基于雙鉤扶正技術(shù)的東方13-2導(dǎo)管架安裝

黃山田 魏佳廣 于文太 王浩宇 崔廣亮 劉 濤

（海洋石油工程股份有限公司）

中國的海洋工程安裝技術(shù)正在向更加高效、節(jié)能的方向發(fā)展，隨著淺海石油天然氣資源勘探開發(fā)日益枯竭，在國際市場低油價運行已成常態(tài)的環(huán)境下，努力大幅降低工程成本，提升經(jīng)濟效益，才能實現(xiàn)較深水油田的經(jīng)濟開發(fā)。我國南海具有豐富的油氣資源，有“第二個波斯灣”之稱，針對較深水導(dǎo)管架平臺的安裝加大技術(shù)創(chuàng)新力度、降低油田開發(fā)成本、開展較深水導(dǎo)管架安裝技術(shù)創(chuàng)新是較深水區(qū)塊所面臨的重要課題。

目前，國內(nèi)針對淺水區(qū)和較深水區(qū)域的常用樁基式導(dǎo)管架和水下裙樁式導(dǎo)管架大多采用立式吊裝下水、滑移下水及注水扶正（單鉤扶正）等單鉤輔助作業(yè)方式，這幾種導(dǎo)管架安裝方法在國內(nèi)均屬成熟技術(shù)［1］，并可達到國際領(lǐng)先水平，如荔灣3-1導(dǎo)管架的設(shè)計安裝。而在較深水導(dǎo)管架的單吊雙鉤扶正技術(shù)方面，國內(nèi)工程設(shè)計和施工技術(shù)匱乏，安裝資源能力不足，缺少工程施工經(jīng)驗，難以滿足雙鉤扶正技術(shù)需求，而在國外，此類安裝方法屬于成熟技術(shù)。因此，如何將較深水導(dǎo)管架安裝方式最優(yōu)化，深度體現(xiàn)降本增效，是較為迫切的問題。

筆者結(jié)合東方13-2 WHPA導(dǎo)管架實際工程項目，研究較深水導(dǎo)管架雙鉤扶正安裝的關(guān)鍵技術(shù)，解決雙鉤聯(lián)動吊重能力不足的難題。

1 項目簡介

東方13-2項目（圖1）主要包括1個重約1 755t的WHPA導(dǎo)管架，單樁重達370t的4根水下裙樁，施工海域水深62.3m。導(dǎo)管架規(guī)格為30.0m×26.0m×74.5m，標高+8.5m處尺寸為12m×12m，標高－62.3m處尺寸為25m×30m，設(shè)計采用藍鯨號單主鉤吊裝下水，單主鉤和副鉤雙鉤聯(lián)動作業(yè)完成導(dǎo)管架扶正就位。

圖1 東方13-2項目WHPA導(dǎo)管架模型

2 導(dǎo)管架雙鉤扶正技術(shù)的優(yōu)勢和難點

針對較深水導(dǎo)管架的設(shè)計特點，在較深水海域，受吊高等因素的影響，導(dǎo)管架直立建造的方式無法滿足海上吊裝作業(yè)要求，故采用臥式建造，在導(dǎo)管架浮力不足的情況下，無法采用注水扶正的方式完成就位，而雙鉤扶正的方式正好解決了該導(dǎo)管架的扶正就位問題。因?qū)Ч芗茌^重，受吊裝跨距影響，該導(dǎo)管架雙鉤扶正過程中需要提前將導(dǎo)管架放入水中，然后通過雙鉤聯(lián)動作業(yè)，在水下完成導(dǎo)管架的扶正作業(yè)。但導(dǎo)管架雙鉤施工有其不同于單鉤施工的技術(shù)難點與優(yōu)勢。

技術(shù)難點為：索具布置設(shè)計、施工復(fù)雜；掛扣、摘扣作業(yè)復(fù)雜；扶正過程設(shè)計復(fù)雜。

技術(shù)優(yōu)勢為：可解決導(dǎo)管架儲備浮力不足問題，突破了常規(guī)注水扶正導(dǎo)管架對剩余浮力要求高的制約［2］；節(jié)省鋼材。

導(dǎo)管架扶正方式（雙鉤扶正和單鉤注水扶正）對比如圖2所示。

圖2 導(dǎo)管架扶正方式對比

3 導(dǎo)管架雙鉤扶正安裝的關(guān)鍵技術(shù)

導(dǎo)管架雙鉤扶正技術(shù)是利用吊機扒桿的主鉤與副鉤同時作業(yè)，從而完成導(dǎo)管架扶正的新方法。不同于常規(guī)的單鉤扶正，雙鉤扶正對于小噸位導(dǎo)管架的設(shè)計具有較強優(yōu)勢，無需考慮導(dǎo)管架剩余浮力的要求，能節(jié)省大量鋼材，具有良好的經(jīng)濟性。

3.1 雙鉤聯(lián)動水中扶正安裝方案設(shè)計技術(shù)

單吊雙鉤扶正導(dǎo)管架施工程序為［3］：導(dǎo)管架單主鉤吊裝下水→單主鉤帶力旋轉(zhuǎn)90°→單主鉤保持帶力的同時副鉤掛扶正索具→單主鉤和副鉤雙鉤聯(lián)動扶正導(dǎo)管架→導(dǎo)管架座底就位，扶正完成。

雙鉤扶正作為浮吊輔助扶正的一種，將導(dǎo)管架平吊和扶正設(shè)計成連續(xù)過程，不用重新拆裝索具，直接在水中扶正。其優(yōu)勢在于避免了單鉤注水扶正導(dǎo)管架對穩(wěn)性和儲備浮力的苛刻要求，減小了導(dǎo)管架重量和規(guī)格尺寸，降低了導(dǎo)管架海上在位期間所受的環(huán)境荷載；又避免了考慮復(fù)雜的充水管線和艙室的設(shè)計，安裝時省去繁雜的充水步驟，使導(dǎo)管架的海上安裝變得簡單可行，既保證了安全又節(jié)省了昂貴的工程船舶費用。

導(dǎo)管架雙鉤聯(lián)動水中扶正安裝方案設(shè)計技術(shù)基于國內(nèi)船舶資源的特性，結(jié)合藍鯨雙鉤聯(lián)動載荷幅度關(guān)系（圖3）和單鉤不可斜拉特點，形成了單扒桿→雙主鉤→單副鉤的雙鉤聯(lián)動作業(yè)工藝。

圖3 雙鉤聯(lián)動載荷曲線

該工藝突破了導(dǎo)管架雙鉤扶正工藝設(shè)計難題，形成了一套供藍鯨船進行導(dǎo)管架雙鉤扶正工藝（圖4）的施工技術(shù)，可高質(zhì)量、高效率地完成施工，圖中紅色線條表示平吊索具。

圖4 雙鉤施工過程索具模擬

3.2 平吊、扶正索具的設(shè)計與預(yù)布置技術(shù)

考慮藍鯨號單扒桿雙鉤（單主鉤和副鉤）特性，需設(shè)計一個索具平臺，同時將平吊索具、扶正索具布置在一起，目的是使主鉤平吊導(dǎo)管架帶力的狀態(tài)下副鉤掛扶正索具，且考慮浮吊的副鉤不可斜拉的特點，便于適應(yīng)單扒桿雙鉤扶正作業(yè)的施工特性和掛扣操作。

3.2.1 平吊索具設(shè)計

導(dǎo)管架平吊索具的設(shè)計，既要考慮常規(guī)設(shè)計的索具起吊角度大于60°，又要考慮在導(dǎo)管架扶正后主鉤不能與導(dǎo)管架碰撞干涉（單鉤注水扶正導(dǎo)管架時，平吊索具在導(dǎo)管架吊裝下水后拆除，然后再掛扶正索具扶正導(dǎo)管架，屬于獨立操作），雙鉤扶正導(dǎo)管架需在導(dǎo)管架完成座底就位后再拆除平吊索具，屬于聯(lián)動操作，因此導(dǎo)管架平吊索具要設(shè)計得足夠長，保證導(dǎo)管架扶正后主鉤鉤頭在導(dǎo)管架最高點以上。東方13-2 WHPA導(dǎo)管架的平吊索具（圖5）設(shè)計規(guī)格分別為φ180mm×73.7m的索具兩根、φ210mm×65m的索具兩根。

圖5 東方13-2 WHPA導(dǎo)管架平吊索具

3.2.2 扶正索具設(shè)計

導(dǎo)管架平吊下水，單主鉤帶力旋轉(zhuǎn)90°后，在單主鉤繼續(xù)帶力保持的狀態(tài)下副鉤掛扶正索具，既要考慮導(dǎo)管架旋轉(zhuǎn)90°后副鉤掛扶正索具的可行性、掛扣和扶正過程中與平吊索具的干涉和可操作性，又要考慮將扶正索具琵琶頭預(yù)牽引布置在平吊索具平臺預(yù)設(shè)計位置，使之正好處于副鉤正下方，受副鉤不可斜拉的限制且便于操作掛扣。東方13-2 WHPA導(dǎo)管架的扶正索具（圖6）設(shè)計規(guī)格分別為φ132mm×65m的索具兩根、φ156mm×65m的索具兩根。

圖6 東方13-2 WHPA導(dǎo)管架扶正索具

3.2.3 索具預(yù)布置設(shè)計

由于環(huán)形索具具有直徑大、長度長等特點，且導(dǎo)管架桿件結(jié)構(gòu)較細，索具綁扎成為難題，項目組通過創(chuàng)新、優(yōu)化設(shè)計，有針對性地設(shè)計出一套長距離環(huán)形索具綁扎方案［4］，具體如圖7、8所示。

圖7 平吊索具、扶正索具布置設(shè)計

圖8 扶正索具牽引綁扎三維設(shè)計

3.3 多根輔助纜繩和安全牽引繩的設(shè)計與布置技術(shù)

導(dǎo)管架整個雙鉤扶正施工過程中，需要布置多條施工輔助纜繩；如何有序、合理、可靠且高效地預(yù)布置施工輔助纜繩，是項目設(shè)計的重中之重，也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系著導(dǎo)管架的安全吊裝，也影響著海上施工效率。尤其是導(dǎo)管架扶正后，4根大直徑最長平吊索具的牽引非常關(guān)鍵［5］。

在東方13-2項目WHPA導(dǎo)管架整個施工過程中，需要用到施工輔助纜繩共14條，主要包括：導(dǎo)管架平吊控制纜繩4條，單主鉤帶力旋轉(zhuǎn)90°控制纜繩3條，導(dǎo)管架扶正過程平吊索具安全牽引纜繩4條，導(dǎo)管架扶正后旋轉(zhuǎn)90°控制纜繩和座底就位控制纜繩3條。如此多的施工輔助纜繩，陸地有序布置綁扎、海上施工避免干涉、方便操作，是設(shè)計中的難點，也是關(guān)鍵點。施工輔助纜繩設(shè)計示意圖如圖9所示。

圖9 施工輔助纜繩設(shè)計示意圖

3.4 數(shù)值分析模擬技術(shù)

研究了較深水導(dǎo)管架雙鉤扶正的數(shù)值分析方法，利用MOSES軟件精確模擬船→導(dǎo)管架→海床的最小安全間隙，導(dǎo)管架→扒桿→吊索具的全過程動態(tài)安全間隙，實現(xiàn)了導(dǎo)管架雙鉤扶正過程的三維實時模擬設(shè)計（圖10）。

圖10 導(dǎo)管架雙鉤扶正過程數(shù)值分析

完成了導(dǎo)管架雙鉤扶正過程精細化設(shè)計，根據(jù)導(dǎo)管架扶正過程的各瞬時狀態(tài)，分析了主副鉤的張力載荷和吊高、主副鉤變幅鋼絲張開角、導(dǎo)管架的浮態(tài)和浮力、導(dǎo)管架橫縱傾角、水中狀態(tài)、吊機跨距及扒桿角度等系列參數(shù)，對精確控制導(dǎo)管架的扶正姿態(tài)尤為重要，可指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

精確分析了扶正過程雙鉤聯(lián)動工況的鉤頭力、浮態(tài)、跨距、吊高及沒水狀態(tài)等，模擬了船→導(dǎo)管架→海床的全過程動態(tài)安全間隙，實現(xiàn)了導(dǎo)管架雙鉤扶正過程的數(shù)值分析方法，能更有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工［6］。

4 導(dǎo)管架雙鉤扶正技術(shù)工程應(yīng)用

東方13-2項目WHPA導(dǎo)管架采用藍鯨單主鉤吊裝下水、單主鉤帶力旋轉(zhuǎn)90°，單主鉤和副鉤雙鉤聯(lián)動扶正的形式進行海上安裝，該工藝是公司首次設(shè)計并實施的新工藝新技術(shù)，存在一定的風(fēng)險和挑戰(zhàn)，本次導(dǎo)管架的順利下水就位標志著公司已獨立掌握導(dǎo)管架雙鉤扶正這一新技術(shù)。通過本項目的成功實施，掌握了百米水深2 000t級導(dǎo)管架雙鉤扶正海上安裝新技術(shù)。

結(jié)合國內(nèi)工程安裝船藍鯨號性能和東方13-2項目特點研發(fā)了較深水導(dǎo)管架水中雙鉤扶正的優(yōu)化改進方案和措施，提升了施工船舶的作業(yè)能力和海上施工效率。過程中需要注意以下幾點：

a.扶正過程充分考慮流速、流向?qū)?dǎo)管架扶正的影響；

b.在浮吊能力滿足要求的情況下，不用隔膜等浮力儲備；

c.考慮應(yīng)急方案，即注水工況和注水順序輔助扶正導(dǎo)管架；

d.由于雙鉤扶正導(dǎo)管架平吊卡環(huán)失效后摘扣困難，建議優(yōu)化吊點形式，設(shè)計成自動脫扣Trunnion形式，避免使用卡環(huán)。

5 結(jié)束語

東方13-2項目WHPA導(dǎo)管架采用藍鯨號單主鉤平吊入水、單主鉤帶力旋轉(zhuǎn)90°、單主鉤和副鉤雙鉤聯(lián)動并考慮借助導(dǎo)管架水中浮力的方式扶正導(dǎo)管架并就位，整個過程進行了數(shù)值分析和計算，其關(guān)鍵參數(shù)和數(shù)值模擬結(jié)果均滿足設(shè)計要求，完善了雙鉤扶正工藝流程，豐富了作業(yè)手段，取得了良好的應(yīng)用效果。

導(dǎo)管架雙鉤扶正技術(shù)因具有節(jié)省鋼材、無需考慮導(dǎo)管架儲備浮力、技術(shù)可行性及經(jīng)濟性等優(yōu)勢，故非常適合百米水深、單吊雙鉤的導(dǎo)管架安裝。雙鉤扶正導(dǎo)管架需要考慮浮吊船本身的雙鉤聯(lián)動作業(yè)工況，因此對其浮吊副鉤的作業(yè)能力要求比較高，結(jié)合國內(nèi)大型工程安裝船舶的特性，百米水深級的導(dǎo)管架采用雙鉤扶正具有較強的綜合優(yōu)勢，同時減小了依賴拖輪的需求。

基于上述研發(fā)的單吊雙鉤扶正導(dǎo)管架技術(shù)，實現(xiàn)了工程化，占領(lǐng)了國內(nèi)市場，替代了進口，打破了國外壟斷和技術(shù)封鎖，產(chǎn)生了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益，推動了我國大型深水導(dǎo)管架安裝技術(shù)的發(fā)展和進步，為下一步我國南海大開發(fā)和大力開拓國際市場打下堅實的基礎(chǔ)。未來公司將面對的是市場的國際化，必須盡快提高在未來海洋工程產(chǎn)業(yè)國際化競爭環(huán)境中持久的生存與發(fā)展能力，才能為今后的國際海洋石油開發(fā)工程積累實踐經(jīng)驗。