劉 帆， 徐善輝， 竇星慧， 于嘉驥

(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

0 引 言

海洋油氣開發(fā)中，水深300 m以內(nèi)通常采用固定式海洋平臺作為主要生產(chǎn)設(shè)施。固定式平臺通常分為樁基式和重力式2類。目前全球應(yīng)用的固定式平臺絕大部分采用樁基式設(shè)計形式，重力式固定平臺使用較少的原因主要是其陸地制造和海上安裝的難度及復雜程度均高于樁基式。

目前重力式平臺實際應(yīng)用的數(shù)量較少，國內(nèi)缺乏相關(guān)的設(shè)計建造及應(yīng)用經(jīng)驗，相應(yīng)的建造技術(shù)和施工工藝一直處在理論階段，沒有得到充分的研究。結(jié)合國內(nèi)實際海洋工程建造場地的設(shè)備設(shè)施，對國外海洋工程設(shè)計公司設(shè)計的某座重力式導管架平臺大直徑導管的制造進行研究，為業(yè)內(nèi)進行該類產(chǎn)品建造技術(shù)的研究工作提供參考。

1 重力式導管架平臺簡介

本文以國內(nèi)最大海洋工程建造場地為設(shè)想制造場地(以下簡稱場地)，以美國McDermott公司設(shè)計的液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)綜合處理深水重力式導管架平臺為研究對象，對重力式平臺的大直徑導管進行制造工藝研究。重力式導管架大直徑導管規(guī)格見表1。大直徑導管的直徑達6 m，周長達18 m，此規(guī)格的鋼管目前無法實現(xiàn)無縫管加工，只能采用鋼板卷制的直縫焊管[1]。

表1 大直徑導管規(guī)格

2 常規(guī)導管制造工藝

場地建造完成的亞洲最大南海某深水樁基式導管架的最大預制尺寸為Φ4 200 mm×100 mm，在卷制接長工藝、精度控制、焊接檢驗等方面已形成一套成熟的工藝流程。常規(guī)制造工藝流程如圖1所示。

圖1 常規(guī)導管制造工藝流程

焊接管制造過程需要的場地資源主要有：制管車間、噴涂車間和總裝場地。制管車間是完成焊接管下料、卷制、焊接、接長的主要工作場所，車間內(nèi)須配備板材下料切割機、卷管機、車間橋吊、車間平板運輸車、壓力機、環(huán)縱縫焊機、胎具等設(shè)備；噴涂車間主要負責完成焊接管的防腐噴涂作業(yè)；總裝場地主要用于完成焊接管的總裝對接和吊裝。焊接管的倒運作業(yè)主要用到平板運輸車、履帶吊、汽車吊等，其他輔助工機具還有轉(zhuǎn)胎、下料切割機、臨時支撐、倒鏈、千斤頂、鋼絲繩、卡環(huán)等。

3 大直徑導管制造工藝

3.1 限制因素

大直徑導管的管徑、壁厚及外形尺寸均與普通規(guī)格管有一定差異，導管尺寸為Φ6 000 mm×100 mm，整圓管展開板長近19 000 mm。場地卷管機最大卷制板寬3 000 mm，整圓卷制所需的整板尺寸為3 000 mm×19 000 mm。如此大尺寸的鋼板在供貨、倒運、加工等方面存在難度和風險。本文從供貨板材規(guī)格、設(shè)備設(shè)施能力和設(shè)計規(guī)范要求等方面進行施工可行性研究。

3.1.1 供貨板材規(guī)格

對國內(nèi)三大鋼材供貨商的供貨能力進行調(diào)研，結(jié)果見表2，可以看出：3家供貨商的鋼板厚度和寬度均滿足需求，而板長只有寶鋼滿足卷制整圓的需求。卷制3 m長單管段的重量為43 t，需要綜合考慮運輸成本和陸地特種車輛運輸以及海上運輸?shù)目尚行浴Ｒ虼?，鋼材廠家對大尺寸鋼板的供貨能力能夠滿足整圓管卷制需求，但須進一步分析其經(jīng)濟性和可行性。

表2 鋼材供貨能力

3.1.2 卷管機設(shè)施能力

根據(jù)制管車間調(diào)研結(jié)果，150 mm型號的卷管機可完成該大直徑管的卷制工作，但該設(shè)備周圍空間受限，19 000 mm長的板材無法進入卷管機完成整圓卷制，須對卷管機進行移位改造。另外,該卷管機離地面高度約1.5 m，若整圓卷制，管段吊運時離地最高點將達到7.5 m。由于吊運橋吊最大起升高度為8.5 m，導致吊繩操作空間不足1 m，管段吊運存在安全風險。

3.1.3 車間門口尺寸

制管車間進出口尺寸為6 000 mm×6 000 mm，整圓管高度6 000 mm，場地平板車運輸行駛高度最低為1 900 mm，整圓管運輸尺寸超出車間門口尺寸，若管段平放運輸，寬度方向存在碰撞風險，車間大門有改造需求。

3.2 可行性方案分析

結(jié)合常規(guī)導管制造工藝，綜合考慮限制因素，可確定2種實施方案：半圓管卷制方案和整圓管卷制方案。其中半圓管卷制是考慮板長及重量的供貨限制，單管段采用2個半圓管合龍的施工方案，即在制管車間內(nèi)完成半圓管卷制工作，再運輸至車間外其他場區(qū)完成合龍及多管段接長工作；整圓管卷制方案在考慮減少施工工序和焊接檢驗等工作量的情況下，克服板尺供貨及運輸能力問題而實施的類似常規(guī)卷管方法，該方案主要考慮場地車間設(shè)備能力等限制因素。

3.2.1 半圓管卷制方案

設(shè)計規(guī)范所研究的導管架設(shè)計典型圖中給出了雙縱縫的設(shè)計要求，即從設(shè)計上可確認半圓管合龍方案的可行性。依據(jù)卷制管建造規(guī)范API SPC 2B-2007[2]的規(guī)定：當單節(jié)管段出現(xiàn)180°雙縱縫時，相鄰管段縱縫錯開角度為45°～90°，從施工角度可以滿足要求。

半圓管卷制方案解決了板尺、運輸、制管車間及設(shè)備能力受限的問題，但將管段的合龍、組對接長、焊接、檢驗等工序移出了制管車間，降低了施工便利性，增加了質(zhì)量風險。以下從質(zhì)量風險和場地限制因素兩方面對半圓管卷制方案的可行性進行分析。

(1) 半圓管變形。由于管徑壁厚較大，半圓管卷制完成到兩瓣合龍完成之前，倒運、吊裝等作業(yè)過程存在變形風險，且合龍整圓后無法回卷管機調(diào)圓。根據(jù)有限元計算結(jié)果，半圓管在不做任何臨時加強措施的情況下，僅在自重作用下就會發(fā)生13 mm的變形，在吊裝倒運工況下變形達到22.5 mm，給合龍組對精度控制和最終尺寸公差控制帶來較大的困難。通過分析，可采用增加臨時支撐或倒鏈預張緊裝置的措施來控制形變。加強措施前后形變對比如圖2所示，可以看出：增加支撐后形變量減少約50%。合理布置臨時支撐或倒鏈反向張緊裝置可控制形變最小化，從而滿足最終制造精度要求。

圖2 加強措施前后形變對比

(2) 組對焊接施工環(huán)境。半圓管卷制完成、移出制管車間后，需要在合適的場區(qū)進行整圓管段合龍及接長。管段接長用的轉(zhuǎn)胎、環(huán)縱縫焊接用的焊機及焊前焊后的加熱裝置均須移出制管車間進行工作。綜合考慮預制場地的環(huán)境，如果在車間外的場地施工，必須搭建臨時擋風遮雨棚，需要對預制場區(qū)的地面進行修整，同時需要配置足夠的起重輔助設(shè)備。根據(jù)場地現(xiàn)有資源及項目經(jīng)驗，啟用結(jié)構(gòu)大分段預制車間進行合龍、接長及焊接檢驗工作是最理想的方案。

大分段預制車間總面積31 636.7 m2，車間尺寸242 m×132 m，共三大跨，有3個切割、加工區(qū)，3個部件裝焊區(qū)，2個曲面分段裝焊區(qū)，1個平面分段生產(chǎn)區(qū)。切割加工區(qū)最大橋吊的單吊能力為20 t，跨距為38.4 m，軌道高度為14 m；裝配焊接區(qū)及生產(chǎn)區(qū)最大橋吊的單吊能力為150 t，跨距為39.6 m，軌道高度為24 m。西側(cè)三跨正門尺寸為22 m(寬)×12 m(高)，北側(cè)正門尺寸為22 m(寬)×10 m(高)。采用大分段預制車間可以很好地滿足半圓管卷制后的所有后續(xù)工序。綜合制管車間和大分段預制車間的信息，設(shè)計2種可行性方案，見表3。

表3 可行性方案對比

由表3可知：方案1前期改造工作量最小，只需做好半圓管變形控制及組對公差控制即可；方案2可以充分利用預制車間的優(yōu)勢，施工各環(huán)節(jié)集中在同一個車間內(nèi)，倒運工序少，效率高，質(zhì)量控制更加便利。

3.2.2 整圓管卷制方案

整圓管相較于半圓管方案，在縱縫焊接、組對和檢驗等工序上工作量減少近一半，將大幅降低施工成本，節(jié)省工期。但該方案需要重點考慮板材供貨運輸能力和卷管場所的選擇：(1)板材供貨及運輸。根據(jù)供貨能力調(diào)研結(jié)果，大重量大尺寸板材的出廠合格率是一個風險因素，特種車輛陸地運輸和海上運輸帶來的采辦工期延長和成本的增加將是2個比較大的限制因素，需要根據(jù)項目實際數(shù)據(jù)進行詳細評估。(2)卷管車間能力。根據(jù)3.1節(jié)的分析結(jié)果，整圓卷制在原制管車間沒有實施可行性，但可采用半圓管卷制方案中的方案2，即通過對大分段預制車間的改造，完成整圓管在該車間的卷制接長工作。(3)其他因素。與半圓管卷制方案一樣，整圓卷制也需要考慮臨時加強、控制變形等問題。

因此，整圓管卷制方案在克服板尺供貨及運輸成本的前提下，通過改造大分段預制車間，可以實現(xiàn)在同一車間內(nèi)完成卷制、焊接、組對等全部預制工作，相當于車間能力升級后的常規(guī)卷管工藝，從施工效率和質(zhì)量上都具有一定優(yōu)勢。

3.3 最佳方案及工藝流程

綜合以上分析，3套組合方案優(yōu)缺點對比見表4。

表4 組合方案對比

通過對比可知：最佳可行方案為制管車間半圓卷制/大分段預制車間合龍接長。大直徑導管制造工藝流程如圖3所示。

4 施工關(guān)鍵點分析

4.1 尺寸公差控制

嚴格按照設(shè)計建造規(guī)格書中的公差控制要求，對預制的每個環(huán)節(jié)實施測量檢驗。在施工過程中對公差進行良性誘導控制，通過合理的施工順序、反向調(diào)節(jié)等方法將最終的制造公差控制在要求范圍內(nèi)。

4.2 變形控制

4.2.1 半圓管合龍縱縫焊接變形控制

由于采用半圓管卷制組對合龍的工藝，增加了1條縱向焊縫，增加了縱縫錯皮及橢圓度超差的風險?？刹捎煤侠淼暮附禹樞騕3]控制變形；半圓管內(nèi)設(shè)置臨時支撐，防止變形；合龍后對2條縱縫進行點焊固定；雙面坡口，打底焊、填充焊、蓋面焊內(nèi)外交替進行；2條縱縫由管段中間向兩端同時施焊，如圖4所示。

4.2.2 管段對接環(huán)縫焊接變形控制

管對接的變形控制就是要控制其焊后的直線度尺寸誤差，大管徑導管徑厚比大，焊接順序不當極易由根焊道的焊接收縮應(yīng)力引起變形。根(封底)焊道可分成4段分別焊接，如圖5所示。首先，從6點到9點位置完成第①段，再從3點到12(0)點位置完成第②段，然后從6點到3點位置完成第③段，最后從9點到12(0)點位置完成第④段。

圖3 大直徑導管制造工藝流程

圖4 縱縫焊接變形控制

圖5 焊縫焊接變形控制

焊接直徑較大的管時，可由2名焊工按此順序從管道兩邊施焊。完成根焊道后，對于填充和蓋面焊道，同一焊道可在6點附近的同一位置起弧并向上焊，但每條不同的焊道的起弧和收弧位置都應(yīng)彼此錯開。

4.3 焊前焊后熱處理

大直徑導管管徑壁厚大，焊前預熱及焊后熱處理[4]施工較為困難，受熱均勻性與熱處理效率對施工質(zhì)量影響較大。盡量開發(fā)使用CTOD[5]工藝，以替代焊后熱處理。如果項目設(shè)計要求必須做焊后熱處理，建議設(shè)計專用熱處理胎架，提高效率，保證施工質(zhì)量。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合常規(guī)導管制造工藝，針對大直徑導管結(jié)構(gòu)特點，從各類限制因素展開分析，制定各種可行性方案并對比優(yōu)缺點，得出制管車間進行半圓管卷制/大分段預制車間進行整管合龍及管段接長的實施方案，形成了針對大直徑導管在海洋工程建造場地制造的最佳工藝流程。本文的研究成果補充了重力式導管架相關(guān)建造技術(shù)的研究內(nèi)容，可為油氣田開發(fā)者在同類工程項目招標技術(shù)方案的審核提供評估性參考，同時為將來該類項目制造工作的實施提供施工借鑒。