基于雙鉤扶正技術的東方13-2導管架安裝

黃山田 魏佳廣 于文太 王浩宇 崔廣亮 劉 濤

（海洋石油工程股份有限公司）

中國的海洋工程安裝技術正在向更加高效、節能的方向發展，隨著淺海石油天然氣資源勘探開發日益枯竭，在國際市場低油價運行已成常態的環境下，努力大幅降低工程成本，提升經濟效益，才能實現較深水油田的經濟開發。我國南海具有豐富的油氣資源，有“第二個波斯灣”之稱，針對較深水導管架平臺的安裝加大技術創新力度、降低油田開發成本、開展較深水導管架安裝技術創新是較深水區塊所面臨的重要課題。

目前，國內針對淺水區和較深水區域的常用樁基式導管架和水下裙樁式導管架大多采用立式吊裝下水、滑移下水及注水扶正（單鉤扶正）等單鉤輔助作業方式，這幾種導管架安裝方法在國內均屬成熟技術［1］，并可達到國際領先水平，如荔灣3-1導管架的設計安裝。而在較深水導管架的單吊雙鉤扶正技術方面，國內工程設計和施工技術匱乏，安裝資源能力不足，缺少工程施工經驗，難以滿足雙鉤扶正技術需求，而在國外，此類安裝方法屬于成熟技術。因此，如何將較深水導管架安裝方式最優化，深度體現降本增效，是較為迫切的問題。

筆者結合東方13-2 WHPA導管架實際工程項目，研究較深水導管架雙鉤扶正安裝的關鍵技術，解決雙鉤聯動吊重能力不足的難題。

1 項目簡介

東方13-2項目（圖1）主要包括1個重約1 755t的WHPA導管架，單樁重達370t的4根水下裙樁，施工海域水深62.3m。導管架規格為30.0m×26.0m×74.5m，標高+8.5m處尺寸為12m×12m，標高－62.3m處尺寸為25m×30m，設計采用藍鯨號單主鉤吊裝下水，單主鉤和副鉤雙鉤聯動作業完成導管架扶正就位。

圖1 東方13-2項目WHPA導管架模型

2 導管架雙鉤扶正技術的優勢和難點

針對較深水導管架的設計特點，在較深水海域，受吊高等因素的影響，導管架直立建造的方式無法滿足海上吊裝作業要求，故采用臥式建造，在導管架浮力不足的情況下，無法采用注水扶正的方式完成就位，而雙鉤扶正的方式正好解決了該導管架的扶正就位問題。因導管架較重，受吊裝跨距影響，該導管架雙鉤扶正過程中需要提前將導管架放入水中，然后通過雙鉤聯動作業，在水下完成導管架的扶正作業。但導管架雙鉤施工有其不同于單鉤施工的技術難點與優勢。

技術難點為：索具布置設計、施工復雜；掛扣、摘扣作業復雜；扶正過程設計復雜。

技術優勢為：可解決導管架儲備浮力不足問題，突破了常規注水扶正導管架對剩余浮力要求高的制約［2］；節省鋼材。

導管架扶正方式（雙鉤扶正和單鉤注水扶正）對比如圖2所示。

圖2 導管架扶正方式對比

3 導管架雙鉤扶正安裝的關鍵技術

導管架雙鉤扶正技術是利用吊機扒桿的主鉤與副鉤同時作業，從而完成導管架扶正的新方法。不同于常規的單鉤扶正，雙鉤扶正對于小噸位導管架的設計具有較強優勢，無需考慮導管架剩余浮力的要求，能節省大量鋼材，具有良好的經濟性。

3.1 雙鉤聯動水中扶正安裝方案設計技術

單吊雙鉤扶正導管架施工程序為［3］：導管架單主鉤吊裝下水→單主鉤帶力旋轉90°→單主鉤保持帶力的同時副鉤掛扶正索具→單主鉤和副鉤雙鉤聯動扶正導管架→導管架座底就位，扶正完成。

雙鉤扶正作為浮吊輔助扶正的一種，將導管架平吊和扶正設計成連續過程，不用重新拆裝索具，直接在水中扶正。其優勢在于避免了單鉤注水扶正導管架對穩性和儲備浮力的苛刻要求，減小了導管架重量和規格尺寸，降低了導管架海上在位期間所受的環境荷載；又避免了考慮復雜的充水管線和艙室的設計，安裝時省去繁雜的充水步驟，使導管架的海上安裝變得簡單可行，既保證了安全又節省了昂貴的工程船舶費用。

導管架雙鉤聯動水中扶正安裝方案設計技術基于國內船舶資源的特性，結合藍鯨雙鉤聯動載荷幅度關系（圖3）和單鉤不可斜拉特點，形成了單扒桿→雙主鉤→單副鉤的雙鉤聯動作業工藝。

圖3 雙鉤聯動載荷曲線

該工藝突破了導管架雙鉤扶正工藝設計難題，形成了一套供藍鯨船進行導管架雙鉤扶正工藝（圖4）的施工技術，可高質量、高效率地完成施工，圖中紅色線條表示平吊索具。

圖4 雙鉤施工過程索具模擬

3.2 平吊、扶正索具的設計與預布置技術

考慮藍鯨號單扒桿雙鉤（單主鉤和副鉤）特性，需設計一個索具平臺，同時將平吊索具、扶正索具布置在一起，目的是使主鉤平吊導管架帶力的狀態下副鉤掛扶正索具，且考慮浮吊的副鉤不可斜拉的特點，便于適應單扒桿雙鉤扶正作業的施工特性和掛扣操作。

3.2.1 平吊索具設計

導管架平吊索具的設計，既要考慮常規設計的索具起吊角度大于60°，又要考慮在導管架扶正后主鉤不能與導管架碰撞干涉（單鉤注水扶正導管架時，平吊索具在導管架吊裝下水后拆除，然后再掛扶正索具扶正導管架，屬于獨立操作），雙鉤扶正導管架需在導管架完成座底就位后再拆除平吊索具，屬于聯動操作，因此導管架平吊索具要設計得足夠長，保證導管架扶正后主鉤鉤頭在導管架最高點以上。東方13-2 WHPA導管架的平吊索具（圖5）設計規格分別為φ180mm×73.7m的索具兩根、φ210mm×65m的索具兩根。

圖5 東方13-2 WHPA導管架平吊索具

3.2.2 扶正索具設計

導管架平吊下水，單主鉤帶力旋轉90°后，在單主鉤繼續帶力保持的狀態下副鉤掛扶正索具，既要考慮導管架旋轉90°后副鉤掛扶正索具的可行性、掛扣和扶正過程中與平吊索具的干涉和可操作性，又要考慮將扶正索具琵琶頭預牽引布置在平吊索具平臺預設計位置，使之正好處于副鉤正下方，受副鉤不可斜拉的限制且便于操作掛扣。東方13-2 WHPA導管架的扶正索具（圖6）設計規格分別為φ132mm×65m的索具兩根、φ156mm×65m的索具兩根。

圖6 東方13-2 WHPA導管架扶正索具

3.2.3 索具預布置設計

由于環形索具具有直徑大、長度長等特點，且導管架桿件結構較細，索具綁扎成為難題，項目組通過創新、優化設計，有針對性地設計出一套長距離環形索具綁扎方案［4］，具體如圖7、8所示。

圖7 平吊索具、扶正索具布置設計

圖8 扶正索具牽引綁扎三維設計

3.3 多根輔助纜繩和安全牽引繩的設計與布置技術

導管架整個雙鉤扶正施工過程中，需要布置多條施工輔助纜繩；如何有序、合理、可靠且高效地預布置施工輔助纜繩，是項目設計的重中之重，也是關鍵環節，關系著導管架的安全吊裝，也影響著海上施工效率。尤其是導管架扶正后，4根大直徑最長平吊索具的牽引非常關鍵［5］。

在東方13-2項目WHPA導管架整個施工過程中，需要用到施工輔助纜繩共14條，主要包括：導管架平吊控制纜繩4條，單主鉤帶力旋轉90°控制纜繩3條，導管架扶正過程平吊索具安全牽引纜繩4條，導管架扶正后旋轉90°控制纜繩和座底就位控制纜繩3條。如此多的施工輔助纜繩，陸地有序布置綁扎、海上施工避免干涉、方便操作，是設計中的難點，也是關鍵點。施工輔助纜繩設計示意圖如圖9所示。

圖9 施工輔助纜繩設計示意圖

3.4 數值分析模擬技術

研究了較深水導管架雙鉤扶正的數值分析方法，利用MOSES軟件精確模擬船→導管架→海床的最小安全間隙，導管架→扒桿→吊索具的全過程動態安全間隙，實現了導管架雙鉤扶正過程的三維實時模擬設計（圖10）。

圖10 導管架雙鉤扶正過程數值分析

完成了導管架雙鉤扶正過程精細化設計，根據導管架扶正過程的各瞬時狀態，分析了主副鉤的張力載荷和吊高、主副鉤變幅鋼絲張開角、導管架的浮態和浮力、導管架橫縱傾角、水中狀態、吊機跨距及扒桿角度等系列參數，對精確控制導管架的扶正姿態尤為重要，可指導現場施工。

精確分析了扶正過程雙鉤聯動工況的鉤頭力、浮態、跨距、吊高及沒水狀態等，模擬了船→導管架→海床的全過程動態安全間隙，實現了導管架雙鉤扶正過程的數值分析方法，能更有效指導現場施工［6］。

4 導管架雙鉤扶正技術工程應用

東方13-2項目WHPA導管架采用藍鯨單主鉤吊裝下水、單主鉤帶力旋轉90°，單主鉤和副鉤雙鉤聯動扶正的形式進行海上安裝，該工藝是公司首次設計并實施的新工藝新技術，存在一定的風險和挑戰，本次導管架的順利下水就位標志著公司已獨立掌握導管架雙鉤扶正這一新技術。通過本項目的成功實施，掌握了百米水深2 000t級導管架雙鉤扶正海上安裝新技術。

結合國內工程安裝船藍鯨號性能和東方13-2項目特點研發了較深水導管架水中雙鉤扶正的優化改進方案和措施，提升了施工船舶的作業能力和海上施工效率。過程中需要注意以下幾點：

a.扶正過程充分考慮流速、流向對導管架扶正的影響；

b.在浮吊能力滿足要求的情況下，不用隔膜等浮力儲備；

c.考慮應急方案，即注水工況和注水順序輔助扶正導管架；

d.由于雙鉤扶正導管架平吊卡環失效后摘扣困難，建議優化吊點形式，設計成自動脫扣Trunnion形式，避免使用卡環。

5 結束語

東方13-2項目WHPA導管架采用藍鯨號單主鉤平吊入水、單主鉤帶力旋轉90°、單主鉤和副鉤雙鉤聯動并考慮借助導管架水中浮力的方式扶正導管架并就位，整個過程進行了數值分析和計算，其關鍵參數和數值模擬結果均滿足設計要求，完善了雙鉤扶正工藝流程，豐富了作業手段，取得了良好的應用效果。

導管架雙鉤扶正技術因具有節省鋼材、無需考慮導管架儲備浮力、技術可行性及經濟性等優勢，故非常適合百米水深、單吊雙鉤的導管架安裝。雙鉤扶正導管架需要考慮浮吊船本身的雙鉤聯動作業工況，因此對其浮吊副鉤的作業能力要求比較高，結合國內大型工程安裝船舶的特性，百米水深級的導管架采用雙鉤扶正具有較強的綜合優勢，同時減小了依賴拖輪的需求。

基于上述研發的單吊雙鉤扶正導管架技術，實現了工程化，占領了國內市場，替代了進口，打破了國外壟斷和技術封鎖，產生了顯著的社會效益和經濟效益，推動了我國大型深水導管架安裝技術的發展和進步，為下一步我國南海大開發和大力開拓國際市場打下堅實的基礎。未來公司將面對的是市場的國際化，必須盡快提高在未來海洋工程產業國際化競爭環境中持久的生存與發展能力，才能為今后的國際海洋石油開發工程積累實踐經驗。