香港海域大尺寸整體立管安裝技術(shù)方案實(shí)施

戶(hù)凱,李建楠,洪帥,譚博,劉凱,李振海

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

整體立管是采用焊接的方式將海洋平臺(tái)立管和膨脹彎預(yù)制成的整體[1]。整體立管與平管和平臺(tái)工藝管線連接也采用焊接的形式,從而可避免使用法蘭連接帶來(lái)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。立管和膨脹彎單獨(dú)安裝時(shí),立管和膨脹彎采用法蘭連接的方式,立管可提前預(yù)安裝到導(dǎo)管架上或者采用后安裝的方式,膨脹彎再與之連接[2]。相比于立管和膨脹彎單獨(dú)安裝,整體立管由于尺寸較大,海上安裝時(shí)整體立管測(cè)量、預(yù)制、舷側(cè)海管組對(duì)等技術(shù)難度較大。整體立管安裝時(shí)必須精準(zhǔn)地安裝到導(dǎo)管架上立管管卡內(nèi),并保證管卡能夠順利關(guān)閉,安裝精度要求較高。針對(duì)香港海域某新建海上液化天然氣接收站項(xiàng)目中所需安裝的30 in大尺寸整體立管,分別從整體立管測(cè)量、海上預(yù)制、吊裝、舷側(cè)對(duì)接及下放就位等過(guò)程提出相應(yīng)的措施。

1 工程概述

為支持香港政府環(huán)保目標(biāo),增加天然氣發(fā)電比例,2021年香港海域新建某海上液化天然氣接收站,接收站由9座導(dǎo)管架組成,通過(guò)新建2條規(guī)格分別為20 in和30 in的海底管道連接2個(gè)陸地電廠。液化天然氣運(yùn)輸船(LNGC)靠泊接收站后,通過(guò)?？吭诮邮照玖硪粋?cè)的浮式儲(chǔ)存汽化裝置(FSRU)將液化天然氣汽化,再通過(guò)海底管道輸送到陸地電廠。2條整體立管將兩條海管與接收站平臺(tái)工藝管線采用焊接方式連接,其中1條30 in整體立管,受接收站設(shè)計(jì)位置變化影響,整體立管長(zhǎng)度增加,總長(zhǎng)度達(dá)到86.853 m。接收站附近水深為17.9 m。

30 in整體立管按結(jié)構(gòu)尺寸分為7段,具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 30 in整體立管參數(shù)

在陸地將立管和膨脹彎分開(kāi)預(yù)制,便于海上運(yùn)輸,運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后,膨脹彎還要增加一根調(diào)整管,調(diào)整管長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)整體立管測(cè)量結(jié)果來(lái)確定。與整體立管對(duì)接的平管海管規(guī)格為OD762 mm×WT19.1 mm,防腐涂層為4.2 mm 3LPE,水泥配重層厚度為80 mm。整體立管和平管海管鋼級(jí)均為X65。

該立管為三維Z形,總長(zhǎng)度為86.853 m,中間段直線距離為52.077 m,總質(zhì)量為67.6 t。整體立管路由見(jiàn)圖1。

圖1 30 in整體立管路由

海上安裝時(shí),甲板有限空間布置、整體起吊、舷側(cè)對(duì)接、下放就位等都有較高的難度。安裝精度也有較高的要求,要保證立管能進(jìn)入導(dǎo)管架上的水下和水上兩個(gè)管卡內(nèi)且保證管卡能夠關(guān)閉。

該整體立管采用舷側(cè)安裝方法,施工船舶為海洋石油202起重鋪管船,總長(zhǎng)168.3 m、型寬46.0 m、型深13.5 m、最大吃水9 m。在海洋石油202船左舷增設(shè)3個(gè)舷吊,用于已鋪平管段的提升和下放。舷吊系統(tǒng)主要由A字架和絞車(chē)組成。3個(gè)舷吊分別為舷吊A1、B1和C1,每個(gè)舷吊配備1臺(tái)絞車(chē)。絞車(chē)最大允許載荷分別為舷吊A1為250 kN、舷吊B1為450 kN、舷吊C1為450 kN。

2 安裝技術(shù)方案

2.1 安裝前準(zhǔn)備工作

根據(jù)計(jì)算分析,為了能夠順利起平管,平管段棄管時(shí)要在作業(yè)線海管上綁扎浮筒,共需綁扎浮筒14個(gè),單個(gè)浮筒可提供15 kN浮力。浮筒與海管綁扎固定使用了尼龍打包帶,打包帶可使用棘輪進(jìn)行收緊操作方便,每個(gè)浮筒使用5條尼龍打包帶將浮筒和海管固定。除了綁扎浮筒外,還要在距離管端不同距離處綁扎3條額定載荷400 kN環(huán)形吊帶,吊帶長(zhǎng)度為10 m,用于起平管時(shí)與3個(gè)舷吊連接。棄管管頭處水泥配重層要提前敲除一段距離,保證舷側(cè)海管組對(duì)時(shí)有足夠的空間放置舷側(cè)海管組對(duì)裝置。

依托海洋石油202船完成整體立管安裝,施工前制定大尺寸整體立管的安裝流程:①船舶在設(shè)計(jì)位置拋錨就位;②潛水員下水檢查海管路由、浮筒以及管卡打開(kāi)的狀態(tài);③潛水員進(jìn)行水下測(cè)量;④甲板進(jìn)行整體立管預(yù)制;⑤潛水員將舷吊索具與海管上綁扎的吊帶連接;⑥利用舷吊根據(jù)計(jì)算分析起平管;⑦將舷側(cè)對(duì)接平臺(tái)折疊;⑧海管封頭切割;⑨起吊整體立管至左舷,與平管組對(duì)、焊接、檢驗(yàn)、節(jié)點(diǎn)涂敷;⑩展開(kāi)舷側(cè)對(duì)接平臺(tái);根據(jù)計(jì)算分析將整體立管下放至海底并就位到管卡內(nèi);關(guān)閉管卡并緊固螺栓,解開(kāi)連接索具,拆除浮筒和立管斜撐桿。

海洋石油202船按設(shè)計(jì)位置在導(dǎo)管架一側(cè)拋錨就位,見(jiàn)圖2。

圖2 海洋石油202船拋錨就位

整體立管預(yù)制前,需要對(duì)水下預(yù)放置整體立管的位置進(jìn)行精確測(cè)量,來(lái)確定預(yù)制長(zhǎng)度。測(cè)量如果出現(xiàn)較大誤差,就會(huì)導(dǎo)致整體立管預(yù)制長(zhǎng)度不準(zhǔn)確,最終會(huì)導(dǎo)致整體立管無(wú)法放入管卡內(nèi)。平管鋪設(shè)時(shí)在管端不同距離位置安裝了2個(gè)測(cè)量桿,導(dǎo)管架底部也有2個(gè)基點(diǎn)。潛水員水下測(cè)量出測(cè)量桿和基點(diǎn)之間的距離和角度。另外,海管上也提前安裝了定位信標(biāo)。通過(guò)潛水員測(cè)量和定位信標(biāo)測(cè)量,參考海管多波束掃測(cè)結(jié)果,采用多種方式相互校驗(yàn),測(cè)量出海管上2個(gè)測(cè)量桿和導(dǎo)管架基點(diǎn)的距離和角度,根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)得出最終的膨脹彎上調(diào)整管的切割長(zhǎng)度。

整體立管安裝前導(dǎo)管架上水上和水下2個(gè)管卡要提前打開(kāi)。海洋石油202船左舷提前安裝舷側(cè)對(duì)接平臺(tái)并將對(duì)接平臺(tái)展開(kāi)。海管組對(duì)、焊接、檢驗(yàn),以用及節(jié)點(diǎn)涂覆均在舷側(cè)對(duì)接平臺(tái)完成。舷側(cè)對(duì)接平臺(tái)采用可折疊的形式,在海管提升和下放時(shí),平臺(tái)處于展開(kāi)狀態(tài),即展開(kāi)成180°,在使用對(duì)接平臺(tái)時(shí),平臺(tái)折疊成90°。

2.2 甲板預(yù)制

膨脹彎上調(diào)整管切割長(zhǎng)度確定后,在甲板將分段的整體立管預(yù)制成一個(gè)整體。由于海洋石油202船甲板可利用空間有限,使用全站儀對(duì)甲板上可擺放整體立管的位置進(jìn)行測(cè)量并標(biāo)記。

由于整體立管為三維Z形,甲板擺放時(shí)需要將立管段保持站立狀態(tài),因此需要對(duì)立管段進(jìn)行支撐?？紤]到整體立管安放到甲板后,用于安放支撐架的空間有限,現(xiàn)場(chǎng)制作簡(jiǎn)易立管支撐架,見(jiàn)圖3。

圖3 立管支撐架

在立管頂部使用牽引鋼絲繩進(jìn)行固定,從而保證整體立管穩(wěn)固擺放在甲板上。整體立管在甲板擺放位置確定后,分段的整體立管在完成焊接、檢驗(yàn)和節(jié)點(diǎn)涂覆后陸續(xù)預(yù)制成一個(gè)整體。由于整體立管中間52 m長(zhǎng)的直管段并不是垂直于導(dǎo)管架的,與導(dǎo)管架下面橫梁夾角為68.8°,立管段在安裝時(shí)應(yīng)是傾斜狀態(tài),傾斜角度為2.38°,這樣才能保證立管能夠進(jìn)去導(dǎo)管架上的管卡內(nèi)。預(yù)制時(shí)立管段是豎直站立狀態(tài),無(wú)法傾斜,于是將整體立管另一端膨脹彎端翹起同樣角度,這樣在整體立管起吊時(shí)立管段就會(huì)是傾斜狀態(tài)。

2.3 起平管

利用OrcaFlex軟件對(duì)起平管過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析[3],結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 已鋪海管起平管過(guò)程計(jì)算分析結(jié)果

起平管分9個(gè)步驟完成,最終位置管端距離水面高度為1.8 m。3個(gè)舷吊中舷吊B1受力最大為307 kN,舷吊絞車(chē)工作載荷也滿(mǎn)足要求。起平管前,潛水員下水連接舷吊索具和平管海管上綁扎的吊帶。利用舷吊系統(tǒng)對(duì)平管海管進(jìn)行提升,提升過(guò)程中3個(gè)舷吊相互配合,注意觀察絞車(chē)張力大小和絞車(chē)?yán)|繩收放長(zhǎng)度。平管提升到位后,折疊舷側(cè)對(duì)接平臺(tái),在對(duì)接平臺(tái)上切割海管封頭,然后處理和檢驗(yàn)坡口。

2.4 舷側(cè)對(duì)接

對(duì)于大尺寸整體立管吊裝,要合理使用和布置索具。為了便于舷側(cè)對(duì)接時(shí)海管組對(duì),在吊裝索具選擇上使用了鋼絲繩加手拉葫蘆的組合方式,通過(guò)手拉葫蘆調(diào)整整個(gè)索具長(zhǎng)度。整體立管吊裝索具布置見(jiàn)圖4。

圖4 整體立管吊裝示意

在鋼絲繩2和鋼絲繩4下方與整體立管連接處分別使用手拉葫蘆。在立管頂部提前焊好帶吊耳的盲板,索具直接連到吊耳上,從而避免了索具捆扎在立管段上出現(xiàn)滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn),也避免了使用吊裝管卡。為了防止吊裝過(guò)程中整體立管發(fā)生變形,在整體立管2個(gè)彎頭位置各安裝1個(gè)斜撐桿。

整體立管吊裝由海洋石油202船主吊機(jī)中吊重能力為350 t的吊鉤完成,由主甲板起吊至左舷與已回收海管進(jìn)行舷側(cè)對(duì)接。整體立管起吊后吊高58.5 m,對(duì)應(yīng)最大吊機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑為64.3 m,而海洋石油202船主吊機(jī)底座中心距離整體立管重心水平距離為52.5 m,距離導(dǎo)管架最近距離為75.5 m。350噸吊鉤滿(mǎn)足整體立管吊裝和下放時(shí)的旋轉(zhuǎn)半徑和吊高要求,但無(wú)法到達(dá)導(dǎo)管架上方,因此,導(dǎo)管架上一些人員和工機(jī)具吊裝需要在船舶就位前完成。

利用OrcaFlex軟件對(duì)整體立管吊裝進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 整體立管起吊受力分析結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,吊裝索具中鋼絲繩3與整體立管連接的吊點(diǎn)處產(chǎn)生的應(yīng)變最大為0.060%,滿(mǎn)足規(guī)范DNVGL-ST-F101中的強(qiáng)度要求。根據(jù)計(jì)算得出的各鋼絲繩受力情況,對(duì)整體立管吊裝索具進(jìn)行選型[4]。對(duì)整體立管起吊時(shí)的彎矩進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)圖5,在鋼絲繩3位置和立管段底部彎頭處彎矩較大。

圖5 整體立管吊裝彎矩分析

整體立管體型較大,吊裝作業(yè)選擇在良好的海況下進(jìn)行。整體立管一旦從甲板起吊,將很難再放到甲板重新固定,所以舷外對(duì)接至關(guān)重要。舷側(cè)對(duì)接時(shí)海管組對(duì)難度最大,容易受到潮汐、波浪和海流的影響。常規(guī)海管組對(duì)卡子難以克服兩側(cè)對(duì)接管線的相對(duì)晃動(dòng),所以對(duì)傳統(tǒng)海管組對(duì)卡子進(jìn)行升級(jí)改造,設(shè)計(jì)一種新型舷側(cè)海管組對(duì)裝置,見(jiàn)圖6。

圖6 海管組對(duì)裝置對(duì)比

該裝置兩端采用喇叭口設(shè)計(jì)并有足夠的長(zhǎng)度,增加了與兩側(cè)管線接觸面積及夾持力,可有效降低組對(duì)時(shí)兩側(cè)管線晃動(dòng)帶來(lái)的影響,提高組對(duì)成功率及施工效率。海管組對(duì)完成后,繼續(xù)在舷側(cè)對(duì)接平臺(tái)上進(jìn)行焊接、檢驗(yàn)和節(jié)點(diǎn)涂覆。

2.5 整體立管下放就位

舷側(cè)完成焊接、檢驗(yàn)和節(jié)點(diǎn)涂覆后,整體立管和平管成為一個(gè)整體,展開(kāi)舷側(cè)對(duì)接平臺(tái),開(kāi)始進(jìn)行整體立管下放。利用OrcaFlex軟件按照?qǐng)D7所示的模型對(duì)整體立管下放過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算分析,結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,分11個(gè)步驟下放整體立管,下放過(guò)程中吊機(jī)始終受力最大,并且隨著平管緩慢下放到海床,吊機(jī)受力逐漸減小。整體立管下放就位后,關(guān)閉導(dǎo)管架上的2個(gè)管卡并緊固螺栓。

圖7 整體立管下放過(guò)程模擬

表4 整體立管下放過(guò)程計(jì)算分析結(jié)果

3 工程實(shí)施

2021年6月3日—17日海洋石油202船完成了該大尺寸整體立管的海上安裝,用時(shí)15 d,其中有4天因海上天氣原因現(xiàn)場(chǎng)待機(jī),實(shí)際純工期僅11 d。根據(jù)大尺寸整體立管安裝設(shè)計(jì)方案,最終成功將總長(zhǎng)度86.853 m的三維Z形大尺寸整體立管精準(zhǔn)地安裝就位到導(dǎo)管架上的管卡內(nèi)。

為了提高海上施工效率和安全性,整體立管海上安裝時(shí)以下幾點(diǎn)應(yīng)當(dāng)注意。

1)工程施工前,主作業(yè)船就位時(shí),移船過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意工作錨錨纜位置,錨纜移動(dòng)時(shí)不應(yīng)從海管綁扎浮筒位置處穿過(guò),避免浮筒綁扎帶斷裂造成浮筒失效。導(dǎo)管架上立管管卡長(zhǎng)時(shí)間位于水面,會(huì)附著較多海生物,施工前應(yīng)安排潛水員進(jìn)行清理。

2)舷側(cè)對(duì)接時(shí),新型舷側(cè)海管組對(duì)裝置要提前安裝到平管管端,整體立管起吊后,膨脹彎端直接插入組對(duì)裝置內(nèi),然后緊固裝置兩側(cè)螺栓,從而將兩側(cè)海管固定住,這樣才能保證組對(duì)過(guò)程高效完成。

3)舷側(cè)對(duì)接完成后,整體立管和平管成為一個(gè)整體,海洋石油202船主吊機(jī)和舷吊配合,緩慢下放。為了方便調(diào)整立管段與導(dǎo)管架上管卡的距離,在立管段提前綁扎了一根牽引纜繩,通過(guò)船上絞盤(pán)控制纜繩收放。整體立管下放到位前,為保證立管段能夠準(zhǔn)確地進(jìn)入管卡內(nèi),潛水員下水做好準(zhǔn)備,在立管段快進(jìn)入水下管卡時(shí),觀察整體立管與水下管卡相對(duì)位置。整體立管與水上管卡相對(duì)位置由水手在導(dǎo)管架上進(jìn)行觀察。通過(guò)主吊機(jī)、舷吊以及立管段上的牽引纜繩相互配合,確保立管都能進(jìn)入水下和水上管卡內(nèi)。潛水員和水手使用手扳葫蘆等工具輔助將立管與管卡貼緊,確保管卡能正常關(guān)閉。立管放置到位后,潛水員關(guān)閉水下管卡并緊固螺栓,導(dǎo)管架上的水手關(guān)閉水上管卡并緊固螺栓。這個(gè)過(guò)程應(yīng)當(dāng)注意觀察立管段與導(dǎo)管架上結(jié)構(gòu)物相對(duì)距離,避免發(fā)生碰撞,破壞立管段的防腐涂層。

4)導(dǎo)管架上的水上和水下2個(gè)管卡關(guān)閉后,吊裝索具、立管斜撐桿和浮筒需要潛水員配合進(jìn)行回收。海管上浮筒的回收采用潛水員水下割斷尼龍打包帶的方式將浮筒釋放到水面,由拖輪或者其他小型船只收集并送至主作業(yè)船回收。潛水員割斷尼龍打包帶前應(yīng)確定附近船只與浮筒出水點(diǎn)保持安全距離。