導(dǎo)管架平臺(tái)立管后安裝方法及穿越安裝模擬分析

方霖， 張偉， 高磊， 段立志， 劉文

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518054）

0 引言

我國(guó)目前的海洋油氣開(kāi)發(fā)還主要集中于中淺水深，導(dǎo)管架平臺(tái)應(yīng)用廣泛。隨著海洋石油業(yè)的發(fā)展和油氣開(kāi)采力度的增加，不斷有新建平臺(tái)安裝到海上，這些新安裝的平臺(tái)周邊往往存在已投入運(yùn)行的既有平臺(tái)。為節(jié)約成本，提高油氣開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性，很多新建平臺(tái)采用海底管道將生產(chǎn)出的油氣輸送到既有平臺(tái)上，以利用既有平臺(tái)上的油氣處理和集輸系統(tǒng)。海底管道連接過(guò)程中，就需要在既有平臺(tái)上安裝剛性立管，稱之為“后安裝”[1-2]。

按安裝原理，立管后安裝分為立管、管卡分開(kāi)安裝及立管、管卡一體式安裝兩種方法[3]。按照安裝位置不同，后安裝立管可全部安裝外掛在導(dǎo)管架外側(cè)，或立管下部安裝外掛于導(dǎo)管架外側(cè)而頂部安裝內(nèi)掛安裝在導(dǎo)管架內(nèi)側(cè)。當(dāng)采取立管下部安裝外掛于導(dǎo)管架外側(cè)而頂部安裝內(nèi)掛在導(dǎo)管架內(nèi)側(cè)時(shí)，立管頂部安裝涉及穿越平臺(tái)導(dǎo)管架作業(yè)。

國(guó)內(nèi)導(dǎo)管架平臺(tái)立管后安裝技術(shù)應(yīng)用已有10 a以上的歷史，傳統(tǒng)方法采用浮袋配合潛水作業(yè)實(shí)現(xiàn)，近10 a受益于技術(shù)突破，逐漸發(fā)展出采用DP船機(jī)潛水作業(yè)的方式，而國(guó)內(nèi)后安裝法安裝模擬分析技術(shù)近年才發(fā)展成熟，可供參考的文獻(xiàn)資源較少[4-5]。國(guó)內(nèi)一工程項(xiàng)目涉及到立管后安裝作業(yè)，且立管頂部需穿越平臺(tái)導(dǎo)管架安裝內(nèi)掛在導(dǎo)管架內(nèi)側(cè)。該立管尺寸較大，安裝位置周?chē)Y(jié)構(gòu)多，作業(yè)空間小，具有較大的作業(yè)難度和風(fēng)險(xiǎn)。該立管安裝方案制定中，進(jìn)行了大尺寸立管穿越后安裝過(guò)程的模擬仿真，確定受力信息及作業(yè)海況，選取立管安裝所需設(shè)備及工索機(jī)具。

1 立管參數(shù)及安裝方法

1.1 立管參數(shù)

立管為大尺寸立管，由4個(gè)分段組成，圖1為安裝就位后的示意圖。頂部立管分段通過(guò)飛濺區(qū)，為雙層管結(jié)構(gòu)，下面的3個(gè)分段均位于水面以下，為單層管結(jié)構(gòu)。立管外徑最小為0.559 m，其中，頂部立管分段，內(nèi)管外徑為0.559 m，外管外徑達(dá)到0.660 m，尺寸更大。立管分段的長(zhǎng)度在16～36 m之間，頂部立管分段最短為16.713 m，相對(duì)于作業(yè)空間而言，長(zhǎng)度較長(zhǎng)。立管各分段尺寸及質(zhì)量信息如表1所示。

圖1 立管安裝設(shè)計(jì)示意圖

1.2 立管分段安裝流程

表1 立管尺寸及質(zhì)量

由于平臺(tái)附近水深及平臺(tái)自身結(jié)構(gòu)的原因，第1、第2號(hào)立管分段在陸地制造完成后，運(yùn)到安裝地點(diǎn)進(jìn)行海上安裝。第3、第4號(hào)立管分段則在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝位置調(diào)查后進(jìn)行制造。立管分段安裝的流程如圖2所示。

1.3 絞車(chē)平臺(tái)布置

圖2 立管分段安裝的流程圖

絞車(chē)是立管安裝不可缺少的重要設(shè)備。所有立管分段的安裝都需要用到絞車(chē)，并需安裝若干滑輪對(duì)絞車(chē)鋼絲繩進(jìn)行導(dǎo)向。其中第4號(hào)立管分段的安裝需要在平臺(tái)安裝兩臺(tái)絞車(chē)，兩臺(tái)絞車(chē)中，許用安全載荷有所差異，其中許用安全載荷較大的絞車(chē)作為主絞車(chē)，用以提拉立管分段。另一臺(tái)絞車(chē)作為輔助絞車(chē)，用于輔助主絞車(chē)將立管調(diào)整至安裝位置。由于平臺(tái)內(nèi)部空間通常有限，絞車(chē)的選用和布置均會(huì)受到一定影響。絞車(chē)在平臺(tái)上的位置如圖3所示。

圖3 絞車(chē)平臺(tái)布置

1.4 立管分段傳遞安裝

如1.2 節(jié)中立管安裝流程圖所示，所有立管分段的安裝都離不開(kāi)作業(yè)船吊機(jī)與平臺(tái)絞車(chē)的配合。平臺(tái)吊機(jī)通過(guò)索具與立管分段連接，可以承受立管分段質(zhì)量并能使立管保持平衡狀態(tài)，立管分段上端與平臺(tái)絞車(chē)相連。在起始階段，作業(yè)船吊機(jī)將立管吊起下放入水至設(shè)計(jì)深度，平臺(tái)絞車(chē)輸出鋼絲繩進(jìn)行跟隨。然后，絞車(chē)不再輸出鋼絲繩，吊機(jī)繼續(xù)下放立管，立管載荷逐漸轉(zhuǎn)移到平臺(tái)絞車(chē)上。平臺(tái)絞車(chē)提拉或下放立管分段，作業(yè)船吊機(jī)配合，調(diào)整立管分段進(jìn)入預(yù)先安裝在導(dǎo)管架上的立管管卡內(nèi)。

圖4 作業(yè)船吊機(jī)傳遞立管分段至平臺(tái)絞車(chē)

1.5 立管分段固定與連接

立管分段采用作業(yè)船吊機(jī)和平臺(tái)絞車(chē)配合就位后，需要進(jìn)一步調(diào)整立管與導(dǎo)管架上支撐立管的管卡間的相對(duì)位置，這項(xiàng)工作由飽和潛水作業(yè)或空氣潛水作業(yè)完成。調(diào)整好后，通過(guò)潛水作業(yè)對(duì)立管管卡進(jìn)行管卡關(guān)閉和管卡螺栓張緊，達(dá)到立管分段固定的目的。立管分段之間的連接也需要潛水作業(yè)支持。

圖5 立管分段位置調(diào)整及固定在導(dǎo)管架管卡施工細(xì)節(jié)

1.6 頂部立管分段穿越安裝

頂部立管分段安裝過(guò)程主要分為立管分段吊裝下水、立管分段傳遞、立管分段穿越、立管分段下放安裝。立管分段傳遞之前，分別通過(guò)索具與作業(yè)船吊機(jī)連接、與平臺(tái)上2臺(tái)絞車(chē)連接。吊機(jī)連接的索具在立管分段上有2個(gè)吊點(diǎn)，立管分段在質(zhì)量完全由吊機(jī)單獨(dú)承擔(dān)下可保持平衡狀態(tài)。2臺(tái)絞車(chē)在立管分段上的連接點(diǎn)分別位于立管兩端。由于平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間有限，且立管穿越導(dǎo)管架過(guò)程在水面以上，立管分段運(yùn)動(dòng)幅度容易過(guò)大，還需對(duì)立管分段連接穩(wěn)繩。完成立管分段傳遞后，立管質(zhì)量由絞車(chē)承擔(dān)，解除作業(yè)船吊機(jī)索具。立管分段穿越過(guò)程通過(guò)平臺(tái)上兩臺(tái)吊機(jī)完成，目的在于將整個(gè)立管分段穿越導(dǎo)管架，完全進(jìn)入平臺(tái)下方空曠區(qū)域，完成時(shí)立管分段呈垂直狀態(tài)，僅一臺(tái)絞車(chē)受力。立管分段穿越過(guò)程完成后，需要對(duì)絞車(chē)鋼絲繩連接點(diǎn)及絞車(chē)鋼絲繩路由進(jìn)行調(diào)整，主絞車(chē)在立管上的連接點(diǎn)調(diào)整為與輔助絞車(chē)同一位置，通過(guò)2臺(tái)絞車(chē)的配合將立管轉(zhuǎn)移至安裝位置下放安裝。

圖6 頂部立管分段穿越過(guò)程示意圖

2 立管穿越安裝分析

基于Orcafelx軟件，對(duì)立管各分段的安裝均進(jìn)行了模擬計(jì)算分析。頂部立管分段，具備其他3段立管分段安裝的特點(diǎn)，因涉及穿越導(dǎo)管架，風(fēng)險(xiǎn)性較高，操作難度大，更具代表性。對(duì)頂部立管分段安裝過(guò)程作模擬計(jì)算，得出立管分段安裝中受力信息和適宜作業(yè)的海況要求。

2.1 環(huán)境參數(shù)

模擬計(jì)算中，考慮的環(huán)境因素有水深、波浪、海流、風(fēng)等，如表2所示。

表2 環(huán)境參數(shù)

2.2 計(jì)算模型

模擬過(guò)程劃分為6個(gè)階段，對(duì)6個(gè)階段建模，6個(gè)階段描述如表3所示，各階段初始時(shí)刻模型如圖6所示。圖6模型中，待安裝立管分段及已安裝分段突出顯示為粗線，需要說(shuō)明的是，圖6（b）中額外有一根突出顯示的粗線為一電纜護(hù)管，而在其他圖中顯示為細(xì)線，以便于區(qū)分立管、導(dǎo)管架、護(hù)管。

表3 模擬過(guò)程階段劃分

圖6 立管分段穿越模擬分析模擬

模擬仿真中，作業(yè)船吊機(jī)、平臺(tái)絞車(chē)均采用絞車(chē)模型。Orcaflex軟件中，絞車(chē)模型具有剛度屬性，可定義鋼絲繩定常輸出速度，預(yù)報(bào)受力信息，模擬中定義以0.5 m/s的速度輸出或回收鋼絲繩。船舶采用船舶模型，通過(guò)導(dǎo)入船舶RAOs，可以模擬船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)波浪中穿越施工的動(dòng)態(tài)模擬，進(jìn)而確定適宜作業(yè)的天氣窗口和立管、絞車(chē)、設(shè)備等工機(jī)具的受力信息[6]。

2.3 計(jì)算結(jié)果

對(duì)頂部立管分段的安裝過(guò)程各個(gè)階段模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，如表4所示。從表4中可以看出，在1.5～2.5 m波高內(nèi)，吊機(jī)作業(yè)船吊機(jī)最大受力為21.6 t, 在吊機(jī)能力以內(nèi)。吊機(jī)連接立管的索具，最大受力為15.5 t。受平臺(tái)空間限制，擬選用的絞車(chē)中有許用載荷為20、16 t兩種規(guī)格。主絞車(chē)選用20 t絞車(chē)，適宜作業(yè)海況的波浪有義波高達(dá)到1.5 m；輔助絞車(chē)選用16 t絞車(chē)，適宜作業(yè)海況的有義波高能達(dá)到2 m。結(jié)合絞車(chē)受力及對(duì)作業(yè)海況的要求，可確定連接吊機(jī)和立管分段、絞車(chē)和立管分段的索具規(guī)格，均應(yīng)不小于作業(yè)海況下索連接設(shè)備的受力。

表4 立管穿越模擬計(jì)算結(jié)果t

3 結(jié)論

立管后安裝具有較大的風(fēng)險(xiǎn)性，主要體現(xiàn)在立管后安裝涉及到作業(yè)船與平臺(tái)之間的長(zhǎng)時(shí)間的近距離配合作業(yè)。立管后安裝主要包括立管分段吊裝入水、立管分段傳遞、立管分段安裝固定連接等過(guò)程。在立管分段固定及連接過(guò)程中，還涉及飽和潛水作業(yè)或空氣潛水作業(yè)?；诤蟀惭b導(dǎo)管架平臺(tái)的特點(diǎn)，頂部立管需要安裝在平臺(tái)倒管架內(nèi)部，就涉及到立管分段穿越導(dǎo)管架平臺(tái)作業(yè)，風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加。通過(guò)安裝模擬計(jì)算分析，得出立管分段安裝中受力信息和適宜作業(yè)的海況要求，選取立管安裝所需設(shè)備及工索機(jī)具，可對(duì)立管海上安裝提供參考與指導(dǎo)。