重力式導(dǎo)管架大直徑導(dǎo)管制造工藝

劉 帆， 徐善輝， 竇星慧， 于嘉驥

(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

0 引 言

海洋油氣開發(fā)中，水深300 m以內(nèi)通常采用固定式海洋平臺(tái)作為主要生產(chǎn)設(shè)施。固定式平臺(tái)通常分為樁基式和重力式2類。目前全球應(yīng)用的固定式平臺(tái)絕大部分采用樁基式設(shè)計(jì)形式，重力式固定平臺(tái)使用較少的原因主要是其陸地制造和海上安裝的難度及復(fù)雜程度均高于樁基式。

目前重力式平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用的數(shù)量較少，國(guó)內(nèi)缺乏相關(guān)的設(shè)計(jì)建造及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，相應(yīng)的建造技術(shù)和施工工藝一直處在理論階段，沒有得到充分的研究。結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際海洋工程建造場(chǎng)地的設(shè)備設(shè)施，對(duì)國(guó)外海洋工程設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)的某座重力式導(dǎo)管架平臺(tái)大直徑導(dǎo)管的制造進(jìn)行研究，為業(yè)內(nèi)進(jìn)行該類產(chǎn)品建造技術(shù)的研究工作提供參考。

1 重力式導(dǎo)管架平臺(tái)簡(jiǎn)介

本文以國(guó)內(nèi)最大海洋工程建造場(chǎng)地為設(shè)想制造場(chǎng)地(以下簡(jiǎn)稱場(chǎng)地)，以美國(guó)McDermott公司設(shè)計(jì)的液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)綜合處理深水重力式導(dǎo)管架平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)重力式平臺(tái)的大直徑導(dǎo)管進(jìn)行制造工藝研究。重力式導(dǎo)管架大直徑導(dǎo)管規(guī)格見表1。大直徑導(dǎo)管的直徑達(dá)6 m，周長(zhǎng)達(dá)18 m，此規(guī)格的鋼管目前無法實(shí)現(xiàn)無縫管加工，只能采用鋼板卷制的直縫焊管[1]。

表1 大直徑導(dǎo)管規(guī)格

2 常規(guī)導(dǎo)管制造工藝

場(chǎng)地建造完成的亞洲最大南海某深水樁基式導(dǎo)管架的最大預(yù)制尺寸為Φ4 200 mm×100 mm，在卷制接長(zhǎng)工藝、精度控制、焊接檢驗(yàn)等方面已形成一套成熟的工藝流程。常規(guī)制造工藝流程如圖1所示。

圖1 常規(guī)導(dǎo)管制造工藝流程

焊接管制造過程需要的場(chǎng)地資源主要有：制管車間、噴涂車間和總裝場(chǎng)地。制管車間是完成焊接管下料、卷制、焊接、接長(zhǎng)的主要工作場(chǎng)所，車間內(nèi)須配備板材下料切割機(jī)、卷管機(jī)、車間橋吊、車間平板運(yùn)輸車、壓力機(jī)、環(huán)縱縫焊機(jī)、胎具等設(shè)備；噴涂車間主要負(fù)責(zé)完成焊接管的防腐噴涂作業(yè)；總裝場(chǎng)地主要用于完成焊接管的總裝對(duì)接和吊裝。焊接管的倒運(yùn)作業(yè)主要用到平板運(yùn)輸車、履帶吊、汽車吊等，其他輔助工機(jī)具還有轉(zhuǎn)胎、下料切割機(jī)、臨時(shí)支撐、倒鏈、千斤頂、鋼絲繩、卡環(huán)等。

3 大直徑導(dǎo)管制造工藝

3.1 限制因素

大直徑導(dǎo)管的管徑、壁厚及外形尺寸均與普通規(guī)格管有一定差異，導(dǎo)管尺寸為Φ6 000 mm×100 mm，整圓管展開板長(zhǎng)近19 000 mm。場(chǎng)地卷管機(jī)最大卷制板寬3 000 mm，整圓卷制所需的整板尺寸為3 000 mm×19 000 mm。如此大尺寸的鋼板在供貨、倒運(yùn)、加工等方面存在難度和風(fēng)險(xiǎn)。本文從供貨板材規(guī)格、設(shè)備設(shè)施能力和設(shè)計(jì)規(guī)范要求等方面進(jìn)行施工可行性研究。

3.1.1 供貨板材規(guī)格

對(duì)國(guó)內(nèi)三大鋼材供貨商的供貨能力進(jìn)行調(diào)研，結(jié)果見表2，可以看出：3家供貨商的鋼板厚度和寬度均滿足需求，而板長(zhǎng)只有寶鋼滿足卷制整圓的需求。卷制3 m長(zhǎng)單管段的重量為43 t，需要綜合考慮運(yùn)輸成本和陸地特種車輛運(yùn)輸以及海上運(yùn)輸?shù)目尚行?。因此，鋼材廠家對(duì)大尺寸鋼板的供貨能力能夠滿足整圓管卷制需求，但須進(jìn)一步分析其經(jīng)濟(jì)性和可行性。

表2 鋼材供貨能力

3.1.2 卷管機(jī)設(shè)施能力

根據(jù)制管車間調(diào)研結(jié)果，150 mm型號(hào)的卷管機(jī)可完成該大直徑管的卷制工作，但該設(shè)備周圍空間受限，19 000 mm長(zhǎng)的板材無法進(jìn)入卷管機(jī)完成整圓卷制，須對(duì)卷管機(jī)進(jìn)行移位改造。另外,該卷管機(jī)離地面高度約1.5 m，若整圓卷制，管段吊運(yùn)時(shí)離地最高點(diǎn)將達(dá)到7.5 m。由于吊運(yùn)橋吊最大起升高度為8.5 m，導(dǎo)致吊繩操作空間不足1 m，管段吊運(yùn)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.3 車間門口尺寸

制管車間進(jìn)出口尺寸為6 000 mm×6 000 mm，整圓管高度6 000 mm，場(chǎng)地平板車運(yùn)輸行駛高度最低為1 900 mm，整圓管運(yùn)輸尺寸超出車間門口尺寸，若管段平放運(yùn)輸，寬度方向存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，車間大門有改造需求。

3.2 可行性方案分析

結(jié)合常規(guī)導(dǎo)管制造工藝，綜合考慮限制因素，可確定2種實(shí)施方案：半圓管卷制方案和整圓管卷制方案。其中半圓管卷制是考慮板長(zhǎng)及重量的供貨限制，單管段采用2個(gè)半圓管合龍的施工方案，即在制管車間內(nèi)完成半圓管卷制工作，再運(yùn)輸至車間外其他場(chǎng)區(qū)完成合龍及多管段接長(zhǎng)工作；整圓管卷制方案在考慮減少施工工序和焊接檢驗(yàn)等工作量的情況下，克服板尺供貨及運(yùn)輸能力問題而實(shí)施的類似常規(guī)卷管方法，該方案主要考慮場(chǎng)地車間設(shè)備能力等限制因素。

3.2.1 半圓管卷制方案

設(shè)計(jì)規(guī)范所研究的導(dǎo)管架設(shè)計(jì)典型圖中給出了雙縱縫的設(shè)計(jì)要求，即從設(shè)計(jì)上可確認(rèn)半圓管合龍方案的可行性。依據(jù)卷制管建造規(guī)范API SPC 2B-2007[2]的規(guī)定：當(dāng)單節(jié)管段出現(xiàn)180°雙縱縫時(shí)，相鄰管段縱縫錯(cuò)開角度為45°～90°，從施工角度可以滿足要求。

半圓管卷制方案解決了板尺、運(yùn)輸、制管車間及設(shè)備能力受限的問題，但將管段的合龍、組對(duì)接長(zhǎng)、焊接、檢驗(yàn)等工序移出了制管車間，降低了施工便利性，增加了質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。以下從質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和場(chǎng)地限制因素兩方面對(duì)半圓管卷制方案的可行性進(jìn)行分析。

(1) 半圓管變形。由于管徑壁厚較大，半圓管卷制完成到兩瓣合龍完成之前，倒運(yùn)、吊裝等作業(yè)過程存在變形風(fēng)險(xiǎn)，且合龍整圓后無法回卷管機(jī)調(diào)圓。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，半圓管在不做任何臨時(shí)加強(qiáng)措施的情況下，僅在自重作用下就會(huì)發(fā)生13 mm的變形，在吊裝倒運(yùn)工況下變形達(dá)到22.5 mm，給合龍組對(duì)精度控制和最終尺寸公差控制帶來較大的困難。通過分析，可采用增加臨時(shí)支撐或倒鏈預(yù)張緊裝置的措施來控制形變。加強(qiáng)措施前后形變對(duì)比如圖2所示，可以看出：增加支撐后形變量減少約50%。合理布置臨時(shí)支撐或倒鏈反向張緊裝置可控制形變最小化，從而滿足最終制造精度要求。

圖2 加強(qiáng)措施前后形變對(duì)比

(2) 組對(duì)焊接施工環(huán)境。半圓管卷制完成、移出制管車間后，需要在合適的場(chǎng)區(qū)進(jìn)行整圓管段合龍及接長(zhǎng)。管段接長(zhǎng)用的轉(zhuǎn)胎、環(huán)縱縫焊接用的焊機(jī)及焊前焊后的加熱裝置均須移出制管車間進(jìn)行工作。綜合考慮預(yù)制場(chǎng)地的環(huán)境，如果在車間外的場(chǎng)地施工，必須搭建臨時(shí)擋風(fēng)遮雨棚，需要對(duì)預(yù)制場(chǎng)區(qū)的地面進(jìn)行修整，同時(shí)需要配置足夠的起重輔助設(shè)備。根據(jù)場(chǎng)地現(xiàn)有資源及項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，啟用結(jié)構(gòu)大分段預(yù)制車間進(jìn)行合龍、接長(zhǎng)及焊接檢驗(yàn)工作是最理想的方案。

大分段預(yù)制車間總面積31 636.7 m2，車間尺寸242 m×132 m，共三大跨，有3個(gè)切割、加工區(qū)，3個(gè)部件裝焊區(qū)，2個(gè)曲面分段裝焊區(qū)，1個(gè)平面分段生產(chǎn)區(qū)。切割加工區(qū)最大橋吊的單吊能力為20 t，跨距為38.4 m，軌道高度為14 m；裝配焊接區(qū)及生產(chǎn)區(qū)最大橋吊的單吊能力為150 t，跨距為39.6 m，軌道高度為24 m。西側(cè)三跨正門尺寸為22 m(寬)×12 m(高)，北側(cè)正門尺寸為22 m(寬)×10 m(高)。采用大分段預(yù)制車間可以很好地滿足半圓管卷制后的所有后續(xù)工序。綜合制管車間和大分段預(yù)制車間的信息，設(shè)計(jì)2種可行性方案，見表3。

表3 可行性方案對(duì)比

由表3可知：方案1前期改造工作量最小，只需做好半圓管變形控制及組對(duì)公差控制即可；方案2可以充分利用預(yù)制車間的優(yōu)勢(shì)，施工各環(huán)節(jié)集中在同一個(gè)車間內(nèi)，倒運(yùn)工序少，效率高，質(zhì)量控制更加便利。

3.2.2 整圓管卷制方案

整圓管相較于半圓管方案，在縱縫焊接、組對(duì)和檢驗(yàn)等工序上工作量減少近一半，將大幅降低施工成本，節(jié)省工期。但該方案需要重點(diǎn)考慮板材供貨運(yùn)輸能力和卷管場(chǎng)所的選擇：(1)板材供貨及運(yùn)輸。根據(jù)供貨能力調(diào)研結(jié)果，大重量大尺寸板材的出廠合格率是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，特種車輛陸地運(yùn)輸和海上運(yùn)輸帶來的采辦工期延長(zhǎng)和成本的增加將是2個(gè)比較大的限制因素，需要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。(2)卷管車間能力。根據(jù)3.1節(jié)的分析結(jié)果，整圓卷制在原制管車間沒有實(shí)施可行性，但可采用半圓管卷制方案中的方案2，即通過對(duì)大分段預(yù)制車間的改造，完成整圓管在該車間的卷制接長(zhǎng)工作。(3)其他因素。與半圓管卷制方案一樣，整圓卷制也需要考慮臨時(shí)加強(qiáng)、控制變形等問題。

因此，整圓管卷制方案在克服板尺供貨及運(yùn)輸成本的前提下，通過改造大分段預(yù)制車間，可以實(shí)現(xiàn)在同一車間內(nèi)完成卷制、焊接、組對(duì)等全部預(yù)制工作，相當(dāng)于車間能力升級(jí)后的常規(guī)卷管工藝，從施工效率和質(zhì)量上都具有一定優(yōu)勢(shì)。

3.3 最佳方案及工藝流程

綜合以上分析，3套組合方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表4。

表4 組合方案對(duì)比

通過對(duì)比可知：最佳可行方案為制管車間半圓卷制/大分段預(yù)制車間合龍接長(zhǎng)。大直徑導(dǎo)管制造工藝流程如圖3所示。

4 施工關(guān)鍵點(diǎn)分析

4.1 尺寸公差控制

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)建造規(guī)格書中的公差控制要求，對(duì)預(yù)制的每個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施測(cè)量檢驗(yàn)。在施工過程中對(duì)公差進(jìn)行良性誘導(dǎo)控制，通過合理的施工順序、反向調(diào)節(jié)等方法將最終的制造公差控制在要求范圍內(nèi)。

4.2 變形控制

4.2.1 半圓管合龍縱縫焊接變形控制

由于采用半圓管卷制組對(duì)合龍的工藝，增加了1條縱向焊縫，增加了縱縫錯(cuò)皮及橢圓度超差的風(fēng)險(xiǎn)?？刹捎煤侠淼暮附禹樞騕3]控制變形；半圓管內(nèi)設(shè)置臨時(shí)支撐，防止變形；合龍后對(duì)2條縱縫進(jìn)行點(diǎn)焊固定；雙面坡口，打底焊、填充焊、蓋面焊內(nèi)外交替進(jìn)行；2條縱縫由管段中間向兩端同時(shí)施焊，如圖4所示。

4.2.2 管段對(duì)接環(huán)縫焊接變形控制

管對(duì)接的變形控制就是要控制其焊后的直線度尺寸誤差，大管徑導(dǎo)管徑厚比大，焊接順序不當(dāng)極易由根焊道的焊接收縮應(yīng)力引起變形。根(封底)焊道可分成4段分別焊接，如圖5所示。首先，從6點(diǎn)到9點(diǎn)位置完成第①段，再從3點(diǎn)到12(0)點(diǎn)位置完成第②段，然后從6點(diǎn)到3點(diǎn)位置完成第③段，最后從9點(diǎn)到12(0)點(diǎn)位置完成第④段。

圖3 大直徑導(dǎo)管制造工藝流程

圖4 縱縫焊接變形控制

圖5 焊縫焊接變形控制

焊接直徑較大的管時(shí)，可由2名焊工按此順序從管道兩邊施焊。完成根焊道后，對(duì)于填充和蓋面焊道，同一焊道可在6點(diǎn)附近的同一位置起弧并向上焊，但每條不同的焊道的起弧和收弧位置都應(yīng)彼此錯(cuò)開。

4.3 焊前焊后熱處理

大直徑導(dǎo)管管徑壁厚大，焊前預(yù)熱及焊后熱處理[4]施工較為困難，受熱均勻性與熱處理效率對(duì)施工質(zhì)量影響較大。盡量開發(fā)使用CTOD[5]工藝，以替代焊后熱處理。如果項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求必須做焊后熱處理，建議設(shè)計(jì)專用熱處理胎架，提高效率，保證施工質(zhì)量。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合常規(guī)導(dǎo)管制造工藝，針對(duì)大直徑導(dǎo)管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從各類限制因素展開分析，制定各種可行性方案并對(duì)比優(yōu)缺點(diǎn)，得出制管車間進(jìn)行半圓管卷制/大分段預(yù)制車間進(jìn)行整管合龍及管段接長(zhǎng)的實(shí)施方案，形成了針對(duì)大直徑導(dǎo)管在海洋工程建造場(chǎng)地制造的最佳工藝流程。本文的研究成果補(bǔ)充了重力式導(dǎo)管架相關(guān)建造技術(shù)的研究?jī)?nèi)容，可為油氣田開發(fā)者在同類工程項(xiàng)目招標(biāo)技術(shù)方案的審核提供評(píng)估性參考，同時(shí)為將來該類項(xiàng)目制造工作的實(shí)施提供施工借鑒。