限制空間安裝膨脹彎的推薦方法

劉 朋，崔占明，于銀海，方龍盤，韓 劍，劉建峰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

海底管道是海上油氣輸送最高效、最安全的方式之一，根據(jù)輸送的介質(zhì)不同，海底管道可分為：注水管道、輸氣管道、油氣水混輸管道[1-2]。膨脹彎是海底管道的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)形式是具有一個(gè)或多個(gè)彎頭的管段，通過膨脹彎將平臺立管與水下平管連接，使整條海底管道貫通[3]。膨脹彎在外力作用下可以產(chǎn)生一定程度的變形，釋放海底管道平管因熱膨脹等因素產(chǎn)生的應(yīng)力，保障海底管道安全運(yùn)行。膨脹彎一般位于平臺的正下方，在油田開發(fā)的設(shè)計(jì)階段，考慮鉆井作業(yè)因素通常將膨脹彎路由設(shè)計(jì)在有飛機(jī)甲板或火炬臂一側(cè)，以便為鉆井船騰出操作空間。膨脹彎的重心有可能會與平臺結(jié)構(gòu)物如飛機(jī)甲板、火炬臂等有重疊，安裝膨脹彎時(shí)無法通過浮吊船直接吊裝到位。本文以渤海某油田開發(fā)工程項(xiàng)目為背景，詳細(xì)介紹兩種在限制空間安裝膨脹彎的方法。

1 工程概況

2020年渤海某油田新建兩條海底管道，分別為D 12 in（1in=25.4mm）輸氣管道和D 6/12 in混輸海底管道。安裝海底管道時(shí)組塊平臺已經(jīng)安裝，平臺東西兩側(cè)各有1艘鉆井船進(jìn)行鉆井作業(yè)。每條海底管道在平臺處分別設(shè)計(jì)2節(jié)膨脹彎，輸氣海底管道第一節(jié)膨脹彎位于平臺火炬臂下方，混輸海底管道第一節(jié)膨脹彎位于飛機(jī)甲板下方。2條海底管道的膨脹彎路由位置如圖1所示。

圖1 膨脹彎路由

由于飛機(jī)甲板和火炬臂的影響，兩條管道的第一節(jié)膨脹彎均無法由浮吊船直接吊裝到位，為此針對膨脹彎的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了2種安裝方法。

安裝混輸管道膨脹彎時(shí)，在膨脹彎上增加配重，將整體的重心調(diào)整到平臺飛機(jī)甲板外側(cè)，由浮吊船直接將膨脹彎吊裝到設(shè)計(jì)路由完成安裝。安裝輸氣管道膨脹彎前，在平臺導(dǎo)管架樁腿上布置導(dǎo)向，在遠(yuǎn)離平臺膨脹彎的另一端兩側(cè)布置配重塊安裝導(dǎo)向，膨脹彎吊裝下水后用浮袋將膨脹彎浮起至懸浮狀態(tài)，通過導(dǎo)向?qū)⑴蛎洀澱{(diào)整至設(shè)計(jì)路由完成安裝。膨脹彎參數(shù)見表1。

表1 膨脹彎參數(shù)

2 調(diào)整重心安裝

2.1 配重設(shè)置

D6/12 in混輸管道第一節(jié)膨脹彎位于平臺飛機(jī)甲板的下方，根據(jù)膨脹彎的尺寸和材質(zhì)屬性進(jìn)行三維建模，以彎頭為坐標(biāo)原點(diǎn)，計(jì)算出膨脹彎的重心坐標(biāo)為G（6 450 mm，2 150 mm）。在設(shè)計(jì)路由上膨脹彎的重心位于飛機(jī)甲板下方，距飛機(jī)甲板邊緣為1 864 mm。浮吊船吊裝膨脹彎時(shí)吊點(diǎn)位于膨脹彎重心的正上方，規(guī)范要求吊裝膨脹彎時(shí)鋼絲繩水平角度不大于60°，根據(jù)水深及吊裝要求選取吊高為30 m[4-5]。在膨脹彎的末端增加配重，使膨脹彎的重心從G點(diǎn)移動到G1點(diǎn)，位于飛機(jī)甲板外側(cè)，且與飛機(jī)甲板邊緣最小距離不小于1.5 m，如圖2所示。

圖2 膨脹彎重心相對飛機(jī)甲板位置

在膨脹彎上增加8 m H200×200×8×12型鋼和1 500 kg的配重塊，與膨脹彎之間用盲法蘭進(jìn)行間接。增加配重塊之后的整體重心G1坐標(biāo)為（11 926 mm，1 586 mm），總體重心在飛機(jī)甲板外側(cè)，與飛機(jī)甲板水平距離為1 629 mm，滿足吊裝條件，如圖3所示。膨脹彎與配重吊裝下水后，由潛水員完成立管測法蘭對接，將配重拆卸后吊裝出水。

圖3 膨脹彎配重示意

2.2 吊裝計(jì)算

膨脹彎增加配重后采用4根鋼絲繩總體吊裝，其中膨脹彎上裝配3根鋼絲繩，配重塊上裝配1根鋼絲繩，吊點(diǎn)位置坐標(biāo)為（11 926 mm，1 586 mm，30 000 mm）。

膨脹彎鋼絲繩裝配位置如圖4所示。

圖4 整體吊裝鋼絲繩裝配位置俯視

使用SCAS軟件對膨脹彎整體吊裝計(jì)算，4根鋼絲繩的拉力及長度如表2所示。

表2 荷載效應(yīng)因子和荷載組合

吊裝膨脹彎時(shí)對膨脹彎整體強(qiáng)度進(jìn)行屈曲校核。根據(jù)DNVGL-ST-F101《海底管道系統(tǒng)》規(guī)范把載荷分類為：功能載荷、環(huán)境載荷、偶然載荷和壓力荷載，按照最不利的荷載組合進(jìn)行計(jì)算，不同極限狀態(tài)下的荷載效應(yīng)因子和荷載組合如表3所示[6-7]。

表3 荷載效應(yīng)因子和荷載組合

荷載組合計(jì)算結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出膨脹彎及配重部分的UC值都小于1，膨脹彎的強(qiáng)度滿足計(jì)算要求。

表4 荷載組合計(jì)算結(jié)果

3 導(dǎo)向安裝

D12 in輸氣管道第一節(jié)膨脹彎的重心位于平臺火炬臂的邊緣，距火炬臂的垂直距離為0.187 m，吊裝膨脹彎時(shí)浮吊船的吊鉤距離平臺太近，無法直接吊裝到位，如圖5所示。采用水下導(dǎo)向調(diào)整的方法進(jìn)行安裝。根據(jù)膨脹彎的尺寸和材質(zhì)屬性進(jìn)行三維建模，以彎頭為坐標(biāo)原點(diǎn)，計(jì)算出膨脹彎的重心坐標(biāo)為G（4 517 mm，1 927 mm），如圖6所示。

圖5 膨脹彎重心與平臺火炬臂的相對位置

圖6 輸氣管道第一節(jié)膨脹彎配重重心

3.1 水下導(dǎo)向布置

布置水下導(dǎo)向時(shí)，用于調(diào)整膨脹彎位置的導(dǎo)向繩不宜過長或過短。水下導(dǎo)向的作用是膨脹彎入水后調(diào)整平移和旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)向繩過長時(shí)有可能與水下結(jié)構(gòu)物纏繞，水下能見度較低，不便于潛水員水下調(diào)整；導(dǎo)向繩過短時(shí)導(dǎo)向繩與膨脹彎的夾角過小，調(diào)整膨脹彎水下位置時(shí)的水平力過大。水下導(dǎo)向布置如圖7所示。

圖7 水下導(dǎo)向布置

在導(dǎo)管架底部中間節(jié)點(diǎn)上用扁平吊帶和3 t手扳葫蘆布置導(dǎo)向1，在導(dǎo)管架B2樁腿根部布置導(dǎo)向2，用于調(diào)整膨脹彎近平臺端的位置；在膨脹彎遠(yuǎn)平臺端設(shè)計(jì)路由的左右兩側(cè)海底各放置1個(gè)10 t配重塊，連接扁平吊帶和手扳葫蘆用于調(diào)整膨脹彎遠(yuǎn)平臺端的位置。導(dǎo)向1的可調(diào)長度為5～8 m，導(dǎo)向2～4的可調(diào)長度為3～6 m。

3.2 膨脹彎對接

為了便于調(diào)整膨脹彎的位置，吊裝下水前在膨脹彎上綁扎3個(gè)浮力為9.8 kN的浮袋，浮袋的浮力可以根據(jù)充氣量進(jìn)行調(diào)整，浮袋位置如圖8所示。

圖8 浮袋固定位置

吊裝下水對浮袋進(jìn)行充氣使膨脹彎處于懸浮狀態(tài)，便于調(diào)整膨脹彎的水下位置。膨脹彎兩端各綁扎一個(gè)USBL信標(biāo)，通過水上終端顯示其水下位置[8-9]。

膨脹彎吊裝下水后，通過USBL顯示的膨脹彎水下位置，將膨脹彎擺放在膨脹彎設(shè)計(jì)路由附近，保證吊裝膨脹彎的鋼絲繩與平臺火炬臂的距離大于1.5 m，將膨脹彎放置在海床上。潛水員將4個(gè)導(dǎo)向連接在膨脹彎上，對膨脹彎上的浮袋進(jìn)行充氣，使膨脹彎上浮至懸浮狀態(tài)。充氣的過程中浮吊船的吊機(jī)吊力逐漸減小，吊力趨近為0時(shí)停止充氣，潛水員檢查膨脹彎的狀態(tài)，膨脹彎處于一個(gè)水平面后摘掉吊機(jī)的吊扣，通過調(diào)整水下導(dǎo)向長度使膨脹彎移動至設(shè)計(jì)路由位置，膨脹彎吊裝入水位置如圖9所示。

圖9 膨脹彎吊裝入水位置

將導(dǎo)向3放長1.5 m、導(dǎo)向4放長0.5 m，收緊導(dǎo)向2使膨脹彎整體向斜下方移動，調(diào)整導(dǎo)向1使膨脹彎移動到設(shè)計(jì)位置，如圖10所示。安裝螺栓后將浮袋、導(dǎo)向拆卸，擰緊螺栓完成法蘭對接，將水下的導(dǎo)向、浮袋及配重塊回收。

圖10 膨脹彎調(diào)整到位

4 兩種方法對比

調(diào)整重心法和導(dǎo)向調(diào)節(jié)法均能夠在限制空間安裝膨脹彎，但兩種方法區(qū)別如下：

（1）調(diào)整重心法通過增加配重，可較大程度上調(diào)整膨脹彎的整體重心，但需要進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，對于較大尺寸的膨脹彎增加配重后不便于吊裝。

（2）導(dǎo)向調(diào)節(jié)法適用于所有限制空間位置的膨脹彎安裝，但是調(diào)整位置較遠(yuǎn)時(shí)，調(diào)整時(shí)間過長導(dǎo)致施工成本增加。

（3）可以根據(jù)膨脹彎重心與平臺結(jié)構(gòu)物的相對位置選擇不同的安裝方法，膨脹彎重心與平臺結(jié)構(gòu)物重疊較多并且能通過強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，優(yōu)先選用調(diào)整重心法；膨脹彎重心與平臺結(jié)構(gòu)物重疊較少時(shí)，優(yōu)先選用導(dǎo)向調(diào)節(jié)法。

5 結(jié)束語

以渤海某油田工程項(xiàng)目為例，介紹兩種在限制空間安裝膨脹彎的方法并得到成功應(yīng)用，其中膨脹彎重心與平臺結(jié)構(gòu)物重疊較多時(shí)采用調(diào)整重心法，通過增加配重調(diào)整重心外移，可利用浮吊船直接吊裝到位進(jìn)行膨脹彎法蘭對接工作；膨脹彎重心與平臺結(jié)構(gòu)物重疊較少時(shí)，在水下布置導(dǎo)向，先將膨脹彎吊裝下水后通過水下導(dǎo)向調(diào)整膨脹彎位置，完成膨脹彎法蘭對接工作。