臺SCR建造為實(shí)例，通過介紹SCR安裝、試壓、通徑試驗(yàn)和節(jié)點(diǎn)防腐等建造過程，對SCR陸地預(yù)制吊裝過程進(jìn)行總結(jié)。

1 SCR預(yù)制吊裝

深海一號的SCR系統(tǒng)由6根立管組成，具體為1根18 in外輸立管，12 in、 10 in生產(chǎn)立管各2根和1根6 in MEG立管。每根立管頂部連接上部組塊的生產(chǎn)工藝管線，下部經(jīng)過spool piece連接海管，除6 in MEG立管外，每根立管頂部和底部設(shè)置SDV閥和SSIV閥。平臺浮箱處安裝有立管接收器，建造階段將立管布置安裝至立管接收器前6 in左右停止，剩余spool piece管段需要海上平臺就位后方可安裝，用于連接海底管線，spool piece管通過法蘭連接的方式連接立管及海底管線。本文僅討論建造階段SCR安裝工作。

1.1 立管預(yù)制

由于運(yùn)輸原因，材料到貨為一定尺寸的短管，根據(jù)材料到貨的尺寸和安裝設(shè)計(jì)方案，SCR需要由一段或幾段短管預(yù)制成較長的一段。綜合考慮本項(xiàng)目現(xiàn)場場地布置和吊車等因素，本項(xiàng)目立管每根設(shè)置成4段，預(yù)制后進(jìn)行吊裝，焊接接口共計(jì)94道(見圖1和圖2)。

圖1 立管安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation of SCR riser

圖2 立管預(yù)制焊口示意圖(標(biāo)注了焊口編號和焊接位置)Fig.2 Schematic diagram of prefabricated welded junction of SCR riser (marked with welded junction number and welding position)

在SCR預(yù)制時(shí)，應(yīng)注意如下問題： ①立管材料為高強(qiáng)度鋼，接口切割和坡口切割時(shí)，需要采用冷切割方式進(jìn)行處理；②切割下料前，應(yīng)做好材料的跟蹤和標(biāo)識并報(bào)驗(yàn)；③根據(jù)專用的焊接作業(yè)書施焊，焊工應(yīng)持證上崗并進(jìn)行專項(xiàng)培訓(xùn)；④焊接過程應(yīng)做好專項(xiàng)記錄，詳細(xì)記錄焊接人員、焊接方式、焊接工藝、焊接時(shí)間和焊材信息，便于跟蹤；⑤立管預(yù)制結(jié)束，根據(jù)立管安裝設(shè)計(jì)圖紙，按順序進(jìn)行安裝。

1.2 立管吊裝

當(dāng)立管吊起安裝時(shí)，使用吊機(jī)進(jìn)行吊裝，預(yù)制后立管單根管長接近40 m，起吊安裝作業(yè)時(shí)容易發(fā)生彎曲和變形，應(yīng)出具專用施工方案對吊裝作業(yè)進(jìn)行規(guī)劃，避免出現(xiàn)彎曲過大影響性能。本項(xiàng)目分析重量、重心后，使用兩臺吊機(jī)進(jìn)行吊裝，分析吊裝過程彎矩變化情況，詳細(xì)規(guī)劃了吊耳的布置、吊車使用和吊索具的選用。吊裝過程示意如圖3和圖4所示。

圖3 立管起吊示意圖和彎矩圖(單位mm)Fig.3 Diagram of lifting and bending moment of SCR riser

圖4 立管起吊45°示意圖和彎矩圖(單位mm)Fig.4 SCR riser at a lifting degree of 45° and bending moment

吊裝安裝的主要過程： ①按照方案布置好吊索具和吊車；②設(shè)置吊裝警戒線，阻止無關(guān)人員進(jìn)入吊裝區(qū)域；③慢慢起吊，離地0.3 m后觀察，確認(rèn)無異常后繼續(xù)作業(yè)；④將立管吊裝至指定安裝位置，使用倒鏈或牽引繩輔助精確就位；⑤在立管和結(jié)構(gòu)物固定后，松開吊索具，移走吊車并清理場地。

相較于常規(guī)平臺的立管陸地吊裝，半潛式生產(chǎn)平臺立管陸地吊裝精度要求很高，因?yàn)樗耂CR連接頭有嚴(yán)苛的角度要求，如果出現(xiàn)安裝角度偏差，將影響SCR連接疲勞使用壽命。在本項(xiàng)目中，SCR設(shè)計(jì)角度偏差值為±1°，為保證SCR能夠以正確的角度安裝，設(shè)計(jì)采用了安裝立管接收器固定SCR連接頭角度和假體試裝提前驗(yàn)證SCR連接頭角度是否正確的方法。因此，在安裝立管接收器的過程中，需要特別注意立管接收器的設(shè)計(jì)標(biāo)高和角度，安裝立管接收器時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙安裝，按照設(shè)計(jì)的焊接順序焊接，控制焊接變形，并做好安裝過程的尺寸檢測。立管接收器安裝完成后，應(yīng)使用下部水體部分立管連接頭假體和預(yù)制好的spool piece管進(jìn)行試裝，確保SCR連接頭角度安裝正確，確保海上SCR安裝工作順利完成。安裝后的接收器及假體試驗(yàn)如圖5所示，立管接收器角度設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5 安裝后的接收器及假體試裝Fig.5 Trial assembly of installed receiver and prosthesis

圖6 立管接收器角度設(shè)計(jì)Fig.6 Design of the angle of the SCR riser receiver

2 立管試壓

立管安裝后，應(yīng)組織開展管系試壓工作，確保安裝無漏點(diǎn)。深海一號平臺立管的工作環(huán)境位于海底1 400 m水下，壓力值要求很高。本項(xiàng)目的6根立管，試驗(yàn)介質(zhì)為水，試驗(yàn)壓力值范圍為28 125～47 500 kPaG，對比常規(guī)的工藝管線，管線試驗(yàn)壓力值很大。組織實(shí)施如此高壓力值的試壓，需要精心準(zhǔn)備，確保安全順利完成。

試驗(yàn)的主要工作步驟： ①做好警戒，設(shè)置安全警示標(biāo)志，避免無關(guān)人員進(jìn)入；②按照P&ID圖紙和三維圖紙檢查立管安裝和無損檢驗(yàn)記錄，確認(rèn)安裝無遺漏；③確認(rèn)所使用的試壓表和設(shè)備都已經(jīng)做過標(biāo)定和測試；④進(jìn)行管線清掃；⑤按照試壓圖紙，依據(jù)試壓流程在試壓入口向管內(nèi)灌水，直到管線系統(tǒng)最高位置的放空閥門有穩(wěn)定的水流出；⑥逐步增加壓力至設(shè)計(jì)試壓壓力值；⑦穩(wěn)定壓力，檢查無泄漏，保持壓力穩(wěn)定60 min以上；⑧逐步減壓和釋放水介質(zhì)。

由于試壓壓力值高，立管路徑安裝有SSIV閥門和SDV閥門等精密設(shè)備，試驗(yàn)時(shí)還需要注意： ①提前確認(rèn)SSIV閥門和SDV閥門是否參與試壓，在本項(xiàng)目中，除18 in外輸管線外，SSIV閥門和SDV閥門不參與管線試壓；②需要在SSIV閥門和SDV閥門靠近SSIV閥門側(cè)增加一道黃金焊口；③參與試壓的18 in外輸管線SSIV閥門必須處于半開狀態(tài)，待試壓完畢后再將閥門全開；④試驗(yàn)壓力應(yīng)該逐漸增加，從25%到50%，再到75%，再到100%，當(dāng)壓力增加到50%試驗(yàn)壓力時(shí)，應(yīng)保持至少10 min。

3 立管通徑試驗(yàn)

立管安裝后，為了避免焊道或管道內(nèi)有雜質(zhì)影響后續(xù)立管使用，需要開展通徑試驗(yàn)。通徑試驗(yàn)所使用的屈曲探測器的測徑圓板能夠清除一部分管道內(nèi)雜質(zhì)，更為重要的是，能夠通過屈曲探測器的測徑圓板的損壞情況判斷管道內(nèi)焊道是否符合要求，是否會影響后續(xù)的立管通球試驗(yàn)和投產(chǎn)使用。

本項(xiàng)目選取的屈曲探測器的測徑圓板為6 mm厚的鋁板，鋁板的強(qiáng)度較低并具有比較好的韌性，不會損壞立管內(nèi)壁，選用的屈曲探測器的測徑圓板的直徑為立管最小內(nèi)徑的97%。

立管通徑試驗(yàn)應(yīng)在立管試壓工作開始前完成，通徑試驗(yàn)前必須完成管線清洗和吹掃工作。通徑試驗(yàn)開始前，需要準(zhǔn)備好所需的工機(jī)具，主要有絞車、鋼絲繩、履帶吊或叉車等。通徑試驗(yàn)的主要操作步驟： ①使用清潔淡水沖洗管線直到立管內(nèi)流出的水不含雜物；②準(zhǔn)備適合試驗(yàn)立管直徑的屈曲探測器，注意其測徑圓板必須是新的，拖拉用繩選用直徑為18 mm的鋼絲繩；③施工人員站在立管頂部，將鋼絲繩系在探測器一端，把鋼絲繩從頂部放入立管直到鋼絲繩一端達(dá)到立管底部，探測器另一端系回拉鋼絲繩，并將探測器放入立管；④連接好后，用絞車?yán)綔y器在立管中滑動(dòng)，如果探測器卡在立管中，則用履帶吊或叉車?yán)綔y器另一端回拉的鋼絲繩，把探測器拉回立管頂部；⑤通徑操作時(shí)，探測器的速度在0.5 m/s和1 m/s之間；⑥清除立管內(nèi)部雜物，觀察測徑圓板損壞情況并拍照，在業(yè)主認(rèn)可后完成通徑工作。

4 立管節(jié)點(diǎn)防腐

SCR工作環(huán)境惡劣，海水腐蝕性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)要求30年不進(jìn)塢維修，因此SCR的防腐要求非常嚴(yán)格。在本項(xiàng)目中，由業(yè)主供貨的立管管段已經(jīng)做了3LPP(3層聚丙烯)的防腐保護(hù)。在建造安裝過程中，需要把立管焊接節(jié)點(diǎn)部分的3LPP防腐層破壞進(jìn)行立管安裝施工，待安裝和試壓結(jié)束后，采用特定工藝重新對焊接節(jié)點(diǎn)部分做防腐保護(hù)。立管節(jié)點(diǎn)防腐做不好，很容易成為立管整體防腐的“短板”，進(jìn)而影響整體使用壽命。

在本項(xiàng)目中，對立管節(jié)點(diǎn)修復(fù)使用液態(tài)環(huán)氧底漆+聚丙烯熱縮帶材料，防腐涂層包括三層結(jié)構(gòu)： 底層為液態(tài)環(huán)氧底漆，中間層為聚丙烯膠黏劑，最外層為高密度聚丙烯。防腐節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)詳圖如圖7所示。

圖7 防腐節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)詳圖Fig.7 Structure of LE+PP HSS coating

節(jié)點(diǎn)防腐涂層三層結(jié)構(gòu)總厚度不小于2.75 mm，其中環(huán)氧底漆厚度不小于250 μm，中間層不小于1.5 mm，外層背材厚度不小于1.0 mm。

節(jié)點(diǎn)防腐施工主要分為節(jié)點(diǎn)表面處理和節(jié)點(diǎn)防腐材料安裝。節(jié)點(diǎn)表面處理需要使用噴砂除銹，其詳細(xì)的施工步驟如下： ①檢查鋼管表面缺陷油脂及污染物并清洗，必要時(shí)，使用紫外燈檢查油污；②使用加溫裝置，使鋼管表面溫度大于10℃，同時(shí)高于周圍露點(diǎn)溫度3℃；③檢查磨料符合標(biāo)準(zhǔn)要求；④開始噴砂作業(yè)，對水平放置的節(jié)點(diǎn)，推薦使用封閉循環(huán)噴砂系統(tǒng)，對垂直的節(jié)點(diǎn)，采用手持循環(huán)噴砂系統(tǒng)；⑤噴砂后潔凈度根據(jù)ISO： 8501-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，需要達(dá)到SSPC SP-10級別；⑥表面輪廓根據(jù)ISO： 8503-5標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量。

節(jié)點(diǎn)材料安裝主要分為底漆涂刷、加熱和熱縮帶安裝，其詳細(xì)的施工步驟如下： ①對噴砂后的鋼管表面和鄰近3LPP提前打磨的區(qū)域進(jìn)行清理；②將混合好的環(huán)氧樹脂涂覆在鋼管表面，底漆需要覆蓋鋼基材表面且不能涂抹在主體涂層上，過程需要檢測底漆厚度；③鋼管表面溫度需要控制在30～60℃，使用中頻線圈進(jìn)行加熱；④底漆涂刷后，需要加熱到175～190℃，便于底漆固化，與底漆搭接的3LPP區(qū)域需要加熱到125～150℃；⑤預(yù)熱熱縮帶封口片，開始纏繞熱縮帶，纏繞熱縮帶時(shí)需要對中以保證熱縮帶收縮后與兩側(cè)主體涂層有至少50 mm的搭接；⑥聚丙烯熱縮帶需要根據(jù)廠商的推薦進(jìn)行烤制，選擇合適的壓輥趕壓熱縮帶直到無凹痕、褶皺和氣泡。熱縮帶安裝后兩側(cè)需要溢膠，此過程要保證無冷點(diǎn)；⑦待熱縮帶自然冷卻至環(huán)境溫度后，進(jìn)行檢驗(yàn)。

5 結(jié) 語

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的6根SCR，總體長度約為600 m，施工周期約為130余天，中間的施工環(huán)節(jié)包括預(yù)制、無損檢驗(yàn)、吊裝安裝、通徑試驗(yàn)、節(jié)點(diǎn)防腐、試壓、spool piece試裝等。鑒于SCR的特殊性，對建造方的焊接質(zhì)量和安裝精度以及施工組織均有很高的要求，如施工過程中出現(xiàn)重大焊接或試壓質(zhì)量問題，會直接影響項(xiàng)目整體的完工交付。深海一號項(xiàng)目立管陸地預(yù)制安裝過程，項(xiàng)目人員科學(xué)組織各個(gè)施工環(huán)節(jié)，嚴(yán)格控制施工步驟，針對施工尺寸控制難點(diǎn)采用了有針對性的控制措施，保障在較短時(shí)間內(nèi)完成了立管預(yù)制吊裝工作。

隨著我國深海油氣開采步伐的不斷加快，將會有第二座乃至更多的深水半潛式生產(chǎn)平臺開始建造。SCR作為深水半潛式生產(chǎn)平臺的生產(chǎn)和外輸通道，是深水半潛式生產(chǎn)平臺的重要設(shè)備，后續(xù)的項(xiàng)目管理人員應(yīng)對SCR施工管理提高重視。本項(xiàng)目通過科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，精心組織資源實(shí)施，成功完成6條SCR安裝，總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，其成功實(shí)施對后續(xù)項(xiàng)目中類似SCR的安裝有著重要參考價(jià)值。