惡劣海況下海底管道帶壓開孔作業(yè)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計與安裝技術(shù)研究

劉建峰，王彥多，杜 穎，張勝強，于銀海

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

海底管道（以下簡稱海管）不停產(chǎn)帶壓開孔作業(yè)，作為海管維搶修施工作業(yè)中高風(fēng)險的施工項目之一[1-4]，其施工難度較大，對技術(shù)要求較高。尤其在強潮流、低能見度等惡劣海況下，受浮吊船升沉和搖擺較大的不利影響，很難直接采用常規(guī)的吊裝方式來進行帶壓開孔設(shè)備的安裝和拆卸，須借助一些輔助結(jié)構(gòu)先將帶壓開孔設(shè)備穩(wěn)定在海管上方，在保證開孔設(shè)備與海管之間相對靜止的前提下，潛水員才能完成帶壓開孔設(shè)備的精確安裝和拆卸。

本文以東海某海管帶壓開孔修復(fù)項目為例，在強潮流、低能見度等惡劣海況下，針對海管帶壓開孔設(shè)備裝卸所需的輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計以及安裝技術(shù)進行研究，并在項目中成功應(yīng)用，可為以后類似惡劣海況下海管帶壓開孔維修項目提供借鑒。

1 工程背景

東海某14 in（1 in=25.4 mm）輸氣海管出現(xiàn)壓力異常。經(jīng)路由檢測和排查后發(fā)現(xiàn)，該海管一處長約100 m管段發(fā)生了裂紋損傷。損傷管段所在海域水深約30 m，此處海床為不穩(wěn)定海床，且已發(fā)生了局部地質(zhì)沉陷，從而造成該管段埋深由泥面以下1.5 m下沉到泥面以下約2.5 m。為了不影響該海管的正常運營，前期先采用封堵卡具對受損管段進行了臨時修復(fù)。后來考慮到損傷管段處于不穩(wěn)定海床，為了避免該海管在后續(xù)運營過程中再次發(fā)生損傷破壞，業(yè)主決定采用帶壓開孔的方式更換損傷管段對其進行永久修復(fù)。

該損傷管段所在海域?qū)儆谑澜鐝姵绷骱Ｓ颍ú鲄?shù)見表1），平潮時間短，長波涌浪頻繁，水下能見度幾乎為零，因此海況非常惡劣。

表1 損傷管段所在海域的波流參數(shù)

該項目采用的帶壓開孔設(shè)備主要包括：機械三通、三明治閥、開孔機和封堵機等，其中機械三通、三明治閥和開孔機的組合體示意如圖1所示。

圖1 開孔設(shè)備組合體示意

2 用于開孔設(shè)備整體安裝的輔助支架設(shè)計

為了減少水下組對的工作量，降低水下作業(yè)的困難和風(fēng)險，機械三通、三明治閥和開孔機需要整體安裝。常見的海管帶壓開孔作業(yè)案例，多是開孔機在豎直狀態(tài)下的開孔作業(yè)，如果采用開孔設(shè)備組合體豎直狀態(tài)下水的話，則在如此惡劣海況下，潛水員很難將機械三通安裝到海管上；因此，需要將開孔設(shè)備組合體在水平狀態(tài)下水，等機械三通抱住海管之后，再將該組合體由水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到豎直狀態(tài)。由于浮吊船在惡劣海況下會出現(xiàn)較大的升沉和搖擺，如果采用常規(guī)的吊裝方案——由浮吊直接吊裝開孔設(shè)備組合體下水安裝的話，則極易造成開孔設(shè)備與海管發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致開孔設(shè)備或海管受損；所以需要設(shè)計一個輔助支架，該輔助支架不但能夠?qū)崿F(xiàn)開孔設(shè)備組合體水平狀態(tài)下放，還能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)機械三通抱住海管后組合體向豎直方向進行90°翻轉(zhuǎn)。

經(jīng)過反復(fù)論證分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和碼頭試驗，確定輔助支架的最終結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。在綜合考慮潛水員水下作業(yè)空間需求，以及輔助支架整體結(jié)構(gòu)強度、抗傾覆、抗滑移和海底土壤的承載力等因素，該輔助支架總質(zhì)量約15 t，其上部框架結(jié)構(gòu)尺寸為長4 m、寬4 m、高7 m，其底部2塊防沉板都是長8 m、寬2 m。在其主結(jié)構(gòu)桿件中，4根主立柱為300 mm×300 mm×10 mm的方形鋼管，其余桿件為H300×300×10×15的H型鋼。

圖2 輔助支架結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)實際施工需要，該輔助支架增加了以下幾項附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計：其一，為了實現(xiàn)開孔設(shè)備組合體在輔助支架內(nèi)的固定、翻轉(zhuǎn)，分別在輔助支架的各層水平梁的內(nèi)側(cè)或下方設(shè)計了12個可承重100 kN的小吊耳；其二，為了實現(xiàn)對開孔設(shè)備和輔助支架的整體吊裝，在輔助支架頂部四個角點上各設(shè)計了一個可承重300 kN的大吊耳；其三，為了方便施工人員對吊索具進行掛扣和卸扣，分別在輔助支架的四根立柱外側(cè)設(shè)計了爬梯；其四，為了降低輔助支架在安裝過程中對海管造成碰撞破壞的風(fēng)險，使用6 mm厚的膠皮對輔助支架前后兩個門框進行了包裹。

此外，采用海洋石油行業(yè)結(jié)構(gòu)分析中通用的SACS計算軟件，對輔助支架吊裝工況和在位工況進行了結(jié)構(gòu)模擬計算及桿件強度校核分析，得到其所有桿件強度的校核結(jié)果，見表2，該計算結(jié)果滿足API規(guī)范對結(jié)構(gòu)物的強度要求[5]。

表2 桿件強度校核結(jié)果匯總

輔助支架在位時除了需要校核其結(jié)構(gòu)強度外，還需要校核其抗滑移安全系數(shù)、抗傾覆安全系數(shù)和地基承載力安全系數(shù)是否滿足規(guī)范要求。輔助支架在位穩(wěn)性校核結(jié)果見表3，通過計算分析每項安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表3 在位穩(wěn)性校核結(jié)果匯總

3 開孔設(shè)備組合體和輔助支架整體安裝技術(shù)

3.1 開孔設(shè)備組合體在輔助支架內(nèi)的綁扎固定

在施工支持船甲板上，施工人員先將機械三通、三明治閥和開孔機組裝成一個組合體（如圖1所示）；使用浮吊將開孔設(shè)備組合體吊裝到輔助支架內(nèi)，并將其保持為水平狀態(tài)。然后，使用10 t吊帶和10 t倒鏈將開孔設(shè)備組合體綁扎在輔助支架內(nèi)部，如圖3所示。打開機械三通并調(diào)節(jié)各倒鏈長度，將開孔設(shè)備組合體的高度調(diào)整到合適位置，保證在輔助支架座底穩(wěn)定之后，機械三通與海管間有足夠的安全距離。

圖3 組合體在輔助支架內(nèi)的綁扎固定

3.2 開孔設(shè)備組合體和輔助支架的整體吊裝

在進行開孔設(shè)備組合體和輔助支架整體吊裝之前，需要校核作業(yè)坑底地基承載力是否滿足規(guī)范要求。對于地基承載力滿足規(guī)范要求的項目，可以直接將輔助支架座在坑底的泥面上；對于地基承載力不滿足規(guī)范要求的項目，則需要提前對坑底進行地基處理。目前，在海管維搶修項目中，常采用直接在作業(yè)坑底部鋪填沙袋的地基處理方案。

對于開孔設(shè)備組合體和輔助支架的整體安裝，可按照以下步驟進行實施：先在輔助支架上綁扎兩個無線信標，并對輔助支架進行掛扣；潛水員下水，并停留在作業(yè)坑附近進行觀察；通過通訊設(shè)備，潛水員配合施工支持船甲板上的施工人員，共同指揮輔助支架吊裝下水和安裝；在輔助支架入水初期，施工人員可通過信標信號顯示器，實時觀察輔助支架與作業(yè)坑/海管間的相對位置，并指揮浮吊及時進行位置調(diào)整；當(dāng)輔助支架接近作業(yè)坑時，潛水員應(yīng)認真觀察輔助支架與海管間的相對位置，避免兩者發(fā)生碰撞，確保開孔設(shè)備組合體和輔助支架的整體安裝能夠精確就位。

3.3 開孔設(shè)備組合體在海管上的安裝

對于開孔設(shè)備組合體在海管上的安裝，可以按照以下步驟進行實施：待輔助支架在作業(yè)坑內(nèi)座底穩(wěn)定后，潛水員調(diào)整連接開孔設(shè)備組合體與輔助支架的倒鏈，將組合體緩慢下放，然后將機械三通抱在管道上，如圖4所示；等機械三通在海管上閉合后，潛水員安裝機械三通軸向密封螺栓，并對螺栓預(yù)緊加力，保證機械三通套在海管上可以自由轉(zhuǎn)動；潛水員調(diào)整倒鏈，將開孔設(shè)備組合體繞海管轉(zhuǎn)動約90°，使開孔機扶正為豎直狀態(tài)，如圖5所示；潛水員完全緊固機械三通軸向和環(huán)向密封螺栓；在輔助支架兩側(cè)管道正下方，潛水員墊放沙袋對海管進行支撐，避免在開孔設(shè)備組合體的重力作用下暴露段海管發(fā)生大的彎曲變形；最后，潛水員放松連接開孔設(shè)備組合體和輔助支架的倒鏈，完成開孔設(shè)備組合體在海管上的安裝工作。

4 用于開孔機和封堵機更換的屋頂式吊裝框架設(shè)計

在海管帶壓開孔作業(yè)的整個過程中，需要潛水員多次在水下配合浮吊更換開孔機和封堵機。而在強潮流、低能見度等惡劣海況下，如果采用常規(guī)平面式的吊裝框架來更換開孔機和封堵機，不但很難實現(xiàn)吊裝框架的自動對中，而且會給施工帶來很大的安全風(fēng)險。因此，針對海管帶壓開孔作業(yè)設(shè)計一種吊裝框架用于開孔機和封堵機的更換非常必要。

圖4 開孔設(shè)備組合體安裝示意

圖5 開孔設(shè)備組合體豎直扶正后示意

經(jīng)過反復(fù)論證分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和碼頭試驗，確定吊裝框架的最終結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。該吊裝框架上部（圖6中紅色部分）為屋頂式結(jié)構(gòu)，主要由4根斜撐和4根水平梁組成，其中斜撐為［200×73×711的槽鋼，水平梁為H100×100×68的H型鋼；該吊裝框架下部（圖6中橙色部分）是用于固定開孔機和封堵機的輔助結(jié)構(gòu)，其主要由φ65 mm×6 mm和φ48 mm×3.5 mm鋼管構(gòu)成。設(shè)備固定在屋頂式吊裝框架內(nèi)的現(xiàn)場實物見圖7。

圖6 吊裝框架結(jié)構(gòu)示意

圖7 設(shè)備在屋頂式吊裝框架內(nèi)固定

采用SACS計算軟件，對屋頂式吊裝框架在吊裝工況和在位工況進行了結(jié)構(gòu)模擬及桿件強度校核分析，得到其所有桿件強度的校核結(jié)果，見表4，該計算結(jié)果滿足API規(guī)范對結(jié)構(gòu)物的強度要求。

表4 桿件強度校核結(jié)果匯總

在強潮流、低能見度等惡劣海況下，與常規(guī)平面式吊裝框架相比，使用該屋頂式吊裝框架主要有以下優(yōu)點：其一，在開孔機和封堵機進入輔助支架的過程中，該屋頂式吊裝框架的4根斜撐可起到導(dǎo)向作用和限位作用，能保證設(shè)備安裝方便、快捷且安全可靠；其二，由于輔助支架和屋頂式吊裝框架結(jié)構(gòu)形式的對稱性，則在屋頂式吊裝框架和設(shè)備整體重力作用下，該屋頂式吊裝框架能夠保證被吊裝的設(shè)備在輔助支架內(nèi)自動對中，可以降低潛水員在惡劣海況下裝卸螺栓等工作的施工難度；其三，由于屋頂式吊裝框架水平梁在水平方向上的支撐作用，當(dāng)被吊裝設(shè)備在輔助支架內(nèi)自動對中的過程中，也能夠保證被吊裝的設(shè)備在輔助支架上自動扶正，還可以達到設(shè)備精確就位的目的；其四，該屋頂式吊裝框架下部輔助結(jié)構(gòu)，對開孔機和封堵機起到固定作用的同時，也能夠起到在設(shè)備安裝時的導(dǎo)向作用以及對設(shè)備的保護作用，還可以有效防止在裝卸過程中設(shè)備直接與輔助支架發(fā)生碰撞。

5 使用屋頂式吊裝框架進行開孔機和封堵機更換技術(shù)

在整個海管帶壓開孔作業(yè)過程中，開孔機最早是連同機械三通、三明治閥和輔助支架一起安裝就位的，如圖8所示。當(dāng)使用開孔機完成對海管的開孔之后，需要先將開孔機從三明治閥上拆卸下來，再將封堵機更換上去；等封堵作業(yè)結(jié)束后，需要先把封堵機從三明治閥上拆卸下來，再將開孔機更換上去；最終在海管帶壓開孔作業(yè)結(jié)束后，再把開孔機和三明治閥拆卸下來[6-8]。因此，在開孔機和封堵機的多次裝卸過程中，都需要使用屋頂式吊裝框架進行輔助作業(yè)。

圖8 屋頂式吊裝框架裝卸開孔機示意

在施工過程中，首先在屋頂式吊裝框架上安裝兩個信標，將其與輔助支架上已安裝的兩個信標配合使用，在船甲板上負責(zé)吊裝指揮的人員可通過信標信號接收器的顯示器，判斷屋頂式吊裝框架與輔助支架之間在水平方向上的相對位置；再結(jié)合潛水員水下觀察屋頂式吊裝框架與輔助支架之間在豎直方向上的相對位置，即可實現(xiàn)對屋頂式吊裝框架的精確安裝就位。

以封堵機更換開孔機這一施工過程為例。當(dāng)屋頂式吊裝框架在輔助支架上安裝就位后，潛水員先使用倒鏈和安全吊帶將開孔機頂部與屋頂式吊裝框架連接，再打開開孔機與三明治閥之間的全部連接螺栓，并利用調(diào)節(jié)倒鏈實現(xiàn)開孔機的向上提升，完成與三明治閥的脫離。此后，潛水員使用安全繩將開孔機底部與屋頂式吊裝框架固定，以防止屋頂式吊裝框架在吊裝過程中因晃動或強潮流等與開孔機發(fā)生碰撞，造成損傷。當(dāng)開孔機被吊上船甲板后，采用與開孔機類似的綁扎固定形式，在屋頂式吊裝框架內(nèi)對封堵機進行綁扎固定，并通過屋頂式吊裝框架輔助將封堵機吊裝到輔助支架內(nèi)；接下來潛水員通過調(diào)節(jié)倒鏈實現(xiàn)封堵機的下放，然后安裝封堵機與三明治閥之間的連接螺栓，完成封堵機在水下的安裝工作。

6 結(jié)束語

在工程實施過程中，使用上述海管帶壓開孔輔助支架和屋頂式吊裝框架，克服了惡劣海況對海上施工的影響，保證了海上施工安全的有序進行；開孔設(shè)備組合體的整體安裝技術(shù)和開孔機與封堵機的更換技術(shù)，降低了施工難度和風(fēng)險，節(jié)省了工期，為海管帶壓開孔維搶修提供了有力的技術(shù)保障。該工程項目的成功實施，進一步提升了海管帶壓開孔修復(fù)技術(shù)的整體水平，可為以后類似惡劣海況下海管帶壓開孔維修項目提供借鑒。