大尺寸深水海管誘導側屈結構物批量預制實踐

鄔智慧，張傳奇，王杰文，張云鵬，陳為欽，任培媛

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

海底管線是油田生產輸送的大動脈，是海上油氣田的重要設施之一。海底管線在管內流體介質的溫度發生變化、管道內外壓力、泊松比、熱膨脹和土壤摩擦阻力等因素共同作用下發生管道端部膨脹。蛇形鋪設是側屈控制的最經濟方法之一，常用的設計是在波峰增加誘導側屈結構物。南海某深水油田群平均水深為392～429 m，通過一種誘導側屈結構物抬高海管，創造一個易于發生側屈的激發點。本文依托南海某新建深水油田群項目，闡述一種誘導側屈結構物批量預制實踐。

1 項目概況

南海某新建油田群中心處為一艘15萬噸級FPSO，新建4條海底管線，深海管道設計溫度分別達到113 ℃和119 ℃，高溫引起的側向屈曲問題是海底管道設計的關鍵問題：膨脹量達到4.0～4.5 m，對PLET設計帶來重大挑戰；不加控制的側向屈曲會在局部產生不受控的大應變；過高的有效軸向力對管道校核帶來很多挑戰。為解決問題，通過誘導側屈結構物抬高海管，制造初始的垂向變形（OOS），并使用特氟龍或超高分子量聚乙烯等涂層減少海管和SLEEPER的摩擦力來創造一個易于發生側屈的激發點。FPSO與一處油田水下生產系統之間新建2條長度約23.1 km（直線距離）的10 in海底管道，每條海管各設置有9套；FPSO與另一處油田水下生產系統之間新建2條長度約12.2 km（直線距離）的14 in海底管道，每條海管各設置8套，共計34套。

2 結構設計原理

圖1 14 in海底管道結構物布置示意圖

誘導側屈結構物設計主要考慮：沉降計算，彈性沉降+固結沉降，分層總和法；地基承載力計算；抗傾抗滑計算；結構強度計算；滑道材料選型（超高分子聚乙烯材料）；長度確定。采用Abaqus有限元軟件進行分析，得到屈曲緩解措施結構物分布和管道響應，從而確認以下參數：高度，即初始偏離（OOS）；間距，或者說虛擬錨固間距設計（VAS）；結構設計。

3 結構組成

根據設計和用途，結構物分為3種類型，其中TYPE B用于10 in海底管線與其他海底電纜交叉處理，主要分成H型鋼框架、防沉板和裙板、防漁網裝置和附件。

表1 基本信息表

4 預制策劃

4.1 預制布場

結構物預制場地位于碼頭后方堆場的胎架，能滿足13套結構物同時建造（如圖4）。結構物預制采用分片預制，組裝，在碼頭預制場地結構總裝，完成整體熱工作業；吊裝場地右側進行整體打砂涂漆，然后進行高分子材料安裝和標記；預制完成，待出海的結構物利用碼頭的40 t門機轉移至碼頭前沿，分批裝船出海。

圖2 預制場地示意圖

4.2 預制流程

預制基本流程主要為材料驗收和檢驗、號料和切割、零件坡口加工和附屬件預制、結構部件裝配、外觀和尺寸檢查、焊接、焊縫處理和檢驗、打砂涂裝、整體外觀檢查、稱重裝船等工序。主要工序如圖3所示。

圖3 預制流程圖

1）材料檢驗和跟蹤。材料到貨時，依據圖樣及材料證明書核對材料標記，并對材料外觀進行檢查，厚度偏差符合要求。在進行下料前，項目施工人員應將材料上的標記進行保護或轉移，材料標記的保護或轉移情況應經質檢人員現場確認后再進行下料。材料確認的內容包括材料等級、規格型號、鋼板號、爐批號等。在進行下料后，項目施工人員應及時將材料標記和切割圖號或下料單號轉移到材料上。

2）號料、下料和坡口加工。號料切割施工時盡量采用數控切割或半自動切割機進行切割，盡量減少人為因素對切割質量的影響。切割后，割渣和隆起物應徹底清除和磨平，板材自由邊打磨倒角不小于R1。下料應進行材料標記，進行材料跟蹤。坡口表面應平整，不得有裂紋、重皮、毛刺、凹凸、縮口等切割缺陷。坡口表面的熔渣、氧化鐵應去除并對距坡口10 mm范圍內的污物、油漆、油污、雜質等可能影響焊接質量的因素進行清除。

3）結構裝配焊接。結構物采用胎架上預制，裝配采用點焊和在對接口處使用碼板，裝配順序依次為：鋪設防沉板及下圍裙板；防沉板定位后，依次裝配中間H800型鋼、橫向H300型鋼及上肘板；裝配縱向H型鋼及下圍裙板；吊碼及附屬件的內場制作；裝配加強肘板及其它附屬件。現場施工時，嚴格按照焊接工藝規程WPS使用焊接工藝參數施焊，焊接順序基本原則是：盡可能讓焊縫自由收縮；由中間向兩側對稱焊，采用雙倍焊工；先焊收縮量大的焊縫；先焊對接焊縫，再焊角焊縫；先焊拉應力焊縫，后焊壓應力和剪應力焊縫。

4）檢驗（無損檢測）。誘導側屈結構物是以H型鋼為主體框架坐落在防沉板的一種結構，檢驗主要為原材料復檢、材料來料檢驗、材料追蹤、組對裝配檢驗、焊接控制、焊縫外觀檢驗、無損檢測（MT和UT）、尺寸檢驗、涂裝檢驗、超高分子聚乙烯板安裝檢驗、稱重、陽極測電阻、產品放行單檢驗等。焊縫主要為縱向H型鋼、防沉板對接焊縫和橫向H型鋼、鋼板角焊縫。對接焊縫無損檢測采用100%磁粉檢測和100%超聲波檢測，角焊縫無損檢測采用100%磁粉檢測，接受標準為AWS D1.1/D1.1M。

5）涂裝和裝船。考慮焊縫數量比較多和長度較長，涂裝采用熱工作業基本結束之后進行整體打砂。表面處理應按照SSPC-SP10進行處理，表面清潔度不大于2級，粗糙度滿足Sa2.5或St3.0。油漆不得涂在潮濕表面。鋼材表面應至少高于露點3 ℃時, 空氣的相對濕度不大于85%。油漆涂覆完成之后，進行低壓濕海綿漏涂點檢測，要求無漏涂點。油漆配套是國際油漆7600系列和Immersion 410。在吊運過程中進行稱重作業，稱重采用電子拉力計（具有檢驗合格證書）。原計劃5批次裝船交貨，因雨天天氣等因素的影響，為了配合海上施工，最后分6批次交貨，8船次（如表3）。

表3 交船批次

5 注意事項

5.1 鋼材材料選型

結構物安裝所處的水下環境溫度約為5 ℃，應選用具有低溫耐候性能鋼材。國產的B類板材(三級鋼)要求的沖擊功試驗溫度為0 ℃，H型鋼要求的沖擊功試驗溫度為-20 ℃。項目開始，部分鋼材采取Q345B鋼，增加沖擊功試驗溫度按0 ℃要求進行試驗以確認符合性；其它材料采取Q345C 鋼或DH36鋼。

5.2 超高分子聚乙烯板的應用

超高分子聚乙烯板是首次使用的水下結構物材料之一。設計時，主要針對主要性能（如磨耗、摩擦因數）進行了解，未考慮熱脹冷縮對塑料制品的影響（如表4），這個直接影響到板的安裝時間。針對超高分子聚乙烯板的熱脹冷縮對施工的影響，采取在溫度較低時間段如凌晨、傍晚、晚上或者陰雨天氣進行安裝，而且每次都要預安裝，記錄時間段和板的溫度及相關安裝在主梁的位置；確定尺寸合適，然后拆下來，待完成涂裝作業之后，再進行安裝。這樣施工，增加施工工作量，造成預制的被動。針對類似的材料，應注意溫度的影響。

表4 高分子材料受溫度影響延長測量數據（2019-01-26）

5.3 陽極支撐管和防撞裝置開孔

誘導側屈結構物預制設計未考慮到深水壓力作用，陽極支撐管和主梁的2個防撞裝置通過焊接固定，形成獨立密閉空間，可能產生變形的風險，需要進行計算分析。經過項目組與各方溝通，采取開孔來保證穩定性措施（增加透氣孔和漏水孔）。經過計算，內部無法進行全面涂裝防腐，陽極也能保證其防腐效果。水下結構物部分部件形成獨立密閉空間，這也是此前未能識別的風險，增加現場鉆孔加工工作，共完成陽極支撐管鉆1296個φ10 mm孔和防撞裝置鉆136個φ10 mm孔。現場鉆孔作業，因位置和環境限制，效率比較低，后續工作需引起重視。

6 結論

誘導側屈結構物的設計和批量預制成功實施，并在南海深水油田的成功應用，形成一套高溫海管側向屈曲分析和緩解措施設計方法，增加了防止深水海管側屈和膨脹的可選擇性，為今后工程項目提供了借鑒和指導作用，而且擁有廣闊的應用前景。