雙立管整體安裝技術(shù)研究與應(yīng)用

盧維強(qiáng)，段立志，崔寧，汪智峰，檀曉光

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518064）

0 引言

伴隨海洋油氣開(kāi)采技術(shù)的成熟及海洋油氣管線規(guī)劃等原因，現(xiàn)有管線常常不能滿足油田開(kāi)發(fā)需求。需在油田新增油氣管線，同時(shí)也需在導(dǎo)管架平臺(tái)上新增立管以連接海底管線和平臺(tái)管線。立管安裝通常包含立管管體與將管體固定在導(dǎo)管架上的管卡安裝，涉及立管吊裝、扶正、平臺(tái)作業(yè)和潛水員作業(yè)，其工藝相對(duì)復(fù)雜。

由于南海西部某油田整體開(kāi)發(fā)規(guī)劃原因，需在文昌某導(dǎo)管架平臺(tái)同時(shí)新增2根立管，導(dǎo)管架位置水深112.4 m。為節(jié)省開(kāi)發(fā)成本，采用一套管卡固定2根立管的設(shè)計(jì)方案，即在導(dǎo)管架樁腿上新增一套14個(gè)立管管卡，并將2根立管固定在該套管卡上，每套立管由3根立管分段組成，立管總長(zhǎng)129.5 m。由于該平臺(tái)導(dǎo)管架在前期設(shè)計(jì)時(shí)已考慮后期可能新增立管，在導(dǎo)管架樁腿上預(yù)留了一套法蘭盤(pán)。本項(xiàng)目立管管卡與導(dǎo)管架設(shè)計(jì)為法蘭螺栓連接（如圖1）。

圖1 南海某海洋石油平臺(tái)雙立管設(shè)計(jì)方案

常規(guī)的立管安裝方案是先單獨(dú)安裝每個(gè)管卡[2]，再進(jìn)行每根立管的分段安裝。該方法技術(shù)成熟，管卡和立管分段需單獨(dú)吊裝入水安裝[1]，但是作業(yè)工期較長(zhǎng)。針對(duì)該項(xiàng)目立管設(shè)計(jì)方案，為節(jié)省施工成本，項(xiàng)目采用雙立管整體安裝的方案。本文以此項(xiàng)目施工方案為例，介紹一種雙立管整體安裝技術(shù)，對(duì)雙立管整體安裝工藝及主要控制要點(diǎn)進(jìn)行描述。

1 施工工藝流程

此項(xiàng)目立管安裝采用雙立管分段攜帶對(duì)應(yīng)的管卡同時(shí)起吊、入水扶正并固定在導(dǎo)管架上的施工方案。采取從上至下的施工方案，該方案可以保證立管頂部懸掛法蘭和懸掛卡之間能夠緊密貼合，使立管整體受力在頂部懸掛卡上。雙立管整體的施工工藝流程如圖2所示。該安裝工藝的核心點(diǎn)是將管卡和雙立管分段在陸地完成組對(duì)，并且在海上進(jìn)行整體起吊扶正。潛水員下水一次性完成2根立管、管卡的同時(shí)固定。考慮飽和潛水員減壓時(shí)間比加壓時(shí)間長(zhǎng)，將立管的安裝順序設(shè)計(jì)為由上至下安裝。

圖2 雙立管整體施工工藝流程

2 吊裝方案與吊裝分析

雙立管吊裝方案需保證立管起吊后穩(wěn)定，同時(shí)需保證立管在扶正過(guò)程中不發(fā)生傾覆或側(cè)翻，也需保證立管管段不受損。吊裝方案是本工藝的核心與難點(diǎn)之一。為了保障立管扶正的動(dòng)態(tài)過(guò)程中的索具結(jié)構(gòu)姿態(tài)不發(fā)生改變或索具不產(chǎn)生單邊松弛等情況，吊裝索具采用了“雙腿-小雙腿”布置方案（如圖3）。

圖3 雙立管段和管卡組合結(jié)構(gòu)圖

對(duì)立管整體采取雙腿吊裝方案，在雙腿索具靠近管卡位置又分支為2個(gè)吊點(diǎn)（如圖3中截面B），該吊裝設(shè)計(jì)可有效保障雙立管組的穩(wěn)定性。該吊裝方案中，利用2個(gè)吊裝管卡進(jìn)行立管吊裝，主要是為了避免立管下水后，由于立管質(zhì)量的變化，導(dǎo)致“小雙腿”索具單側(cè)松弛。為了保證立管在扶正后與導(dǎo)管架上的法蘭盤(pán)正好貼合，管卡與立管組合之后與垂直面的角度需成45°（如圖3中截面C）。立管組預(yù)安裝扶正管卡（如圖4中截面A）主要用于后續(xù)工序中立管扶正，立管吊裝入水后，ROV將平臺(tái)絞車(chē)與該位置相連接。圖4所示為立管管卡、吊裝管卡和雙立管組對(duì)后的情況。

圖4 雙立管段和管卡組合結(jié)構(gòu)圖

為了檢驗(yàn)吊裝方案是否會(huì)損傷立管管體，采用Sacs軟件對(duì)立管進(jìn)行應(yīng)力分析。模型結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力分析結(jié)果具有較大影響，在制定吊裝計(jì)算分析方案時(shí)，研究了2種模型：桁架結(jié)構(gòu)模型和點(diǎn)載荷模型。

1）桁架結(jié)構(gòu)模型。將雙立管及管卡組合結(jié)構(gòu)視為桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，將管卡視為2根立管管體之間的剛性連接桿件（如圖5）。由于模型中，視為管卡將雙立管管體組合為桁架結(jié)構(gòu)，使立管的應(yīng)力更小、應(yīng)變更小，結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。如圖6所示，利用模型進(jìn)行運(yùn)算，最大UC值為0.583，滿足吊裝要求。

圖5 桁架結(jié)構(gòu)吊裝分析模型

圖6 桁架結(jié)構(gòu)吊裝分析結(jié)果

2）點(diǎn)載荷模型。將立管視為細(xì)長(zhǎng)桿，將管卡僅視為施加在立管上的重力載荷進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，忽略管卡對(duì)立管結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)功能。應(yīng)力計(jì)算分析中，施加在管體上的載荷主要分為2部分：管體自身重力和管卡、法蘭施加在管體上的點(diǎn)載荷。其模型如圖7所示。如圖8所示，利用模型進(jìn)行運(yùn)算，底部立管應(yīng)力最大，最大UC值為0.939，立管管體不存在受損風(fēng)險(xiǎn)，滿足吊裝要求。

圖7 點(diǎn)載荷吊裝分析模型

圖8 點(diǎn)載荷吊裝分析結(jié)果

2種結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果都表明該吊裝方案滿足立管應(yīng)力要求，不存在損傷管體的風(fēng)險(xiǎn)。第一種模型中，雙立管整體被視為桁架結(jié)構(gòu)，管卡對(duì)管體具有加強(qiáng)作用；第二種模型中，雙立管被視為2根不同的細(xì)長(zhǎng)桿件，管卡視為載荷點(diǎn)，增加管體受力。雖然，第一種建模結(jié)構(gòu)貼近于實(shí)際結(jié)構(gòu)，但是其結(jié)構(gòu)的受力被人為加強(qiáng)；第二種模型雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是其受力更為保守，得到的結(jié)果更保守。由于海上吊裝風(fēng)險(xiǎn)較大，在做吊裝計(jì)算時(shí)需要更為保守的方案，最終采用第二種結(jié)構(gòu)模型。

3 安裝過(guò)程分析

立管安裝過(guò)程是立管安裝中核心步驟。立管安裝過(guò)程分析包括2類：立管從運(yùn)輸船上起吊分析；立管扶正分析。

1）立管起吊分析。立管起吊分析主要分析安全的吊裝天氣窗口立管需要從運(yùn)輸船起吊，立管扶正動(dòng)態(tài)模擬分析也評(píng)估天氣對(duì)立管扶正的影響，獲得安全操作的天氣窗口。

不同方向的涌浪對(duì)于立管起吊過(guò)程影響不同，立管從運(yùn)輸船起吊及立管吊裝過(guò)水面均有不同影響。由于涌浪方向的不確定性，運(yùn)算分析中需進(jìn)行多角度的運(yùn)算模擬。圖9（a）模擬此項(xiàng)目的涌浪方向，共從8個(gè)典型涌浪方向進(jìn)行模擬。圖9（b）所示的玫瑰圖是計(jì)算分析獲得的立管扶正過(guò)程中的安全作業(yè)天氣窗口。玫瑰圖中表明，在該海域涌浪與船身為45°、90°和135°時(shí)，允許的作業(yè)海況要求涌浪小于0.5 m；涌浪與船身為180°時(shí)，允許作業(yè)的海況為3 m；其他方向時(shí)，海況要求涌浪小于1.0～1.5 m。綜合考慮船舶、吊機(jī)作業(yè)的安全性，最終選取涌浪小于1.5 m作為立管扶正的安全作業(yè)海況，并在作業(yè)過(guò)程中選擇合適的船位。

圖9 船舶受力模型和作業(yè)允許海況

2）立管扶正分析。立管需由平臺(tái)絞車(chē)和浮吊船吊機(jī)配合扶正，扶正過(guò)程中立管容易因受力導(dǎo)致塑性變形，因此，為了控制立管安裝風(fēng)險(xiǎn)，盡可能進(jìn)行立管的扶正分析，對(duì)立管由水平吊裝狀態(tài)緩慢轉(zhuǎn)換至垂直就位狀態(tài)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬分析。

本工程項(xiàng)目中，使用OrcaFlex軟件對(duì)立管進(jìn)行模擬計(jì)算分析，其運(yùn)算模型和扶正方案如圖10所示。首先，ROV將導(dǎo)管架平臺(tái)上的一臺(tái)絞車(chē)鋼絲繩與立管首端的扶正索具連接；接著，平臺(tái)絞車(chē)和浮吊船吊機(jī)協(xié)同收放，進(jìn)行扶正立管；最后，扶正之后，平臺(tái)下放第二臺(tái)絞車(chē)鋼絲繩入水連接在立管底部，解脫浮吊船吊機(jī)，利用2套絞車(chē)將立管臨時(shí)懸掛在導(dǎo)管架上。

圖10 扶正過(guò)程分析

立管扶正分析主要運(yùn)算立管扶正過(guò)程中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及力學(xué)性能分析，獲得立管扶正的安全操作步驟，并得知吊機(jī)和絞車(chē)在操作過(guò)程中的最大載荷，以此評(píng)估吊機(jī)能力及選型絞車(chē)。表1為中段立管扶正過(guò)程中的操作步驟及不同步驟時(shí)絞車(chē)與吊機(jī)受力情況。

表1 中段立管扶正操作流程與受力情況

4 工程應(yīng)用

此項(xiàng)目中，成功應(yīng)用雙立管整體安裝技術(shù)完成該項(xiàng)目的立管安裝工作。在項(xiàng)目工程實(shí)踐階段，主要需考慮以下幾個(gè)方面：

1）立管傳遞配合。立管傳遞需平臺(tái)絞車(chē)和工程船吊機(jī)相互配合完成。平臺(tái)絞車(chē)和立管之間的索具需由ROV水下連接，索具配置需重點(diǎn)考慮。立管傳遞過(guò)程的指揮由工程船控制，工作船的中控系統(tǒng)統(tǒng)一指揮船舶移動(dòng)、ROV作業(yè)、吊機(jī)操作及平臺(tái)的操作，并評(píng)判立管狀態(tài)，保障立管傳遞的安全性。

2）運(yùn)輸船需求。立管通常由專用運(yùn)輸船運(yùn)輸至油田現(xiàn)場(chǎng)。運(yùn)輸船的選擇主要考慮運(yùn)輸船甲板長(zhǎng)度、作業(yè)船長(zhǎng)海上靠泊經(jīng)驗(yàn)及DP等級(jí)。船長(zhǎng)的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)在運(yùn)輸船靠泊工程船時(shí)，起到了關(guān)鍵性作用。部分運(yùn)輸船具備DP系統(tǒng)，具備DP系統(tǒng)的運(yùn)輸船其靠泊性能更好，作業(yè)更安全，可優(yōu)先考慮。圖11為DSV從運(yùn)輸拖輪起吊立管。

圖11 DSV起吊雙立管組

3）潛水作業(yè)。雙立管整體安裝工程應(yīng)用中，潛水是核心的施工資源。需要飽和潛水和空氣潛水完成立管法蘭組對(duì)，并將立管管卡固定在導(dǎo)管架上。潛水作業(yè)對(duì)安裝成功起到至關(guān)重要的作用。工程實(shí)踐中，潛水作業(yè)主要考慮以下幾個(gè)內(nèi)容：a.飽和潛水與空氣潛水的工作界面。雙立管安裝中，空氣潛水和飽和潛水分別負(fù)責(zé)淺水區(qū)段和深水區(qū)段的立管緊固工作。根據(jù)潛水作業(yè)效率，在項(xiàng)目實(shí)踐中40 m以淺由空氣潛水負(fù)責(zé)，40 m以深由飽和潛水負(fù)責(zé)。b.潛水作業(yè)的工序。由于潛水員減壓時(shí)間遠(yuǎn)大于加壓時(shí)間，在本項(xiàng)目中采取由上至下的安裝順序，避免潛水員過(guò)多減壓造成減壓待機(jī)或工序待機(jī)。c.管卡與導(dǎo)管架法蘭盤(pán)對(duì)接方案。與常規(guī)方案相比，本方案先將立管組下放入水，需將管卡與導(dǎo)管架法蘭對(duì)接。為便于管卡與導(dǎo)管架法蘭盤(pán)對(duì)接，在管卡上安裝了管卡限位爪，立管扶正后，由限位爪捕捉法蘭盤(pán)（如圖12）。d.管卡調(diào)整和緊固方案。立管就位后，部分情況下管卡能夠正對(duì)導(dǎo)管架法蘭盤(pán)（如圖13（a））。但大部分情況下，管卡與法蘭盤(pán)之間可能存在錯(cuò)位情況（如圖13（b）），在管卡和導(dǎo)管架上預(yù)裝索具（如圖13），水下利用潛水員自身重力或者手扳葫蘆上下調(diào)整管卡位置（如圖13（c））。當(dāng)法蘭盤(pán)與管卡正對(duì)時(shí)，潛水員安裝并緊固螺栓（如圖13（d））。為便于管卡與法蘭盤(pán)螺栓安裝，原預(yù)裝的法蘭盤(pán)螺栓孔為月牙孔，管卡法蘭螺栓孔設(shè)計(jì)為長(zhǎng)孔，兩孔之間成“十”字形，可保證法蘭盤(pán)允許一定程度的左右偏移和軸向旋轉(zhuǎn)（如圖14）。e.立管分段間法蘭組對(duì)。對(duì)于中下段立管，需進(jìn)行立管分段間的法蘭組對(duì)。為了保證立管組對(duì)時(shí)的安全，同時(shí)為了便于法蘭組對(duì)，當(dāng)立管扶正、上下兩端的管卡固定、中間段的管卡未固定時(shí)，將立管整體提升，進(jìn)行立管分段間的法蘭組對(duì)。

圖12 管卡預(yù)裝限位爪與調(diào)整索具

圖13 管卡與導(dǎo)管架法蘭盤(pán)組對(duì)

圖14 管卡與導(dǎo)管架法蘭盤(pán)許用偏移和旋轉(zhuǎn)

4）水上懸掛管卡固定方案。水上管卡作為雙立管中其中一根立管的懸掛卡，管卡和法蘭盤(pán)的組對(duì)由甲板人員完成。本項(xiàng)目中，導(dǎo)管架預(yù)留法蘭盤(pán)支撐柱壁厚較小，受力不滿足立管懸掛要求，需切除后、焊接一個(gè)新的壁厚較厚的法蘭盤(pán)。由于立管扶正后，管卡和法蘭盤(pán)可能存在錯(cuò)位，本項(xiàng)目中采取先將立管就位后，測(cè)量立管法蘭盤(pán)實(shí)際焊接位置，再焊接法蘭盤(pán)，并組對(duì)管卡。圖15為立管水面上段立管扶正后狀態(tài)。

圖15 上段立管扶正后水上管卡狀態(tài)

5 方案對(duì)比

相對(duì)于傳統(tǒng)立管與管卡單獨(dú)安裝方案，雙立管整體方案可實(shí)現(xiàn)一次安裝2根立管，有效減少工期，具有較高的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。雙立管與管卡整體吊裝入水，可有效減少海上吊裝工作量，降低海上施工階段對(duì)天氣窗口的需求。對(duì)雙立管整體安裝方案與傳統(tǒng)方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 2種安裝方案對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

海上油氣管道建設(shè)中常常伴隨立管安裝工程，特別是淺水水域的油田增產(chǎn)或二次開(kāi)發(fā)中，常常需在現(xiàn)有導(dǎo)管架平臺(tái)上新增一套或多套剛性立管。立管安裝技術(shù)已相對(duì)成熟，如何更高效、更經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行工程建設(shè)是當(dāng)前面對(duì)的主要問(wèn)題。雙立管整體安裝方案是一種更經(jīng)濟(jì)的安裝方案，是一種經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐證實(shí)的可行方案，可應(yīng)用于類似的立管安裝工程，為相關(guān)的立管設(shè)計(jì)和安裝提供一種思路。雙立管安裝工藝相對(duì)復(fù)雜，其作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較高，在工程設(shè)計(jì)階段需重點(diǎn)關(guān)注吊裝設(shè)計(jì)和扶正分析；工程實(shí)踐階段需綜合評(píng)估作業(yè)配合、工效和風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。