深水鋪管船托管架總裝工藝探討

鄭曉娟， 高指林， 張國中， 趙慶利， 宋建峰

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

深水鋪管船托管架總裝工藝探討

鄭曉娟， 高指林， 張國中， 趙慶利， 宋建峰

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

托管架是深水管道鋪設(shè)中的重要設(shè)備之一，結(jié)合深水鋪管起重船托管架建造項(xiàng)目，針對托管架的裝配特點(diǎn)，從托管架的制造精度控制、虛擬裝配、吊裝、工裝設(shè)計(jì)等方面對深水鋪管托管架的海上總裝工藝進(jìn)行了探討，進(jìn)而為大型結(jié)構(gòu)物的海上裝配提供了技術(shù)參考。

托管架 精度控制 總裝工藝 工裝

1 引言

托管架是海底管道S型鋪設(shè)中的重要裝備之一，懸掛在鋪管船的船艉，起到管道在下水過程中控制管道曲率的作用，防止管道因在上彎段的彎矩過大而導(dǎo)致屈服或者破裂。 當(dāng)前，托管架作為海洋工程領(lǐng)域施工的特種裝備在未來的海洋管道鋪設(shè)中具有廣闊應(yīng)用前景?？紤]到海上特殊環(huán)境的要求、托管架經(jīng)常需要進(jìn)行拆卸的工況及深水鋪管起重船有限空間的利用，探討安全合理、高效的裝配工藝顯得尤為重要。

本文以深水鋪管起重船的托管架建造項(xiàng)目為例，介紹了一種深水托管架的總裝工藝。根據(jù)托管架的設(shè)計(jì)要求，該托管架設(shè)計(jì)為提拉段、中間段、尾段及A字架四個(gè)桁架結(jié)構(gòu)(見圖1)，總重量為1 361.4 t，其主要通過該鋪管起重船船艉4 000 t全回轉(zhuǎn)起重進(jìn)行托管架的海上總裝，我司承擔(dān)了托管架的陸地制造、海上安裝及調(diào)試工作，通過這次總裝為深水托管架的海上總裝積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。

圖1 托管架總裝圖

2 總裝難點(diǎn)分析

本項(xiàng)目中總裝的托管架為一焊接鋼結(jié)構(gòu)組合體，主要包含A字架及托管架本體。A字架由兩鋼臂組成，上臂水平放置，其前端的眼板與船體上起重機(jī)底座后部的A字架支座鉸接(共四處銷軸連接)。A字架的另一斜臂斜置，其下端與托管架本體的前端一同固定，而銷軸則插入位于船體艉部的托管架鉸座凹槽內(nèi)，具有質(zhì)量、尺寸大的特點(diǎn)。如果考慮將該托管架在陸地完成三段的整體裝配，整個(gè)結(jié)構(gòu)吊重將達(dá)到1 277 t(未含吊索具的重量)，整體結(jié)構(gòu)尺寸約80.5×19.5×24.5 m，而各鉸接處的基座銷軸孔與軸之間的理論裝配間隙僅有6 mm，即孔中心偏差為3 mm，且與A字架支座相連的四鉸接點(diǎn)之間最大的距離約為18.05 m。同時(shí)由于船體以及托管架結(jié)構(gòu)分別在不同地點(diǎn)的廠家進(jìn)行建造，因此對于各結(jié)構(gòu)制作時(shí)的尺寸控制難度增大。

其次，托管架依靠深水鋪管起重船自身的4 000 t吊機(jī)進(jìn)行海上安裝，而4 000 t主鉤為單鉤結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)吊裝后無法調(diào)整被吊結(jié)構(gòu)物的水平。結(jié)合安裝技術(shù)要求，其海上安裝必須首先進(jìn)行托管架與船體艉部的托管架鉸座的鉸接，待托管架下部安裝完成后，利用吊機(jī)將托管架提升，使之繞船艉鉸接座銷軸中心旋轉(zhuǎn)，待A字架的上臂水平放置后，完成A字架與船體的鉸接(見圖2)。由于結(jié)構(gòu)尺寸質(zhì)量大、裝配尺寸精度高、海上安裝環(huán)境惡劣等因素，總裝時(shí)存在很大的難度。

3 總裝工藝要點(diǎn)

3.1 施工前準(zhǔn)備

3.1.1 托管架制造精度控制

鑒于托管架的結(jié)構(gòu)尺寸、下料板材規(guī)格、焊接工藝、施工時(shí)間等因素，該結(jié)構(gòu)件在制作過程中將分為提拉段、中間段、尾段及A字架四個(gè)桁架結(jié)構(gòu)以便同步在車間進(jìn)行焊接制作?？紤]到各部件之間的裝配誤差以及焊接變形控制難度大，連接處的鉸接孔不能在零件制作時(shí)加工完成，因此在各段連接處的鉸接孔結(jié)構(gòu)板數(shù)控下料時(shí)，預(yù)留15～20 mm的加工余量，同時(shí)要求在鋼結(jié)構(gòu)焊接時(shí)的裝配及焊接變形控制在15 mm以內(nèi)，待各結(jié)構(gòu)焊接制造完成后進(jìn)行各鉸接孔的現(xiàn)場加工。

考慮到海上特殊環(huán)境的要求、托管架經(jīng)常需要進(jìn)行拆卸的工況，本項(xiàng)目中將托管架主體結(jié)構(gòu)中的提拉段、中間段及尾段在組焊完成后，將這三段結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)裝配，并調(diào)整各連接部位孔的對中，然后三段預(yù)裝配好的情況下現(xiàn)場加工各鉸接孔，并在加工完成后進(jìn)行銷軸的安裝，這樣確保了托管架主體的提拉段、中間段及尾段三段之間的尺寸精度。同時(shí)，由于A字架前端的眼板及斜臂下端均與船體結(jié)構(gòu)相連接，因此需要船體的建造方對連接部位的尺寸精度進(jìn)行嚴(yán)格的控制[1]。以船體相關(guān)部位結(jié)構(gòu)尺寸為基準(zhǔn)進(jìn)行A字架以及托管架主體提拉段根部鉸接孔的現(xiàn)場加工。

3.1.2 托管架陸地預(yù)裝配

托管架主體結(jié)構(gòu)鉸接孔完成現(xiàn)場加工后，通過安裝銷軸將各段在陸地進(jìn)行預(yù)裝配以檢查各段之間的結(jié)構(gòu)是否存在碰撞干涉。同時(shí)在陸地通過履帶式吊機(jī)將A字架吊至托管架主體結(jié)構(gòu)的提拉段尾部，然后通過銷軸進(jìn)行連接使之成為一個(gè)整體(見圖2)。待A字架安裝完成后，進(jìn)行A字架上調(diào)整絞車以及絞車與動(dòng)滑輪組之間鋼絲繩的安裝。

由于無法進(jìn)行托管架與船體之間的預(yù)裝配，為了順利完成裝配，我們采取如下措施：A字架與托管架主體結(jié)構(gòu)的提拉段裝配成一個(gè)整體后，我們對與船體相連接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行再次測量，結(jié)合船體連接部位的結(jié)構(gòu)測量尺寸建立結(jié)構(gòu)的裝配模型(見圖3)，利用三維建模軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬裝配，以檢驗(yàn)裝配過程中可能出現(xiàn)的干涉。最終現(xiàn)場裝配結(jié)果表明，采用虛擬裝配的方法是可行有效的。

圖3 托管架結(jié)構(gòu)虛擬裝配

3.2 托管架吊裝工藝探討

根據(jù)托管架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)可以采取整體或分段的方式進(jìn)行海上吊裝。整體安裝方式即三段連接成為一體后，整體與船體進(jìn)行裝配。但由于三段連接成一體后進(jìn)行整體吊裝時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)形成拱度時(shí)底部與頂部高度差最低達(dá)5 m，這樣會導(dǎo)致總裝時(shí)浮式起重機(jī)在海山吊裝時(shí)主/輔鉤頭協(xié)調(diào)難度加大，同時(shí)動(dòng)用工料及機(jī)具較多，綜上所述，本工藝采取了分段總裝的方式，先進(jìn)行提拉段(包含A字架，總重量為1 015 t)的安裝，然后依次進(jìn)行中間段、尾端的逐段安裝，以減少海上安裝的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)托管架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，各吊裝部位結(jié)構(gòu)按照滿足整體吊裝要求設(shè)計(jì)，由于吊裝托管架結(jié)構(gòu)寬度達(dá)到19.5 m，為了避免吊裝鋼絲繩與結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，在設(shè)計(jì)中采用了吊裝桁架結(jié)構(gòu)形式。但由于本工藝采用分段吊裝，因此需進(jìn)行臨時(shí)吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)與力學(xué)計(jì)算(見圖4)，通過計(jì)算該吊點(diǎn)滿足吊裝使用要求。

圖4 托管架海上總裝吊點(diǎn)受力分析

圖5 托管架海上安裝示意圖

先進(jìn)行提拉段(包含A字架)的安裝(見圖5)，然后依次進(jìn)行中間段、尾端的逐段安裝(見圖5)，其吊裝工藝步驟如下：(1)收集海上氣象、潮位等信息；(2)按照吊裝要求進(jìn)行船體的排載計(jì)算，為了便于觀看測力軸與船艉連接，201船適當(dāng)排載令托管架鉸接軸部分更多露出水面；(3)配掛鋼絲繩、掛扣，解開固定提拉段的所有卡子，用4 000 t主鉤將提拉段結(jié)構(gòu)(包含A字架結(jié)構(gòu))從擱架上吊起；(4)將其慢慢移至船艉，以提拉段結(jié)構(gòu)縱向中心線為基準(zhǔn)線，做上明顯標(biāo)記，與船艉理論中心線對準(zhǔn)，讓提拉段處的銷軸順著船體上裝配溝槽緩慢安裝(利用溝槽結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)向)，避免外力磕碰；(5)保持主鉤不動(dòng)，令輔鉤慢慢向上提升,到A字架上臂梁至水平狀態(tài),并調(diào)整滿足穿軸要求，進(jìn)行軸的裝配(共4件)作業(yè)；(6)完成托管架首段的安裝后，對中間段進(jìn)行配掛鋼絲繩、掛扣，并從擱架上吊起緩慢移至已安裝的提拉段處；(7)對準(zhǔn)提拉段與中間段的下側(cè)鉸點(diǎn)，進(jìn)行下側(cè)鉸接點(diǎn)的銷軸安裝；(8)解開固定在中間段上的連接箱體結(jié)構(gòu)令其對準(zhǔn)提拉段上側(cè)鉸點(diǎn)，達(dá)到滿足穿軸位置后進(jìn)行軸的安裝，完成中間段安裝并卸扣；(9)按照安裝中間段的方式進(jìn)行尾端安裝。

各段之間連接用銷軸最大尺寸為Φ344×750 mm，在進(jìn)行海上安裝時(shí)，由于質(zhì)量大需要通過相關(guān)設(shè)備進(jìn)行銷軸吊裝，這樣會導(dǎo)致海上安裝的設(shè)備偏多，存在相互碰撞的危險(xiǎn)。為了減少設(shè)備的使用，本工藝設(shè)計(jì)了一種用于海上銷軸安裝的專用工裝[2]，其原理即是在進(jìn)行海上安裝前，在托管架各安裝部位的結(jié)構(gòu)上焊接一箱體結(jié)構(gòu)，將銷軸預(yù)先放置在內(nèi)，臨時(shí)用螺栓固定銷軸。待海上安裝時(shí)拆下螺栓，用液壓千斤頂推動(dòng)銷軸，從而完成銷軸的安裝，減少了輔助設(shè)備的使用，起到良好效果。

4 結(jié)論

針對托管架的裝配特點(diǎn)，以我司深水鋪管起重船托管架建造項(xiàng)目為基礎(chǔ)，對海上總裝中存在的難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并針對這些技術(shù)難點(diǎn)提出了相關(guān)措施。從托管架的制造精度控制、虛擬裝配、吊裝及工裝等方面對大型托管架的海上總裝工藝進(jìn)行了探討，取得了良好的施工效果(見圖6)，希望能為大型結(jié)構(gòu)物的海上總裝提供技術(shù)參考。

圖6 托管架海上安裝圖

[1] 邊道田，杜鵑，張佳平等.深水鋪管船托管架鉸座和A架基座的制造與安裝精度控制[J].造船技術(shù)，2011，3：34-36.

[2] 肖德明，高指林，局魁等.一種重型銷軸安裝裝置的研制[J].工程機(jī)械,2012,43：46.

Discussion on Final Assembly Technique of Stinger in DPV

ZHENG Xiao-juan, GAO Zhi-lin, ZHANG Guo-zhong, ZHAO Qing-li, SONG Jian-feng

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

The stinger is one of the most important equipments in deepwater pipeline installation. Combined with the actual situation of stinger construction in DPV, aim at the assembling characteristics of stinger, the final assembly technique of stinger on the sea is discussed in this article, which involves accuracy control, virtual assembling, lifting and clamping. The result can provide a reference for assembly of large structure on the sea.

Stinger Accuracy control Installing process Installing tool

鄭曉娟(1978-)，女，工程師。

U671

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