限制空間安裝膨脹彎的推薦方法

劉 朋，崔占明，于銀海，方龍盤，韓 劍，劉建峰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

海底管道是海上油氣輸送最高效、最安全的方式之一，根據輸送的介質不同，海底管道可分為：注水管道、輸氣管道、油氣水混輸管道[1-2]。膨脹彎是海底管道的重要組成部分，其結構形式是具有一個或多個彎頭的管段，通過膨脹彎將平臺立管與水下平管連接，使整條海底管道貫通[3]。膨脹彎在外力作用下可以產生一定程度的變形，釋放海底管道平管因熱膨脹等因素產生的應力，保障海底管道安全運行。膨脹彎一般位于平臺的正下方，在油田開發的設計階段，考慮鉆井作業因素通常將膨脹彎路由設計在有飛機甲板或火炬臂一側，以便為鉆井船騰出操作空間。膨脹彎的重心有可能會與平臺結構物如飛機甲板、火炬臂等有重疊，安裝膨脹彎時無法通過浮吊船直接吊裝到位。本文以渤海某油田開發工程項目為背景，詳細介紹兩種在限制空間安裝膨脹彎的方法。

1 工程概況

2020年渤海某油田新建兩條海底管道，分別為D 12 in（1in=25.4mm）輸氣管道和D 6/12 in混輸海底管道。安裝海底管道時組塊平臺已經安裝，平臺東西兩側各有1艘鉆井船進行鉆井作業。每條海底管道在平臺處分別設計2節膨脹彎，輸氣海底管道第一節膨脹彎位于平臺火炬臂下方，混輸海底管道第一節膨脹彎位于飛機甲板下方。2條海底管道的膨脹彎路由位置如圖1所示。

圖1 膨脹彎路由

由于飛機甲板和火炬臂的影響，兩條管道的第一節膨脹彎均無法由浮吊船直接吊裝到位，為此針對膨脹彎的實際情況，設計了2種安裝方法。

安裝混輸管道膨脹彎時，在膨脹彎上增加配重，將整體的重心調整到平臺飛機甲板外側，由浮吊船直接將膨脹彎吊裝到設計路由完成安裝。安裝輸氣管道膨脹彎前，在平臺導管架樁腿上布置導向，在遠離平臺膨脹彎的另一端兩側布置配重塊安裝導向，膨脹彎吊裝下水后用浮袋將膨脹彎浮起至懸浮狀態，通過導向將膨脹彎調整至設計路由完成安裝。膨脹彎參數見表1。

表1 膨脹彎參數

2 調整重心安裝

2.1 配重設置

D6/12 in混輸管道第一節膨脹彎位于平臺飛機甲板的下方，根據膨脹彎的尺寸和材質屬性進行三維建模，以彎頭為坐標原點，計算出膨脹彎的重心坐標為G（6 450 mm，2 150 mm）。在設計路由上膨脹彎的重心位于飛機甲板下方，距飛機甲板邊緣為1 864 mm。浮吊船吊裝膨脹彎時吊點位于膨脹彎重心的正上方，規范要求吊裝膨脹彎時鋼絲繩水平角度不大于60°，根據水深及吊裝要求選取吊高為30 m[4-5]。在膨脹彎的末端增加配重，使膨脹彎的重心從G點移動到G1點，位于飛機甲板外側，且與飛機甲板邊緣最小距離不小于1.5 m，如圖2所示。

圖2 膨脹彎重心相對飛機甲板位置

在膨脹彎上增加8 m H200×200×8×12型鋼和1 500 kg的配重塊，與膨脹彎之間用盲法蘭進行間接。增加配重塊之后的整體重心G1坐標為（11 926 mm，1 586 mm），總體重心在飛機甲板外側，與飛機甲板水平距離為1 629 mm，滿足吊裝條件，如圖3所示。膨脹彎與配重吊裝下水后，由潛水員完成立管測法蘭對接，將配重拆卸后吊裝出水。

圖3 膨脹彎配重示意

2.2 吊裝計算

膨脹彎增加配重后采用4根鋼絲繩總體吊裝，其中膨脹彎上裝配3根鋼絲繩，配重塊上裝配1根鋼絲繩，吊點位置坐標為（11 926 mm，1 586 mm，30 000 mm）。

膨脹彎鋼絲繩裝配位置如圖4所示。

圖4 整體吊裝鋼絲繩裝配位置俯視

使用SCAS軟件對膨脹彎整體吊裝計算，4根鋼絲繩的拉力及長度如表2所示。

表2 荷載效應因子和荷載組合

吊裝膨脹彎時對膨脹彎整體強度進行屈曲校核。根據DNVGL-ST-F101《海底管道系統》規范把載荷分類為：功能載荷、環境載荷、偶然載荷和壓力荷載，按照最不利的荷載組合進行計算，不同極限狀態下的荷載效應因子和荷載組合如表3所示[6-7]。

表3 荷載效應因子和荷載組合

荷載組合計算結果如表4所示。

從表4可以看出膨脹彎及配重部分的UC值都小于1，膨脹彎的強度滿足計算要求。

表4 荷載組合計算結果

3 導向安裝

D12 in輸氣管道第一節膨脹彎的重心位于平臺火炬臂的邊緣，距火炬臂的垂直距離為0.187 m，吊裝膨脹彎時浮吊船的吊鉤距離平臺太近，無法直接吊裝到位，如圖5所示。采用水下導向調整的方法進行安裝。根據膨脹彎的尺寸和材質屬性進行三維建模，以彎頭為坐標原點，計算出膨脹彎的重心坐標為G（4 517 mm，1 927 mm），如圖6所示。

圖5 膨脹彎重心與平臺火炬臂的相對位置

圖6 輸氣管道第一節膨脹彎配重重心

3.1 水下導向布置

布置水下導向時，用于調整膨脹彎位置的導向繩不宜過長或過短。水下導向的作用是膨脹彎入水后調整平移和旋轉。導向繩過長時有可能與水下結構物纏繞，水下能見度較低，不便于潛水員水下調整；導向繩過短時導向繩與膨脹彎的夾角過小，調整膨脹彎水下位置時的水平力過大。水下導向布置如圖7所示。

圖7 水下導向布置

在導管架底部中間節點上用扁平吊帶和3 t手扳葫蘆布置導向1，在導管架B2樁腿根部布置導向2，用于調整膨脹彎近平臺端的位置；在膨脹彎遠平臺端設計路由的左右兩側海底各放置1個10 t配重塊，連接扁平吊帶和手扳葫蘆用于調整膨脹彎遠平臺端的位置。導向1的可調長度為5～8 m，導向2～4的可調長度為3～6 m。

3.2 膨脹彎對接

為了便于調整膨脹彎的位置，吊裝下水前在膨脹彎上綁扎3個浮力為9.8 kN的浮袋，浮袋的浮力可以根據充氣量進行調整，浮袋位置如圖8所示。

圖8 浮袋固定位置

吊裝下水對浮袋進行充氣使膨脹彎處于懸浮狀態，便于調整膨脹彎的水下位置。膨脹彎兩端各綁扎一個USBL信標，通過水上終端顯示其水下位置[8-9]。

膨脹彎吊裝下水后，通過USBL顯示的膨脹彎水下位置，將膨脹彎擺放在膨脹彎設計路由附近，保證吊裝膨脹彎的鋼絲繩與平臺火炬臂的距離大于1.5 m，將膨脹彎放置在海床上。潛水員將4個導向連接在膨脹彎上，對膨脹彎上的浮袋進行充氣，使膨脹彎上浮至懸浮狀態。充氣的過程中浮吊船的吊機吊力逐漸減小，吊力趨近為0時停止充氣，潛水員檢查膨脹彎的狀態，膨脹彎處于一個水平面后摘掉吊機的吊扣，通過調整水下導向長度使膨脹彎移動至設計路由位置，膨脹彎吊裝入水位置如圖9所示。

圖9 膨脹彎吊裝入水位置

將導向3放長1.5 m、導向4放長0.5 m，收緊導向2使膨脹彎整體向斜下方移動，調整導向1使膨脹彎移動到設計位置，如圖10所示。安裝螺栓后將浮袋、導向拆卸，擰緊螺栓完成法蘭對接，將水下的導向、浮袋及配重塊回收。

圖10 膨脹彎調整到位

4 兩種方法對比

調整重心法和導向調節法均能夠在限制空間安裝膨脹彎，但兩種方法區別如下：

（1）調整重心法通過增加配重，可較大程度上調整膨脹彎的整體重心，但需要進行強度校核計算，對于較大尺寸的膨脹彎增加配重后不便于吊裝。

（2）導向調節法適用于所有限制空間位置的膨脹彎安裝，但是調整位置較遠時，調整時間過長導致施工成本增加。

（3）可以根據膨脹彎重心與平臺結構物的相對位置選擇不同的安裝方法，膨脹彎重心與平臺結構物重疊較多并且能通過強度校核計算時，優先選用調整重心法；膨脹彎重心與平臺結構物重疊較少時，優先選用導向調節法。

5 結束語

以渤海某油田工程項目為例，介紹兩種在限制空間安裝膨脹彎的方法并得到成功應用，其中膨脹彎重心與平臺結構物重疊較多時采用調整重心法，通過增加配重調整重心外移，可利用浮吊船直接吊裝到位進行膨脹彎法蘭對接工作；膨脹彎重心與平臺結構物重疊較少時，在水下布置導向，先將膨脹彎吊裝下水后通過水下導向調整膨脹彎位置，完成膨脹彎法蘭對接工作。