萬噸級導(dǎo)管架建造工藝的實踐

王文龍，林貽海，馮加偉，符秀全

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引 言

隨著科技水平的不斷進(jìn)步，海洋油氣田資源由淺水海域向較深水海域進(jìn)行勘探開發(fā)。水深的不斷增加以及較深水海域環(huán)境條件的嚴(yán)苛和惡劣使承載海上油氣田生產(chǎn)平臺的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(導(dǎo)管架)尺寸越來越大[1]，且重量可達(dá)萬噸級。導(dǎo)管架不僅需要完全抵擋海洋環(huán)境的沖擊和侵蝕，而且需要穩(wěn)定和牢固地支撐海上平臺所有系統(tǒng)設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)和海上人員的正常生活。

1 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)

某油氣田開發(fā)項目中的導(dǎo)管架重量為12 500 t，安裝海域水深為117 m，導(dǎo)管架總高度約130 m。由于該項目的上部組塊采用浮托方式安裝[2]，因此導(dǎo)管架的導(dǎo)管之間須設(shè)計預(yù)留出一定空間，以滿足作業(yè)船舶的穿插作業(yè)。

導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)主要由A、B、1、2、2.1、2.3、3和4軸面上的導(dǎo)管、K型支撐(拉筋)和X型支撐(拉筋)及外部4根導(dǎo)管腿(A1、A4、B1和B4)附帶的裙樁套筒組成[3]，如圖1所示。導(dǎo)管架頂部1軸與2軸間距為12 m、2軸與3軸間距為40 m、3軸與4軸間距為12 m、A軸與B軸間距為18 m，導(dǎo)管架底部1軸與2.1軸間距為28 m、2.1軸與2.3軸間距為20 m、2.3軸與4軸間距為28 m，A軸與B軸間距為66 m。導(dǎo)管架共有6層水平片，標(biāo)高分別為8.0 m、-16.0 m、-38.0 m、-62.0 m、-88.0 m、-115.5 m。

圖1 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)示例

為便于導(dǎo)管架的建造，采用3D軟件對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計算和分析，如圖2所示。導(dǎo)管架坐標(biāo)系的選取如下：原點位于海圖基準(zhǔn)面上導(dǎo)管架A軸面與B軸面之間的幾何中心，x軸指向?qū)Ч芗?軸面為正向，y軸指向?qū)Ч芗蹷軸面為正向，z軸豎直向上為正向。該導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)沿坐標(biāo)系y軸與z軸的中心面方向?qū)ΨQ。

圖2 導(dǎo)管架三維模型

2 萬噸級導(dǎo)管架建造

導(dǎo)管架重達(dá)萬噸，受限于海上作業(yè)船舶吊裝設(shè)備的能力，一般進(jìn)行臥式建造[4](見圖3)，以便在其整體建造完成后采用滑移裝船和下水的方式進(jìn)行海上安裝作業(yè)[5]。

圖3 導(dǎo)管架臥式建造示例(無裙樁套筒)

萬噸級導(dǎo)管架通過場地區(qū)域塊布置、模塊結(jié)構(gòu)片建造、模塊結(jié)構(gòu)片吊裝合龍等3個主要步驟建造完成：場地區(qū)域塊布置是指材料驗收場地、構(gòu)件預(yù)制場地、構(gòu)件涂裝場地、模塊結(jié)構(gòu)片建造場地和導(dǎo)管架總裝場地的布置；模塊結(jié)構(gòu)片建造是指將整個導(dǎo)管架優(yōu)化分解成各模塊結(jié)構(gòu)片進(jìn)行建造；模塊結(jié)構(gòu)片吊裝合龍是指將建造完成的模塊結(jié)構(gòu)片按照組裝順序進(jìn)行吊裝合龍。導(dǎo)管架組裝順序為：布置滑道和滑靴→安裝A軸面上2根導(dǎo)管A2.1和A2.3，并與滑道平行→安裝2.1軸面與2.3軸面之間的所有結(jié)構(gòu)片→安裝A軸面剩余的導(dǎo)管和結(jié)構(gòu)片→安裝A軸面與B軸面之間剩余的所有結(jié)構(gòu)片→安裝裙樁套筒。

2.1 場地區(qū)域塊布置

場地區(qū)域塊布置應(yīng)結(jié)合導(dǎo)管架各場地的作業(yè)特點和整體建造需求進(jìn)行統(tǒng)籌與具體安排。

2.1.1 導(dǎo)管架總裝場地布置

導(dǎo)管架總裝場地布置要求較高：基礎(chǔ)(滑道)須承載導(dǎo)管架的萬噸重量[6]，面積須滿足導(dǎo)管架本身尺寸和各類起重機(jī)全方位全負(fù)荷作業(yè)，位置須靠近碼頭邊沿以便導(dǎo)管架建造完成后拖拉上船。結(jié)合布置要求、場地基礎(chǔ)的承載能力以及導(dǎo)管架本身的結(jié)構(gòu)、重量和尺寸特點進(jìn)行核算和分析，設(shè)定導(dǎo)管架的底部朝向碼頭前沿，A軸面朝下躺在滑道上，A軸面上2根導(dǎo)管(A2.1和A2.3)支撐在對應(yīng)的滑道上。導(dǎo)管架總裝場地布置如圖4所示。

圖4 導(dǎo)管架總裝場地布置

2.1.2 滑道和滑靴設(shè)計

滑道和滑靴的設(shè)計[7]主要基于兩方面考慮：一是滑道結(jié)構(gòu)本身可承載導(dǎo)管架的重量；二是導(dǎo)管架建造完成后可克服導(dǎo)管架與滑道之間的摩擦力牽引拖拉至運輸駁船?；乐饕缮舷聦踊瑝K(超高強(qiáng)度混凝土)、滑道板(由超強(qiáng)度鋼板和特氟龍板組成，并涂抹特氟龍潤滑劑)、砂漿找平層(為平整和填充上下層滑塊之間、滑塊與鋼板之間的間隙)組成?；ブ饕射摻Y(jié)構(gòu)和木材組成，與導(dǎo)管架的導(dǎo)管進(jìn)行焊接，成為導(dǎo)管架的一部分?；篮突サ慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計剖面如圖5所示。

圖5 滑道和滑靴的結(jié)構(gòu)設(shè)計剖面

經(jīng)核算和分析：導(dǎo)管架建造所使用的上下層滑塊強(qiáng)度不小于42.5 MPa，鋼板屈服強(qiáng)度不小于355 MPa；滑靴所使用的木材應(yīng)為氣干密度不小于770 kg/m3的硬木，橫紋抗壓強(qiáng)度不低于5 MPa；滑道和滑靴的安裝精度應(yīng)確保在±3 mm內(nèi)。

2.2 模塊結(jié)構(gòu)片建造

為提高作業(yè)效率并減小高空作業(yè)量，結(jié)合導(dǎo)管架組裝順序和現(xiàn)場起重機(jī)的起重能力，萬噸級導(dǎo)管架共優(yōu)化分解成52個模塊結(jié)構(gòu)片[8]進(jìn)行同步建造。其中，整體尺寸和重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建造難度大的模塊結(jié)構(gòu)片分別為41號/42號結(jié)構(gòu)片和49號～52號結(jié)構(gòu)片(裙樁套筒)。

2.2.1 41號/42號結(jié)構(gòu)片

由于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)具有對稱特點，41號/42號結(jié)構(gòu)片沿導(dǎo)管架坐標(biāo)系y軸與z軸之間的中心面對稱。41號/42號結(jié)構(gòu)片主要由導(dǎo)管(1軸和2軸)、導(dǎo)管之間的拉筋等組成，如圖6所示。導(dǎo)管外徑為2.0 m、壁厚為80.0 mm，導(dǎo)管直線長度為42.3 m，拉筋的最大外徑為1.2 m、壁厚為22.0 mm，導(dǎo)管與拉筋的焊接處最小二面角為29.6°(屬于小角度)，且為設(shè)計疲勞節(jié)點，拉筋之間的最小間隙為75.0 mm。導(dǎo)管中心線位置誤差須在±10 mm內(nèi)，拉筋在導(dǎo)管上的組對偏差須在±12 mm內(nèi)。

圖6 41號/42號結(jié)構(gòu)片示例

為滿足41號/42號結(jié)構(gòu)片建造要求，采取如下措施：(1)測量支撐基礎(chǔ)(墊墩)位置、導(dǎo)管和拉筋的坡口和尺寸，精度須滿足要求[9]；(2)導(dǎo)管和拉筋按照圖6進(jìn)行預(yù)組對布置，其位置中心線須滿足要求，然后在導(dǎo)管與拉筋之間安裝臨時支撐，控制結(jié)構(gòu)片的變形，以確保結(jié)構(gòu)片預(yù)組對的尺寸精度；(3)在考慮焊接收縮裕量的情況下，進(jìn)行同步焊接以提高整體作業(yè)效率；(4)對于小角度的設(shè)計疲勞節(jié)點，在其焊接處四周留出足夠大的作業(yè)空間，以便全方位進(jìn)行焊接，進(jìn)而提高焊接合格率，焊接完成后，對焊道進(jìn)行光滑過渡處理，以滿足焊接處剖面要求，確保該節(jié)點的疲勞壽命滿足要求；(5)整體焊接完成，對整個結(jié)構(gòu)片的尺寸進(jìn)行測量，如發(fā)現(xiàn)有不滿足要求的局部位置，結(jié)合現(xiàn)場測量數(shù)值等實際情況采取熱微調(diào)直的措施，以達(dá)到尺寸檢驗要求。

2.2.2 49號～52號結(jié)構(gòu)片(裙樁套筒)

由于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)具有對稱特點，49號～52號結(jié)構(gòu)片(裙樁套筒)沿導(dǎo)管架坐標(biāo)系原點對稱。裙樁套筒主要由導(dǎo)管腿、套筒筒體、軛板、剪力板、間隙板、卡樁器[10]、封隔器[11]等組成，如圖7所示。裙樁套筒的功能性強(qiáng)，卡樁器和封隔器等重要構(gòu)件對海上導(dǎo)管架的插樁、卡樁和灌漿作業(yè)產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響。導(dǎo)管腿的外徑為3.2 m，壁厚為100 mm；套筒筒體外徑為2.7 m，壁厚為45 mm，總體高度為15.0 m。導(dǎo)管中心線位置誤差須在±10 mm內(nèi)，套筒筒體中心位置誤差須在±12 mm內(nèi)。

圖7 裙樁套筒結(jié)構(gòu)

為滿足裙樁套筒建造要求，采取如下措施：(1)測量支撐基礎(chǔ)(墊墩)位置、裙樁套筒所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的坡口和尺寸，精度須滿足要求；(2)對導(dǎo)管腿、剪力板和軛板進(jìn)行組對焊接，其位置中心線須滿足要求；(3)與套筒筒體(包括卡樁器和封隔器)進(jìn)行整體預(yù)組對，考慮焊接收縮裕量，進(jìn)行同步焊接以提高整體作業(yè)效率；(4)焊接完成，對整個結(jié)構(gòu)片的尺寸進(jìn)行測量；(5)為確保海上導(dǎo)管架的插樁、卡樁和灌漿作業(yè)的順利進(jìn)行，須分別對套筒筒體進(jìn)行通徑試驗、對卡樁器進(jìn)行液壓抱緊試驗、對封隔器進(jìn)行充氣阻隔試驗。

2.3 模塊結(jié)構(gòu)片吊裝合龍

模塊結(jié)構(gòu)片建造完成后，根據(jù)導(dǎo)管架的組裝流程和導(dǎo)管架的對稱特點，進(jìn)行同步吊裝合龍作業(yè)[12]，以提高整體作業(yè)效率。模塊結(jié)構(gòu)片吊裝合龍的最大難度在于41號/42號結(jié)構(gòu)片和裙樁套筒的尺寸和重量較大，41號/42號結(jié)構(gòu)片和裙樁套筒的重量分別為351 t和435 t。在結(jié)構(gòu)片吊裝合龍作業(yè)時，模塊結(jié)構(gòu)片與導(dǎo)管架總裝成片不僅涉及高空三維空間對接，而且涉及大尺寸導(dǎo)管與拉筋的高空組對焊接。導(dǎo)管中心線位置誤差須在±10 mm內(nèi)，拉筋在導(dǎo)管上的組對偏差須在±12 mm內(nèi)，套筒筒體中心位置誤差須在±12 mm內(nèi)。

為滿足結(jié)構(gòu)片吊裝合龍要求，以裙樁套筒為例進(jìn)行吊點布置(見圖8)，采用3臺750 t起重機(jī)(主扒桿為100 m，回轉(zhuǎn)半徑為20 m)，吊裝作業(yè)采取如下措施：(1)測量模塊結(jié)構(gòu)片的尺寸及其在導(dǎo)管架總裝成片上的預(yù)留位置，精度須滿足要求；(2)分別在模塊結(jié)構(gòu)片和導(dǎo)管架總裝成片的預(yù)組對位置進(jìn)行打點劃線，根據(jù)預(yù)組對位置模擬3臺起重機(jī)同步吊裝模塊結(jié)構(gòu)片的各自行走軌跡和操作流程，確保3臺起重機(jī)共同配合將模塊結(jié)構(gòu)片吊裝至預(yù)組對位置；(3)預(yù)組對滿足要求，進(jìn)行同步焊接(提前在預(yù)組對位置搭建風(fēng)雨棚，可容多位焊工進(jìn)行全方位焊接)，提高作業(yè)效率和焊接合格率；(4)焊接完成，對模塊結(jié)構(gòu)片的相對位置和導(dǎo)管架總裝成片的位置進(jìn)行測量。為確保模塊結(jié)構(gòu)片的吊裝合龍質(zhì)量和安全，結(jié)合模塊結(jié)構(gòu)片的吊裝方案，并考慮一定的安全系數(shù)，分別對吊裝作業(yè)時結(jié)構(gòu)片本身的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，以及吊點和吊繩的強(qiáng)度進(jìn)行核算分析，以確保結(jié)果滿足要求。

圖8 裙樁套筒吊點位置示例

3 應(yīng)用效果

導(dǎo)管架建造質(zhì)量：從材料驗收、構(gòu)件預(yù)制、構(gòu)件涂裝到模塊結(jié)構(gòu)片建造和導(dǎo)管架總裝，在整個建造過程中的焊接一次合格率>97%，整體完工驗收合格率為100%。

導(dǎo)管架建造周期：實際建造周期比計劃周期縮短約2%，實現(xiàn)縮減建造周期和降低建造成本的目標(biāo)。

導(dǎo)管架海上使用效果：導(dǎo)管架順利完成裝船、運輸和海上安裝作業(yè)，在上部組塊完成海上浮托對接后，對在百米水深海域的導(dǎo)管架整體進(jìn)行檢查，所有的檢查項目的合格率為100%。

4 結(jié) 語

對現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境條件進(jìn)行有效監(jiān)控是確保萬噸級導(dǎo)管架建造安全和質(zhì)量的前提。萬噸級導(dǎo)管架建造涉及的作業(yè)場地較多，且每個場地的作業(yè)環(huán)境條件各有不同，尤其是導(dǎo)管架總裝場地的作業(yè)較為復(fù)雜，其涉及的吊裝作業(yè)、高空作業(yè)、受限空間和射線作業(yè)等對相應(yīng)的環(huán)境條件要求高，一旦環(huán)境條件監(jiān)控不到位，作業(yè)會在超出允許的環(huán)境條件下進(jìn)行，將會給整個導(dǎo)管架建造安全和質(zhì)量帶來巨大風(fēng)險。

嚴(yán)格控制每道工序的尺寸是實現(xiàn)萬噸級導(dǎo)管架成功建造的關(guān)鍵。萬噸級導(dǎo)管架所涉及的構(gòu)件數(shù)量繁多，一旦某道工序的尺寸不滿足要求且未及時采取措施進(jìn)行調(diào)整，那么尺寸誤差將會逐步累積，以致超出尺寸控制范圍，這將對整個導(dǎo)管架的質(zhì)量造成不可預(yù)估的影響。