深水剛性跨接管建造的尺寸控制方法

宋國(guó)輝 王永偉 張士艦 楊子龍 秦野 沙耀華

（海洋石油工程股份有限公司,天津,300452）

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)南海開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的深入進(jìn)行，深水海域海洋工程油氣資源的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目正在逐步開(kāi)展,跨接管是連接水下管匯、海底管線終端、采油樹(shù)等的橋梁，因其結(jié)構(gòu)柔性和安裝便捷性,是深水水下管匯連接的常用選擇方案[1]?？缃庸馨惭b時(shí)需要大型浮吊船、水下機(jī)器人、高精度定位設(shè)備等的配合作業(yè)，海上深水作業(yè)成本非常高，因此，跨接管建造尺寸控制非常關(guān)鍵。

跨接管按其材料可分為剛性跨接管和柔性跨接管；按其形狀可分為M型、倒U型、水平跨接管，可根據(jù)水下系統(tǒng)的具體情況選擇相應(yīng)的跨接管形式[2]。本文以正在開(kāi)發(fā)的南海陵水氣田項(xiàng)目為例，介紹了剛性M型跨接管陸地建造中尺寸控制的方法與要點(diǎn)，通過(guò)應(yīng)用現(xiàn)代的測(cè)量?jī)x器與技術(shù)，根據(jù)跨接管建造的特點(diǎn)，分別對(duì)工裝基座的傾度、定位測(cè)量，以及跨接管預(yù)制和總裝各階段的尺寸控制。希望能為后續(xù)類似的工程項(xiàng)目提供參考。

1 跨接管測(cè)量的邏輯與流程

水下管匯模塊、海底管線管終端上設(shè)計(jì)有連接跨接管的基座，基座上部為法蘭，待模塊、海管終端在海底安裝固定完畢，通過(guò)應(yīng)用長(zhǎng)基線、水下ROV機(jī)器人、姿態(tài)儀、壓力傳感器等水下精密定位設(shè)備與技術(shù)，測(cè)量出兩基座法蘭面之間的高差、法蘭中心間距離，以及每個(gè)法蘭端面相對(duì)兩基座中心連線的傾度，做出設(shè)計(jì)圖紙，作為陸地剛性跨接管建造的理論數(shù)據(jù)。跨接管建造過(guò)程中允許制造公差應(yīng)滿足：焊縫角度公差公差≤±1°；預(yù)制部件尺寸公差≤±4mm；水平度尺寸公差≤3mm，制造公差會(huì)導(dǎo)致在安裝時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)制位置載荷[2]。其陸地測(cè)量流程如圖1所示。

圖1 跨接管測(cè)量流程圖

2 工裝基座與支架的測(cè)量?jī)?nèi)容與方法

2.1 工裝基座傾度測(cè)量

由于海底地表不平，造成基座存在傾度,可利用工裝支架上螺栓調(diào)節(jié)工裝基座傾度。前后傾（PITCH）和 左右傾（ROLL） 的測(cè)量可采用法向量法計(jì)算傾度，因?yàn)榛头ㄌm為精密加工，其同心度精度非常高，其法蘭面的法向量與圓柱軸心線平行，法向量的傾度也就是基座的傾度。在法蘭上端面上測(cè)量6個(gè)點(diǎn)，通過(guò)軟件計(jì)算出Pitch和Roll向夾角，基座傾度控制如圖2 所示。

圖2 基座傾度控制示意圖

2.2 工裝基座與支架定位測(cè)量

利用法蘭上的中心孔，在地面上返出中心線，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙尺寸，應(yīng)用全站儀實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)晒ぱb基座中心孔數(shù)據(jù)，可將工裝基座調(diào)整至理論的尺寸和高度。工裝基座定位控制如圖3所示。

圖3 工裝定位控制示意圖

根據(jù)測(cè)量值，SDU 側(cè)支架限位到HUB FACE的高度5732mm，A向ROLL偏移為1.34°，應(yīng)用三角函數(shù)很容易計(jì)算出支架限位中心與中心線偏移值為134mm,然后應(yīng)用基準(zhǔn)線法測(cè)定水平位移[3]，利用全站儀將支架放樣位到合適位置，測(cè)量如圖4所示。工裝基座調(diào)整完成后，需對(duì)工裝基座進(jìn)行最終測(cè)量，已驗(yàn)證基座的各個(gè)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)圖紙及標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 支架偏移控制示意圖

3 跨接管測(cè)量?jī)?nèi)容及方法

3.1 預(yù)制階段測(cè)量

跨接管由彎管、直管、連接器組成，一般在車間分四段預(yù)制，兩個(gè)U型管段、兩個(gè)中央直管段，分段預(yù)制測(cè)量包括：彎管角度、尺寸、水平、連接器扭矩接口角度測(cè)量。如圖5、圖6所示。

圖5 “U”型管段控制示意圖

圖6 中央直管段控制示意圖

為了保證測(cè)量點(diǎn)的準(zhǔn)確性，需要在預(yù)制階段在跨接管調(diào)至水平狀態(tài)后，再進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)的標(biāo)記，應(yīng)用水平尺和角尺將測(cè)量點(diǎn)標(biāo)識(shí)到管線水平放置的最高點(diǎn)，以及最高點(diǎn)內(nèi)側(cè)管線90°方向上，并用反射片做好標(biāo)識(shí)。

深水跨接管在水下安裝時(shí)，采用ROV水下機(jī)器人機(jī)械臂進(jìn)行螺栓緊固，扭矩工具接口與跨接管的角度應(yīng)滿足機(jī)械臂能夠在水下作業(yè)時(shí)不受遮擋，跨接管調(diào)整至水平狀態(tài)后，測(cè)量最高點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算軟件計(jì)算出角度值。連接器扭矩工具接口角度測(cè)量如圖7所示。

圖7 連接器扭矩工具接口控制示意圖

3.2 總裝階段測(cè)量

跨接管組件預(yù)制完成后，緩慢吊裝至工裝基座上，通過(guò)三道現(xiàn)場(chǎng)口（FW）進(jìn)行總裝對(duì)接。總裝對(duì)接測(cè)量包括：連接器傾度、現(xiàn)場(chǎng)口管線切除余量、現(xiàn)場(chǎng)口角度、HUB FACE 尺寸及高差、平管高差等尺寸測(cè)量。

海底管匯、管道終端Hub等水下生產(chǎn)設(shè)施的PITCH和ROLL方向建造誤差會(huì)影響最終安裝位置[4]，連接器傾度需要與工裝基座傾度一致，連接器為精密加工，上端面為法蘭平面，可采用向量法進(jìn)行傾度測(cè)量。連接器傾度測(cè)量見(jiàn)圖8。

圖8 連接器傾度示意圖

跨接管預(yù)制時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)口（FW)位置各管端都留有切割余量，在總裝對(duì)接時(shí)需根據(jù)理尺寸進(jìn)行切除，如圖9,需要對(duì)總裝整體尺寸進(jìn)行測(cè)量。

圖9 跨接管總裝測(cè)量示意圖

管線需要進(jìn)行通球測(cè)試，以保證球閥內(nèi)順利通過(guò)管徑，如圖10，需要測(cè)量控制對(duì)接口角度。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)口角度測(cè)量示意圖

另外，需要注意跨接管在總裝的組對(duì)后和焊接完成后，都需要對(duì)所涉及的尺寸和角度進(jìn)行測(cè)量，已保證其各項(xiàng)參數(shù)滿足圖紙和公差要求。

4 測(cè)量控制要點(diǎn)

4.1 溫度和光照對(duì)管件尺寸的影響

因溫度變化會(huì)造成管件發(fā)生熱脹冷縮效應(yīng)，從而對(duì)其長(zhǎng)度和角度測(cè)量產(chǎn)生影響。根據(jù)文獻(xiàn)[5],一根圓管在溫差較大的夏天測(cè)量時(shí)，清晨和下午長(zhǎng)度變化達(dá)到13mm。國(guó)外項(xiàng)目涉及鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量會(huì)規(guī)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度，一般為20℃，在建造過(guò)程中所有結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)換算成20℃溫度下值，這樣可以最大限度減少溫度對(duì)管件測(cè)量的影響。

其經(jīng)驗(yàn)公式為[6]：L=L0+φ×L0×Δt，碳鋼系數(shù)采用0.000012。

在露天環(huán)境下對(duì)鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量時(shí)，應(yīng)注意光照對(duì)結(jié)構(gòu)直線度影響。在測(cè)量過(guò)程中，管線關(guān)照面和背光面的溫度會(huì)有明顯差別，從而導(dǎo)致管件發(fā)生彎曲效應(yīng)[7]，因此，在跨接管露天總裝測(cè)量角度時(shí)，因盡可能在早晨或陰天時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

4.2 測(cè)量點(diǎn)選擇對(duì)管件尺寸的影響

如圖11，預(yù)制階段我們?cè)诠芫€最高點(diǎn)和內(nèi)側(cè)管線90°方向上返了兩個(gè)測(cè)量點(diǎn),在水平、高差、豎直角度測(cè)量時(shí)應(yīng)用90°最高點(diǎn)P1，在水平尺寸、水平角度測(cè)量時(shí)需選擇0°方向上點(diǎn)P4。因?yàn)?，返點(diǎn)時(shí)存在人為的偶然誤差L1和H2，根據(jù)測(cè)量學(xué)中水準(zhǔn)面曲率對(duì)距離測(cè)量的影響[8]，可知對(duì)測(cè)量時(shí)產(chǎn)生尺寸ΔH、ΔL影響。

圖11 測(cè)量點(diǎn)選擇造成誤差示意圖

由運(yùn)算計(jì)算可得，

設(shè)，返點(diǎn)造成誤差L 1=H 2=2 m m 時(shí)，對(duì)于1 0 英寸管線，R=1 3 6.5 m m,計(jì)算得，ΔH=ΔL=0.015mm；對(duì)于20英寸管線，R=254mm,計(jì)算得，ΔH=ΔL=0.008mm。

當(dāng)R變大時(shí)，ΔH、ΔL隨之變小，即，管徑越大，返點(diǎn)造成的誤差越小。

也就是，由于返點(diǎn)錯(cuò)誤，將P1點(diǎn)誤返至P2，P4點(diǎn)誤返至P3。若水平尺寸采用90°最高點(diǎn)P2測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)，造成返點(diǎn)誤差L1=2mm,管線兩側(cè)誤差累加為2*L1=4mm，那么測(cè)量整體長(zhǎng)度時(shí)造成4mm誤差。若采用0°方向內(nèi)測(cè)點(diǎn)P3，加上管線直徑測(cè)量，僅造成2*ΔL=0.03mm誤差，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)要求≤4mm公差要求，可忽略不計(jì)。

表1 返點(diǎn)誤差對(duì)角度測(cè)量影響 單位：mm

由此可知，水平角度Δα測(cè)量選擇0°方向點(diǎn)時(shí)，對(duì)結(jié)果幾乎無(wú)影響。同理，測(cè)量豎直方向角，應(yīng)選擇90°方向點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

多年來(lái)，剛性M型跨接管深水定位測(cè)量、陸地建造測(cè)量、安裝定位測(cè)量核心技術(shù)一直掌握在國(guó)外測(cè)繪公司，以至于花費(fèi)高額費(fèi)用邀請(qǐng)國(guó)外團(tuán)隊(duì)進(jìn)行測(cè)量測(cè)繪作業(yè) 。我們結(jié)合自身對(duì)海洋鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)積累，設(shè)計(jì)了一套適用于跨接管建造的測(cè)量方案，實(shí)現(xiàn)在剛性跨接管陸地建造測(cè)量技術(shù)的突破。

本文總結(jié)了剛性M型跨接管建造過(guò)程中的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)和要點(diǎn)，在建造前需要測(cè)量工裝基座模擬海底管線終端和水下管匯的狀態(tài)，基座測(cè)量時(shí)應(yīng)用法向量法代替測(cè)量圓柱中心線法測(cè)量?jī)A度，大大提高了基座調(diào)整工作效率；分析了測(cè)量點(diǎn)的選擇，減少了返點(diǎn)誤差對(duì)角度和尺寸測(cè)量的影響；注意溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式將測(cè)量尺寸換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度下值，同時(shí)注意光照對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，選擇在早上、傍晚或陰天時(shí)候進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)測(cè)量已減小誤差。本文所涉及的測(cè)量方法同樣適用于倒U型和水平跨接管等建造的尺寸控制。