導(dǎo)管架裙樁系統(tǒng)及其現(xiàn)場安裝檢驗(yàn)控制

李 強(qiáng)

（中海石油（中國）有限公司 天津分公司 綏中36-1油田二期調(diào)整工程項(xiàng)目組，天津 300452）

0 引言

在海洋石油工程建設(shè)中，海上鋼結(jié)構(gòu)固定平臺(tái)主要以鋼樁的形式扎根于海床深處，以保證平臺(tái)的穩(wěn)性。對于不同的水深、設(shè)計(jì)模式和載荷要求，鋼樁插入海床的方式也不同，通俗地講，鋼樁主要采用“串聯(lián)”或“并聯(lián)”的入泥方式，但不論何種入泥方式，鋼樁均要滿足極限承載力和極限抗拔力的要求。所謂“串聯(lián)”就是一根樁管貫穿于導(dǎo)管架腿內(nèi)，施工時(shí)鋼樁分成幾段，打完一段之后現(xiàn)場接樁焊接，之后繼續(xù)打樁直至設(shè)計(jì)深度。該方式主要用于淺水區(qū)域，在水面以上插樁打樁，上部模塊最終通過過渡段與樁管連接，如渤海灣等水深小于40m左右的水域。所謂“并聯(lián)”就是每個(gè)導(dǎo)管架腿外有多個(gè)連成一體的裙樁套筒，每根樁管貫穿于一根套筒之內(nèi)，打樁到設(shè)計(jì)深度。該方式主要用于深水區(qū)域（相對淺水區(qū)域而言），在水面下插樁打樁，鋼樁之間互不關(guān)聯(lián)，其上部模塊最終通過過渡段或直接與導(dǎo)管架腿連接。該方式主要用在我國的東海、南海等海域的采油平臺(tái)。

對于淺水區(qū)域，也有裙樁入泥方式的平臺(tái)，如錦州25-1S固定平臺(tái)，但數(shù)量極少。

“串聯(lián)”方式導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)比較簡單，本文將重點(diǎn)介紹“并聯(lián)”方式下導(dǎo)管架裙樁系統(tǒng)的安裝及檢驗(yàn)。

1 裙樁設(shè)計(jì)型式的選用

水深是平臺(tái)導(dǎo)管架采用裙裝設(shè)計(jì)的最主要因素，主要原因包括:1）水深導(dǎo)致導(dǎo)管架高度增大，只能平躺著建造和運(yùn)輸；2）水深導(dǎo)致導(dǎo)管架重量增加，除部分利用浮吊下水，大部分則需利用駁船壓載傾斜滑移下水，下水之后，導(dǎo)管架漂浮在水面，必須經(jīng)過灌水、扶正、直立、就位幾個(gè)過程；3）導(dǎo)管架漂浮需要足夠的浮力，需要主導(dǎo)管分隔成不同相互隔開的艙室；4）以上建造和安裝方法，使樁體穿過導(dǎo)管架入泥沒有可能，而采用單根樁的水下連接和焊接則極大的增加了海上施工難度。

綜合以上幾點(diǎn)，采用裙樁的設(shè)計(jì)形式是深水導(dǎo)管架最優(yōu)的固定方式，該設(shè)計(jì)形式很好地滿足了極限承載力和極限抗拔力的要求；提供了足夠的浮力空間確保導(dǎo)管架在安裝就位過程中得以有效的控制和有足夠的穩(wěn)性；解決了水下接樁焊接的難題。

2 裙樁系統(tǒng)的組成

裙樁系統(tǒng)主要由5大部分組成:套管及支撐結(jié)構(gòu)；灌漿及其控制系統(tǒng)；封隔器及其控制系統(tǒng)；卡樁器及其控制系統(tǒng)；樁管結(jié)構(gòu)。

套管及支撐結(jié)構(gòu)主要包括套管筒體、剪力板、YOKE板和裙板。通常導(dǎo)管架外側(cè)四角的每個(gè)主導(dǎo)管周圍的裙樁結(jié)構(gòu)至少包括2個(gè)套管筒體，套管筒體之間通過 YOKE板和剪力板與主導(dǎo)管焊接成為一個(gè)整體。YOKE板與套管和主導(dǎo)管的中心軸線垂直，一般上下兩層；剪力板則與套管和主導(dǎo)管軸線平行且在同一平面內(nèi)；裙板分布在剪力板四周，起到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及避免過度的應(yīng)力集中造成YOKE板撕裂的作用。套管、主導(dǎo)管與剪力板YOKE板三者交匯處是導(dǎo)管架連接的特殊部位，是應(yīng)力最為集中的部位，通常情況下該處焊縫在焊接完成后需要在一定長度內(nèi)打磨成疲勞節(jié)點(diǎn)，此點(diǎn)需引起注意。每個(gè)裙樁套筒內(nèi)部一般設(shè)置有剪力鍵、導(dǎo)向塊、封隔器等附件，其上端的喇叭口稱之為調(diào)平環(huán)，將在插樁和調(diào)平過程中發(fā)揮作用；套筒外部設(shè)置主/備用的半圓管形式的灌漿環(huán)形空間沿套管徑向焊接，環(huán)形空間內(nèi)的套管結(jié)構(gòu)沿周長均勻開具灌漿孔洞，以確保套管與樁管環(huán)形空間的灌漿質(zhì)量。

灌漿系統(tǒng)包括灌漿管線、灌漿控制系統(tǒng)、套管環(huán)形空間、套管與樁管的環(huán)形空間、剪力鍵、灌漿孔等。其中灌漿管線、灌漿控制系統(tǒng)、套管環(huán)形空間為主備用各1套。為防止系統(tǒng)意外，灌漿系統(tǒng)通常將裝有冗余裝置，在主備用環(huán)形空間之上再增設(shè)一套環(huán)形空間，在主備用系統(tǒng)均出現(xiàn)故障時(shí)由ROV進(jìn)行水下操作。剪力鍵的作用主要是增大灌漿后環(huán)形空間漿體與套管和樁管之間的附著力，同時(shí)也可避免較大的壓力穿過封隔器導(dǎo)致漏漿。

封隔器系統(tǒng)包括封隔器（每個(gè)套筒一個(gè)）及其控制系統(tǒng)。該封隔器與淺水的不同，為確保封隔器的功能完好，封隔器鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)裝有一個(gè)待充氣的橡膠胎具，導(dǎo)管架海上安裝時(shí)，當(dāng)打樁完成灌漿前，導(dǎo)管架頂端控制系統(tǒng)啟動(dòng)，通過向封隔器內(nèi)充氣，使膨脹胎具達(dá)到現(xiàn)場的嚙合狀態(tài)，從而達(dá)到盛漿、固漿的目的。為防止系統(tǒng)意外，封隔器系統(tǒng)通常裝有冗余裝置，一般會(huì)設(shè)有單獨(dú)的注氣裝置，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)由ROV進(jìn)行水下操作。

每個(gè)主導(dǎo)管處的裙裝只有1根套管安裝卡樁器及其控制系統(tǒng)，每個(gè)卡樁器設(shè)置有多個(gè)液壓缸，打樁后通過導(dǎo)管架頂部的液壓控制裝置控制卡樁器上的控制盤實(shí)現(xiàn)功能操作。為防止系統(tǒng)意外，卡樁器控制系統(tǒng)裝有一套冗余裝置，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)由ROV進(jìn)行水下操作。

樁管結(jié)構(gòu)主要涉及樁體結(jié)構(gòu)的制作、外部剪力鍵的安裝、透氣孔的加工等。

3 安裝及檢驗(yàn)控制要點(diǎn)

3.1 套管及支撐結(jié)構(gòu)安裝及檢驗(yàn)控制要點(diǎn)

1）焊縫排版:主導(dǎo)管、裙樁套管、YOKE板和剪力板在下料安裝前要統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、合理排版，避免焊縫相互重合和違反規(guī)范要求的過近距離。

2）安裝精度:要注意控制套筒的安裝順序、安裝角度，確保尺寸精度在范圍之內(nèi)。

3）焊縫質(zhì)量:選擇合理的焊接工藝，確保焊縫的焊接質(zhì)量。

4）疲勞節(jié)點(diǎn):確定疲勞節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，做好疲勞節(jié)點(diǎn)的打磨處理。

5）附件安裝:包括導(dǎo)向塊插入端的安裝和處理，剪力鍵的安裝及焊接。

6）進(jìn)行通徑試驗(yàn)。

3.2 灌漿系統(tǒng)安裝及檢驗(yàn)要點(diǎn)

1）焊接工藝評定的選擇:灌漿管線的支座與主導(dǎo)管的焊縫、剪力鍵與套管的焊縫采用結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范，一般采用AWS標(biāo)準(zhǔn)[1]，包括焊工資質(zhì)；灌漿管線之間的焊縫、灌漿管線與支座的焊縫以及套管環(huán)形空間與套管的焊縫采用壓力容器焊接規(guī)范，一般采用ASME標(biāo)準(zhǔn)，包括焊工資質(zhì)。

2）灌漿管線的壓差:灌漿管線的試壓壓力為1.5倍的最大工作壓力和靜水壓力之和，可知通常所說的試驗(yàn)壓力為應(yīng)以導(dǎo)管架灌漿管線底部為準(zhǔn)，但導(dǎo)管架在平放時(shí)，如果高差過大，這時(shí)高低點(diǎn)會(huì)顛倒，此時(shí)在以導(dǎo)管架灌漿管線底部為準(zhǔn)時(shí)，還應(yīng)考慮超出試驗(yàn)壓力更大的壓力是否會(huì)對頂端產(chǎn)生超應(yīng)力影響，此處應(yīng)要求詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，出具書面文件予以澄清。

3）灌漿系統(tǒng)的試壓:灌漿管線試壓時(shí)提到的最大工作壓力是指灌漿機(jī)的額定壓力，此處非常重要，作為審圖人員應(yīng)要求圖紙明確灌漿機(jī)的最大壓力范圍；作為現(xiàn)場檢驗(yàn)人員灌漿前應(yīng)核查灌漿機(jī)的額定壓力是否符合設(shè)計(jì)要求，避免選型不當(dāng)導(dǎo)致灌漿管線內(nèi)部堵塞或瞬間壓力過大而打爆管線。

4）系統(tǒng)的吹通和保護(hù):主用和備用兩根灌漿管都安裝在樁腿內(nèi)，施工及檢驗(yàn)條件較差，檢驗(yàn)和試驗(yàn)時(shí)要注意支撐及管段有無漏裝、漏焊、滲漏情況。

3.3 封隔器系統(tǒng)安裝及檢驗(yàn)控制要點(diǎn)

1）安裝時(shí)溫度控制:封隔器與套筒對接時(shí)，注意控制環(huán)縫焊接的溫度，避免因溫度過高燒壞橡膠氣胎。

2）調(diào)試系統(tǒng):做好控制系統(tǒng)的吹通及試壓工作；調(diào)試激活封隔器，用臨時(shí)短管代替鋼樁模擬現(xiàn)場的嚙合狀態(tài)；因目前封隔器均為國外進(jìn)口，安裝及調(diào)試將在廠家指導(dǎo)下進(jìn)行。

3.4 卡樁器系統(tǒng)安裝及檢驗(yàn)控制要點(diǎn)

1）卡樁器的上端與調(diào)平環(huán)下端通過直管段焊接相連，其下端與裙樁套管上部結(jié)構(gòu)焊接相連。

2）安裝時(shí):首先做好安裝精度的控制；選擇合適的焊接工藝和焊接人員，確?？镀骱缚诘暮附淤|(zhì)量；做好卡樁器在現(xiàn)場安裝過程中的保護(hù)，避免因安裝過程損壞；安裝后應(yīng)對液壓裝置進(jìn)行現(xiàn)場模擬試驗(yàn)。

3）系統(tǒng)功能試驗(yàn):控制管線吹通試壓；系統(tǒng)閥門的有效動(dòng)作試驗(yàn)；液壓缸伸縮功能試驗(yàn)；系統(tǒng)整體的模擬調(diào)試。

3.5 樁管結(jié)構(gòu)安裝及檢驗(yàn)控制要點(diǎn)

1）結(jié)構(gòu)排版是否符合規(guī)范要求；2）焊接質(zhì)量及探傷是否符合要求；3）樁體的尺寸精度是否滿足要求；4）剪力鍵的尺寸位置是否符合要求；5）通氣孔尺寸大小、位置及數(shù)量是否滿足要求；6）樁管吊樁采用起樁器，端部的橢圓度要重點(diǎn)關(guān)注。

4 其他注意事項(xiàng)

所有過程必須嚴(yán)格按照批準(zhǔn)的圖紙、規(guī)范[2]要求進(jìn)行，包括原材料的使用、預(yù)制過程、安裝過程、試驗(yàn)及檢驗(yàn)過程等。在與裙樁連接的主導(dǎo)管內(nèi)設(shè)計(jì)有加強(qiáng)環(huán)及均布的加強(qiáng)筋板，以增加裙樁部位強(qiáng)度，部分加強(qiáng)筋板與剪力板中心線重合，安裝時(shí)應(yīng)注意。

各系統(tǒng)管道、閥門試驗(yàn)應(yīng)真實(shí)有效。調(diào)試完成后，要做好各系統(tǒng)的日常和運(yùn)輸期間的保護(hù)，防止意外損傷。裝船前及下水前應(yīng)對控制系統(tǒng)管道進(jìn)行詳細(xì)的外觀檢查。各系統(tǒng)管道支撐的規(guī)格、數(shù)量、間距應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求施工，以避免運(yùn)輸或海上安裝過程中受到劇烈震動(dòng)而破損。

封隔器及卡樁器的安裝應(yīng)在廠家的指導(dǎo)下進(jìn)行。裙樁套管的安裝要注意溫度的控制，避免對封隔器橡膠瓣膜等造成損傷。封隔器和卡樁器橡膠瓣膜為法蘭上下螺栓固定的，要采用測力扳手對稱安裝。為避免受到打樁過程中和營運(yùn)過程中振動(dòng)載荷的影響，螺母在把緊后要采用有效的方式永久與螺栓固定，以防止松動(dòng)，必要時(shí)進(jìn)行點(diǎn)焊固定。

5 結(jié)束語

導(dǎo)管架裙樁系統(tǒng)的安裝涉及多個(gè)系統(tǒng)單元，屬于特殊構(gòu)件，是導(dǎo)管架整體安裝結(jié)構(gòu)中最為關(guān)鍵和復(fù)雜的部位之一，同時(shí)該位置位于海底海床上，是連接樁管與平臺(tái)的紐帶，對于該部位施工環(huán)節(jié)的任何疏忽都可能會(huì)導(dǎo)致不可挽回的嚴(yán)重后果，需特別重視。本文結(jié)合導(dǎo)管架建造過程和檢驗(yàn)中的心得和積累，總結(jié)和介紹了裙樁系統(tǒng)的組成、安裝及檢驗(yàn)控制要點(diǎn)，旨在讓大家對導(dǎo)管架裙樁系統(tǒng)有個(gè)整體的認(rèn)識(shí)，以便在安裝和檢驗(yàn)過程中達(dá)到相互學(xué)習(xí)、交流、借鑒的目的。

[1]AWS. AWS D1.1/D1.1M 2010 《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》[S].2010.

[2]API. API RP 2A《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法》[S]. 2002.