水下生產(chǎn)系統(tǒng)跨接管場(chǎng)地吊裝難點(diǎn)分析

孫金麗，儲(chǔ)樂(lè)平，劉繼穎，郭興偉，宋 潔

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

水下生產(chǎn)系統(tǒng)跨接管場(chǎng)地吊裝難點(diǎn)分析

孫金麗，儲(chǔ)樂(lè)平，劉繼穎，郭興偉，宋 潔

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

針對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)跨接管在陸地建造過(guò)程中的吊裝作業(yè)難點(diǎn)，著重分析如何降低大跨度柔性細(xì)長(zhǎng)桿件跨接管吊裝作業(yè)過(guò)程中的變形，以及降低吊裝過(guò)程中吊機(jī)起吊高度等，提出使用多擋繩柱吊裝撐桿并采用4點(diǎn)起吊的措施。應(yīng)用SACS軟件對(duì)跨接管吊裝進(jìn)行模擬計(jì)算，確定跨接管和撐桿總成的質(zhì)量、重心，并由此確定吊鉤、撐桿與跨接管之間的鋼絲繩布置。根據(jù)計(jì)算結(jié)果中的吊繩力確定鋼絲繩的規(guī)格，最終得出吊裝過(guò)程中跨接管和撐桿的應(yīng)力和變形情況。分析結(jié)果對(duì)后續(xù)水下生產(chǎn)系統(tǒng)跨接管、膨脹彎等細(xì)長(zhǎng)管系結(jié)構(gòu)吊裝有一定的借鑒意義。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)；跨接管；吊裝；撐桿

依托周邊設(shè)施開(kāi)發(fā)是當(dāng)前深水石油開(kāi)發(fā)的主要模式。此模式簡(jiǎn)述如下：來(lái)自井口的油氣經(jīng)各自采油樹(shù)的出油口進(jìn)入導(dǎo)向生產(chǎn)底座下部的集輸管線內(nèi)，采油樹(shù)通過(guò)跨接管連接到管匯，油氣從各井口匯集到管匯后，再通過(guò)跨接管進(jìn)入海底輸油管線，再進(jìn)一步輸送到附近的生產(chǎn)平臺(tái)，最后在生產(chǎn)平臺(tái)上集中處理［1］。

由此可見(jiàn)，在深水油氣田開(kāi)發(fā)的主要設(shè)施中，例如生產(chǎn)平臺(tái)、海底管線、采油井口、采油樹(shù)、管匯、跨接管及控制系統(tǒng)，跨接管是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要設(shè)施［2］?？缃庸芡ǔＳ糜谶B接采油樹(shù)和中心管匯、采油樹(shù)和在線管匯、采油樹(shù)和海管終端管匯以及海管終端和中心管匯等?？缃庸芩椒胖迷诤５祝饕疬B接和轉(zhuǎn)向作用。

由于水下生產(chǎn)系統(tǒng)各設(shè)備之間的跨接管多為剛性管，跨接管陸地建造時(shí)必須考慮長(zhǎng)度方向和高度方向的余量，當(dāng)水下管匯和采油樹(shù)安裝完畢，下放機(jī)器人測(cè)量水下管匯和采油樹(shù)就位后的準(zhǔn)確坐標(biāo)，以便確定跨接管連接器的位置。根據(jù)測(cè)量獲得的水下管匯和采油樹(shù)上2個(gè)H UB之間的水平相對(duì)位移、垂直相對(duì)位移、雙傾角度以及距離海底的高度［3］數(shù)據(jù)，切除跨接管長(zhǎng)度和高度方向的余量并確定跨接管與連接器焊縫處雙傾角度，使跨接管連接器與水下管匯和采油樹(shù)上2個(gè)HUB準(zhǔn)確對(duì)接，從而精確完成跨接管陸地建造。

1 場(chǎng)地吊裝難點(diǎn)

大部分的自由站立式混合立管剛性跨接管都是“M”型，端部為垂直連接器［3］，考慮靈活性并減輕流體管和連接器的載荷應(yīng)力，跨接管轉(zhuǎn)角處設(shè)置5倍管徑的平面內(nèi)彎頭，跨接管通過(guò)立式卡爪連接器與2端管匯上H UB進(jìn)行連接。由于在水下需要使用安裝工具將跨接管連接器與水下管匯和采油樹(shù)上2個(gè)HUB相連，因此在場(chǎng)地預(yù)制的跨接管吊裝要考慮2端端部連接器安裝工具的重力。圖1為水下生產(chǎn)系統(tǒng)跨接管典型示意圖。

下面以某油氣田的254 mm（10英寸）跨接管陸地建造為例，分析跨接管場(chǎng)地吊裝過(guò)程中的幾個(gè)難點(diǎn)和解決措施。

圖1 跨接管典型安裝示意圖

該跨接管長(zhǎng)29 m，高7.71 m，質(zhì)量約為21.4 t，流體管規(guī)格為?273.1 mm×15.9 mm，三維模型如圖2。

圖2 某油田用254 mm（10英寸）跨接管三維模型

吊裝難點(diǎn)主要有5點(diǎn)：

1） 跨接管跨度大，管徑小，屬于大跨度柔性細(xì)長(zhǎng)桿件。吊裝時(shí)，跨接管易被繩扣擠壓產(chǎn)生變形以及在吊裝過(guò)程中的自身重力作用下產(chǎn)生過(guò)大擾度。

2） 需要使用安裝工具將跨接管2端連接器和水下管匯和采油樹(shù)上2個(gè)HUB連接。因此吊裝時(shí)需要考慮安裝工具的重力。安裝工具單個(gè)重力為52 k N，而跨接管重力為105.51 k N，因此重力主要分布在跨接管2端?？缃庸苤匦脑趲缀沃行?。重力分布不平衡會(huì)導(dǎo)致吊裝困難。

3） 對(duì)于非對(duì)稱(chēng)的管系結(jié)構(gòu)，其重心位置確定至關(guān)重要，必須保證吊鉤與重心在同一鉛垂線上。

4） 跨接管跨度大，撐桿吊點(diǎn)布置采用傳統(tǒng)的2點(diǎn)起吊，結(jié)合吊車(chē)的起吊高度能力，鋼絲繩與撐桿60°夾角難以保證。

5） 吊裝作業(yè)中安全性的保證有難度，跨接管和撐桿以及鋼絲繩強(qiáng)度要滿(mǎn)足要求，并且變形也要在允許范圍內(nèi)。

2 解決措施

2.1 跨接管吊裝輔助工裝（撐桿）

為了避免跨接管吊裝時(shí)跨接管被繩扣擠壓產(chǎn)生變形，以及在吊裝過(guò)程中，自身重力作用下產(chǎn)生過(guò)大擾度，因此采用輔助工裝撐桿來(lái)進(jìn)行吊裝。

考慮到管材截面的慣性矩在各個(gè)方向都一致，沒(méi)有穩(wěn)性薄弱面。因此撐桿選用管材作為主體，撐桿的截面根據(jù)利庫(kù)材料，并結(jié)合強(qiáng)度計(jì)算分析來(lái)確定。

考慮到跨接管長(zhǎng)度、直徑規(guī)格較多，因此設(shè)計(jì)不同長(zhǎng)度和不同截面的通用撐桿。對(duì)于此油氣田設(shè)計(jì)長(zhǎng)30 m，規(guī)格為?325 mm×20 mm的鋼管?？紤]到撐桿與跨接管之間的鋼絲繩連接需要，撐桿2端9 m范圍以及中間3 m范圍內(nèi)設(shè)置300 mm間隔的擋繩柱，擋繩柱為?114 mm×6 mm鋼管，長(zhǎng)300 mm。

2.2 跨接管與撐桿連接工具

考慮到跨接管吊裝時(shí)2端裝配安裝工具導(dǎo)致重力不平衡，并且在吊裝作業(yè)過(guò)程中，跨接管變形限制，因此撐桿與跨接管之間經(jīng)過(guò)軟件反復(fù)計(jì)算，采用5根連接吊繩較合適，其中撐桿與跨接管端部的吊繩與安裝工具上2個(gè)吊耳相連接［4］，圖3是Cameron提供的安裝工具，在安裝工具上有2個(gè)吊點(diǎn)可以布置成2點(diǎn)起吊。

圖3 安裝工具示意

2.3 吊掛位置

通過(guò)SACS軟件建?？梢源_定結(jié)構(gòu)件質(zhì)量、重心。并且通過(guò)重心位置確定吊鉤位置，保證吊鉤與重心在同一鉛垂線上。

2.4 吊點(diǎn)布置

撐桿布置4個(gè)吊點(diǎn)，設(shè)置成4點(diǎn)起吊。4點(diǎn)起吊中間2點(diǎn)鋼絲繩與地面夾角不小于60°，兩端鋼絲繩與地面夾角不小于45°。具體吊點(diǎn)布置通過(guò)SACS軟件試算來(lái)合理確定。并且吊鉤高度也通過(guò)SACS軟件來(lái)試算，此高度還需滿(mǎn)足吊機(jī)起吊高度的能力。

2.5 SACS軟件計(jì)算

利用SACS軟件，可以得出吊裝過(guò)程中節(jié)點(diǎn)位移變形以及結(jié)構(gòu)件應(yīng)力，保證強(qiáng)度和變形在允許范圍內(nèi)。并且可以通過(guò)吊繩力計(jì)算結(jié)果確定鋼絲繩的規(guī)格。如下計(jì)算中，8根鋼絲繩中最大承受軸力為34.84 k N，考慮安全系數(shù)，選取6×37（a）＋I(xiàn)WR公稱(chēng)直徑18 mm以上的鋼絲繩。

3 跨接管陸地建造吊裝設(shè)計(jì)分析

3.1 結(jié)構(gòu)建模

計(jì)算分析采用海事分析軟件SACS（Seastate Analysis Computer System）來(lái)計(jì)算。SACS軟件由美國(guó)Engineering Dynamics公司開(kāi)發(fā)，為有限元分析軟件，最早起源于航空航天技術(shù)，現(xiàn)已發(fā)展為海事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中應(yīng)用最廣泛的軟件之一。

3.2 輸入及邊界條件設(shè)置

1） 254 mm（10英寸）跨接管為?273.1 mm× 18.9 mm鋼管；撐桿利用利庫(kù)材料，為?325 mm× 20 mm鋼管；鋼絲繩為?200 mm×2 mm管，密度為0.001 kg／m3。

2） 設(shè)置鋼絲繩只承受軸向力。

3） 邊界條件：吊鉤處設(shè)置成全固定［5］，結(jié)構(gòu)邊界處設(shè)置彈簧，彈力為5 k N／m。

圖4為計(jì)算模型約束條件，采用4點(diǎn)吊裝。

圖4 254 mm（10英寸）跨接管吊裝約束條件

3.3 載荷條件

DEAD為結(jié)構(gòu)自重力，F(xiàn)ORCE為跨接管2端連接器和安裝工具重力，工況有C01，L115，L150三種。C01＝1.05×（DEAD＋FORCE），1.05為重力不確定系數(shù)；L115＝1.15×C01，1.15為結(jié)構(gòu)一般桿件動(dòng)載系數(shù)；L150＝1.5×C01，1.5為吊點(diǎn)處桿件動(dòng)載系數(shù)。表1是基本載荷和組合載荷數(shù)值。

表1 基本載荷和組合載荷k N

3.4 計(jì)算結(jié)果

最大節(jié)點(diǎn)變形數(shù)值如表2。圖5為變形圖。

表2 自重力產(chǎn)生的最大節(jié)點(diǎn)變形數(shù)值mm

圖5 桿件節(jié)點(diǎn)變形位移數(shù)值

節(jié)點(diǎn)應(yīng)力UC（最大）＜1，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，具體如表3。

表3 桿件最大應(yīng)力UC值

4 跨接管陸地建造吊裝施工過(guò)程

在吊裝過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)：

1） 劃定作業(yè)區(qū)域，設(shè)立警示標(biāo)志，禁止非作業(yè)人員進(jìn)入。

2） 由專(zhuān)業(yè)起重人員穿掛鋼絲繩扣，系帶穩(wěn)繩，防止貨物旋轉(zhuǎn)。繩扣穿掛完畢后起升吊鉤，檢查繩扣有無(wú)纏繞和打結(jié)。

3） 進(jìn)行試吊，吊機(jī)緩緩起鉤，吊離地面200～300 mm，停置10～20 min，觀察跨接管、撐桿、吊具、吊車(chē)各部位的受力和變形情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)停止吊裝，放回地面，故障排除后重新試吊，確認(rèn)一切正常，方可正式吊裝［6］。

4） 進(jìn)行吊裝，注意起吊過(guò)程要緩慢。有專(zhuān)人負(fù)責(zé)統(tǒng)一指揮，指揮信號(hào)應(yīng)事先統(tǒng)一規(guī)定，發(fā)出的信號(hào)清楚并且準(zhǔn)確，吊機(jī)作業(yè)人員必須按指揮人員的各種信號(hào)進(jìn)行操作。

5 結(jié)論

1） 對(duì)于細(xì)長(zhǎng)桿件可以使用輔助工裝撐桿來(lái)吊裝。撐桿吊點(diǎn)布置可以設(shè)置為4點(diǎn)起吊，以降低起吊高度，并且滿(mǎn)足鋼絲繩與地面夾角要求。

2） 通過(guò)算例設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)增加跨接管與撐桿之間連接的鋼絲繩數(shù)，可以大幅減少桿件變形。如果只在跨接管2端和中間用鋼絲繩與撐桿連接，即只用3根鋼絲繩，最大節(jié)點(diǎn)位移將達(dá)到8.042 cm。如果使用5根鋼絲繩，最大節(jié)點(diǎn)位移為0.937 cm。

3） 提出的措施對(duì)今后水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的跨接管和膨脹彎管等細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)件的吊裝具有一定的借鑒意義。

［1］ 陳家慶.海洋油氣開(kāi)發(fā)中的水下生產(chǎn)系統(tǒng)［J］.石油機(jī)械，2007，35（5）：54-58.

［2］ 中海石油研究中心.深水工程手冊(cè)［M］.北京：中海石油研究中心，2010：10-12.

［3］ 何同，李婷婷，段夢(mèng)蘭，等.深水混合立管基礎(chǔ)跨接管設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（10）：14-16.

［4］ ISO13628-15，Petroleum and natural gas industries—Design and operation of subsea production systems Part 15：Subsea structures and manifolds［S］.

［5］ SY／T 10030—2002，海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法［S］.

［6］ SH／T 3536—2002，石油化工工程起重施工規(guī)范［S］.

Difficulty Analysis in Lifting for Jumper of SPS

The lifting difficulties during the fabrication for jumper of subsea production system（sps）were studied.It was emphatically analyzed that how to reduce the deformation of the large span flexible slender members during the lifting operation，and that how to lower the lifting height of the crane during lifting.The spreader bar with multiple pipe trunnion and four points lifting solution were put forward.SACS software was used to simulate the lifting process of the jumper，and to determine the weight and center of gravity of the jumper and spreader bar assembly.The arrangement of steel wire rope between crane hook，spreader bar and jumper was determined，the specifications of the steel wire rope was also determined by the sling force calculated.Finally，the stress and deformation of the jumper and spreader bar during the lifting process was obtained.The result of the analysis has certain reference value for lifting similar subsea production system like jumper，spool etc.

subsea production system（sps）；jumper；lifting；spreader bar

TE952

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.014

1001-3482（2014）10-0064-04

2014-04-15

孫金麗（1981-），女，江蘇南通人，工程師，碩士，2007年畢業(yè)于大連理工大學(xué)，主要從事海上特種設(shè)備設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試工作，E-mail：sunjl＠m(xù)ail.cooec.com.cn。