基于增加配重法后安裝膨脹彎的技術方案設計

劉建峰，王彥多，趙強，于銀海，樊華

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

膨脹彎是海底管道與平臺立管間的一段過渡管線，其通過吸收海底管道因熱脹冷縮導致的膨脹量，補償海底管道長度的變化，為海底管道提供有效保護。在常規的海洋工程項目施工工序中，膨脹彎的安裝一般放在導管架安裝之后組塊安裝之前。但是，對于有些工程項目由于受施工船舶檔期調整等因素的影響，會將膨脹彎安裝放在組塊安裝之后，這樣就會出現組塊的飛機甲板、火炬臂或者棧橋等結構物干涉浮吊吊機臂，造成浮吊無法直接將膨脹彎吊裝就位的施工困難。此時，若選擇更換浮吊資源，則需要尋找吊機臂長度合適的浮吊船，換船周期長，會額外增加成本；若選擇重新設計膨脹彎路由，則需要對膨脹彎進行重新設計和預制，同樣也是周期長、成本高。因此，結合渤中19-6氣田WHPA平臺后安裝膨脹彎的施工困難，開展后安裝膨脹彎技術方案設計分析。

1 工程背景

渤中19-6氣田WHPA平臺為新建的井口平臺，其有一條6/12 in新建混輸海底管道，該海底管道在WHPA平臺側膨脹彎的截面特性見圖1，技術參數見表1。

表1 膨脹彎的技術參數

圖1 膨脹彎截面示意

該膨脹彎原計劃放在導管架安裝后組塊安裝前完成安裝，但是由于項目實施過程中施工順序發生變化，導致膨脹彎的安裝被推遲到了組塊安裝之后。經過對首節膨脹彎(與立管相連接的一節)的模擬分析，若以其立管端為坐標原點(0，0)，其在路由上的重心坐標為(6.07，-8.82)，位于飛機甲板的下方，見圖2。如果采用常規的安裝技術，會因浮吊吊機臂與飛機甲板干涉，而造成浮吊無法完成對膨脹彎的吊裝就位作業。

圖2 首節膨脹彎路由示意

2 膨脹彎后安裝技術方案選擇

2.1 拖拉法

拖拉法是對未安裝到位的膨脹彎以拖拉的方式進行精確就位的技術方法[1]。根據膨脹彎被拖拉時所處的水層深度不同，可以將拖拉法后安裝膨脹彎的技術方案細分為：漂浮拖拉法、懸浮拖拉法和座底拖拉法[2-3]。

2.1.1 漂浮拖拉法

漂浮拖拉法是指通過在膨脹彎上綁扎浮筒或氣囊等助浮設備，讓膨脹彎和助浮設備的整體浮力大于重力，使其可以自由漂浮在水面上，然后通過水面拖拉的方式將其拖拉至設計路由的正上方，等潛水員解除助浮設備后，在膨脹彎立管端法蘭處定位信標的指引下和潛水員的指揮下，通過倒鏈和浮吊配合緩慢地將膨脹彎下放并安裝到設計路由上[4]，見圖3。

圖3 膨脹彎漂浮拖拉就位示意

2.1.2 懸浮拖拉法

懸浮拖拉法是指通過在膨脹彎上綁扎浮筒、氣囊或浮袋等助浮設備，讓膨脹彎和助浮設備整體的浮力剛好等于重力，使其可以自由懸浮在水中，在膨脹彎立管端法蘭處定位信標的指引下，潛水員將膨脹彎和助浮設備拖拉至設計路由上，然后連接膨脹彎立管端法蘭與立管法蘭間的螺栓并解除膨脹彎上的助浮設備即可，見圖4。

圖4 膨脹彎懸浮拖拉就位示意

2.1.3 座底拖拉法

座底拖拉法是指浮吊直接將膨脹彎吊裝下放到平臺附近的泥面上，然后在膨脹彎立管端法蘭處定位信標的指引下，潛水員通過調節膨脹彎與導管架之間連接的倒鏈，將已座底的膨脹彎拖拉至其設計路由上[5-6]，見圖5。

圖5 膨脹彎座底拖拉就位示意

2.2 輔助支架法

輔助支架法是指浮吊直接將膨脹彎吊裝下放到平臺附近的泥面上，在膨脹彎的路由上安裝2、3個輔助支架，每個輔助支架都由多根倒鏈與膨脹彎連接，潛水員通過調節倒鏈將膨脹彎拖拉至其設計路由上[7-10]，實現對膨脹彎的移位和精確就位，見圖6。

圖6 輔助支架法膨脹彎就位示意

2.3 增加配重法

增加配重法是指在膨脹彎的一端增加配重結構，相對于膨脹彎原有的重心位置而言，可以實現膨脹彎和配重結構整體的重心位置外移，再使用浮吊對膨脹彎和配重結構整體吊裝就位時，浮吊吊機臂將不會與組塊結構相互干涉，從而達到對膨脹彎吊裝就位的目的，見圖7。

圖7 增加配重法吊裝膨脹彎的示意

2.4 技術方案對比分析

上述5種可用于膨脹彎后安裝技術方案的技術特點見表2。

表2 后安裝膨脹彎技術方案對比

由表2可知：相對于漂浮拖拉法、懸浮拖拉法、座底拖拉法和輔助支架法而言，增加配重法受環境因素的影響最小，大部分工作是在水上完成，浮吊可直接將膨脹彎吊裝就位，施工效率最高、施工風險最小。因此，在渤中19-6氣田WHPA平臺后安裝膨脹彎項目中最終選擇采用增加配重法的技術方案。

3 工程應用

3.1 方案設計

經采用SACS計算軟件模擬分析后發現，若以膨脹彎立管端為坐標原點(0，0)，在該膨脹彎平管端增加一根12 m長H300×300×10×15型鋼的配重結構后，則該膨脹彎和配重結構的整體重心坐標為(11.76，-9.25)，見圖8。此時，該重心坐標位于飛機甲板邊緣的外側，且其距離飛機甲板邊緣約為4.3 m，該距離大于吊裝規范要求的最小安全距離，可以使用浮吊直接對膨脹彎和配重結構進行整體吊裝就位。

圖8 增加配重后膨脹彎重心位置示意

根據DNVGL-ST-F101規范對膨脹彎吊裝強度計算的相關規定，采用SACS計算軟件中針對膨脹彎這類細長桿件的“大變形”計算理論，通過SACS計算軟件對膨脹彎和配重結構整體模擬分析，如圖9所示，經強度校核該膨脹彎和配重結構整體的吊裝強度滿足DNVGL-ST-F101規范要求。

圖9 增加配重后膨脹彎的吊裝模型

3.2 實施過程

3.2.1 準備工作

根據膨脹彎的設計路由，潛水員帶信標沿膨脹彎路由探摸海底情況，如有影響膨脹彎安裝的障礙物，則進行清理；如有可能造成膨脹彎較大懸空的坑道，則使用沙袋進行填平。在膨脹彎吊裝下水前，船上的施工輔助人員先將膨脹彎法蘭面和墊圈槽清理干凈，并選擇一個表面完好的墊圈在墊圈槽內進行匹配度試驗，確認匹配完好后對墊圈槽涂抹黃油；再將連接法蘭的螺栓綁扎在膨脹彎法蘭附近，調整好螺母的位置以節省潛水員水下工作時間。此后，施工定位人員將膨脹彎的設計路由導入到定位軟件中，并在膨脹彎兩端的法蘭附近固定信標，以便施工人員能夠準確了解膨脹彎在水下的位置。

3.2.2 增加配重結構

準備1根H300×300×10×15型鋼，12 m長在其一端焊接一個盲法蘭，使用螺栓將該配重結構的盲法蘭與膨脹彎平管端的法蘭連接固定。再根據膨脹彎和配重結構整體的吊裝圖，對膨脹彎和配重結構進行配扣與調平。然后在膨脹彎和配重結構兩端各系1根牽引繩，以便施工人員調整膨脹彎在水下的位置。

3.2.3 水下安裝

浮吊緩慢將膨脹彎和配重結構整體吊裝下水，當吊至距離泥面5 m左右位置處，在膨脹彎上信標的指引下，轉動或平移膨脹彎使其位置與設計路由大致相符。潛水員到達立管法蘭附近，觀察膨脹彎立管端法蘭與立管法蘭的相對位置，并指揮吊機調整膨脹彎的位置和角度，使其達到法蘭對接的要求。潛水員先在法蘭面的3、6、9點位置安裝螺栓，再用棘輪扳手對螺栓加力以使2法蘭面靠近并保持平行。當2法蘭面間距約為50 mm時，潛水員將墊圈安裝至墊圈槽內，并使用棘輪扳手對已安裝的螺栓緊固至墊圈被夾緊。此后安裝其余的螺栓，并使用棘輪扳手加力，當所有螺栓加力1遍后，使用游標卡尺測量法蘭間距，如果間隙不均勻則應使用棘輪扳手進行調整，并重新測量間距直至法蘭間距偏差小于2 mm；當棘輪扳手加力至加不動且法蘭間隙均勻時，潛水員水下安裝液壓拉伸器，按照拉伸程序對所有螺栓進行拉伸緊固。最后，潛水員將配重結構回收至主作業船甲板。

4 結論

采用增加配重法的技術方案，實現了膨脹彎重心位置的外移，在未更換浮吊資源的前提下，成功解決了浮吊吊機臂與飛機甲板相互干涉的技術難題，并于2020年3月順利完成了渤中19-6氣田WHPA平臺混輸海底管道首節膨脹彎的后安裝作業，有效節省了項目成本和工期。

1)5種膨脹彎后安裝的技術方案都存在各自的技術優勢，在今后的膨脹彎后安裝項目中應根據每個項目的實際情況做出選擇。

2)增加配重法不局限于只在膨脹彎后安裝項目中應用，在立管、立管卡子、立管保護架、靠船件等結構物后安裝項目中，若遇到組塊結構物干涉浮吊吊機臂時，都可以嘗試應用增加配重法的技術方案。

3)增加配重法中的配重結構不局限于是桿件結構，根據每個項目的具體需求，配重結構可以是小的配重塊，也可以是大的結構物。

4)增加配重法中配重結構與后安裝結構物之間的連接固定有多種方式，既可以采用法蘭和螺栓連接固定，也可以根據采用綁扎固定或焊接固定。