，

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司， 廣東 湛江 524057)

0 引 言

在中國近海海域油氣田開發(fā)中，導管架平臺是應(yīng)用最廣泛的生產(chǎn)平臺開發(fā)模式之一。目前，國內(nèi)導管架平臺的建造、安裝技術(shù)日趨成熟。陸地建造階段，結(jié)合海上浮吊資源的吊高要求和導管架自身的高度、質(zhì)量，選擇立式建造或臥式建造等方式。對應(yīng)海上安裝時，通常安裝方案為平吊下水、滑移下水[1-3]。對于臥式建造的較深水導管架，在導管架下水后，須通過扶正再坐底就位，通常所采用的扶正方式為單鉤注水扶正，即在主作業(yè)浮吊船的單鉤輔助下，按設(shè)計步驟往導管架注水艙室中注入海水，調(diào)整導管架浮態(tài)，使其從水平漂浮狀態(tài)慢慢扶正到豎直狀態(tài)的施工過程。單鉤注水扶正要求導管架本身具有10%以上的儲備浮力，變相增加了導管架體積和質(zhì)量。

圖1 導管架單扒桿雙鉤扶正現(xiàn)場

南海某油氣田開發(fā)項目結(jié)合其平臺導管架的特點，應(yīng)用單扒桿雙鉤扶正技術(shù)(見圖1)，此技術(shù)方案避免注水扶正過程對于導管架儲備浮力的要求，從而減少導管架主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低建造投資成本，為此類導管架的設(shè)計和海上安裝提供新的思路。

1 單扒桿雙鉤扶正技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)校核

單扒桿雙鉤扶正是指通過使用主作業(yè)浮吊船單扒桿上的主鉤和副鉤雙鉤聯(lián)動，在水中調(diào)整導管架從水平漂浮至豎直狀態(tài)的技術(shù)。為保證扶正作業(yè)的安全可行性，須對導管架扶正過程進行整體分析，并對導管架各個浮態(tài)下(傾斜角度不同)各主要參數(shù)進行計算校核，以確保各參數(shù)滿足施工要求。

1.1 結(jié)構(gòu)空間干涉校核

在整個導管架扶正分析過程中，需合理選取導管架水中的位置和對應(yīng)傾斜角度，使得整個過程中導管架本身結(jié)構(gòu)與主作業(yè)船體結(jié)構(gòu)及海床之間互不干涉，且留有足夠的安全距離。重點關(guān)注的因素如下：

(1) 主作業(yè)浮吊船吊機限制高度校核。吊機限制高度校核是吊裝作業(yè)最基本也是最主要的校核之一。在導管架扶正過程中，浮吊船主鉤緩慢下降，副鉤配合同步上升，其傾斜角度相應(yīng)發(fā)生變化，同時適當?shù)卣{(diào)整導管架入水深度，以保證吊機限制高度滿足導管架吊裝高度要求，結(jié)構(gòu)物與起重船扒桿之間的凈間距不小于3 m。

(2) 與主作業(yè)船體安全間距限制。在導管架扶正過程中，底部防沉板朝向浮吊船船首，頂部水平層朝向開闊海域。隨著導管架浮態(tài)調(diào)整與浮吊船扒桿的調(diào)整，再考慮風、浪、流等環(huán)境載荷的聯(lián)合作用，導管架底部防沉板與船首結(jié)構(gòu)的距離也會隨之實時變化。需綜合考慮各條件影響，適當選取對應(yīng)導管架傾斜角度時導管架的位置及水深，以保證與主作業(yè)船之間的安全距離不小于3 m。

(3) 與海床之間的底部間隙要求。在導管架扶正過程中，隨著導管架浮態(tài)逐步轉(zhuǎn)為豎直狀態(tài)，以及水中位置調(diào)整下放，導管架結(jié)構(gòu)與海床間距會逐漸減小。綜合考慮扶正分析全過程，選取合適的吊裝索具長度，以保證導管架與海床之間的底部間隙滿足安全距離要求，考慮海床變化與障礙物間距要求，建議在扶正過程中與海床最小間距不小于5 m。

1.2 結(jié)構(gòu)受力分析校核

在導管架扶正分析過程中，需在靜態(tài)和動態(tài)兩種情況下，對導管架結(jié)構(gòu)強度、吊點及索具強度、導管架結(jié)構(gòu)穩(wěn)性進行整體分析校核，以滿足相關(guān)規(guī)范要求。在通常情況下，動態(tài)分析簡化為增加動力放大因數(shù)，此處要求與常規(guī)導管架海上吊裝作業(yè)要求基本一致，可參考API RP 2A-WSD 2000。

(1) 導管架結(jié)構(gòu)強度校核。在導管架扶正過程中，每一傾斜角度時，需綜合考慮環(huán)境荷載，按API要求選取計算動載因數(shù)，對導管架結(jié)構(gòu)受力進行分析校核，其結(jié)果應(yīng)滿足：實際應(yīng)力δ< 許用應(yīng)力[δ]。

(2) 吊點及索具強度校核。吊點設(shè)計荷載需考慮動載系數(shù)，且各應(yīng)力(吊點孔的擠壓應(yīng)力；吊點孔的剪切應(yīng)力、吊點孔的極限拉伸應(yīng)力、吊點孔的拉伸應(yīng)力、眼板與板方向的焊縫強度、最弱斷面復合應(yīng)力、與主結(jié)構(gòu)連接斷面的復合應(yīng)力)需小于許用應(yīng)力要求。

(3) 導管架結(jié)構(gòu)穩(wěn)性校核。導管架初穩(wěn)心高是導管架浮態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。為保證扶正作業(yè)的安全，合理布置扶正吊點的角度，需分別對扶正過程中導管架的縱向初穩(wěn)心高hGM縱和橫向初穩(wěn)心高hGM橫進行校核：hGM縱≥1 m；hGM橫≥1 m。

2 單扒桿雙鉤扶正技術(shù)的應(yīng)用

下面通過該南海油氣田項目導管架海上的施工應(yīng)用情況，具體介紹此技術(shù)方案設(shè)計時如何選取各參數(shù)，以及其海上安裝的實施步驟。

2.1 導管架主要參數(shù)

導管架為4腿4裙裝結(jié)構(gòu)，主要參數(shù)如下：頂部水平層尺寸為12.270 m×12.375 m；底部水平層尺寸為25.000 m×30.075 m；設(shè)計水深為62.3 m；導管架垂向高度為76.8 m；導管架主結(jié)構(gòu)質(zhì)量為893.67 t；導管架吊裝總質(zhì)量為1 752.40 t；導管架總浮力為1 296.10 t；組塊吊裝質(zhì)量為1 104.32 t。

對比質(zhì)量與浮力數(shù)據(jù)可知：若采用常規(guī)單鉤注水扶正技術(shù)，為滿足10%剩余浮力要求，需增加浮力456.3 t，約為主結(jié)構(gòu)質(zhì)量的0.51倍。此時單純地增加浮筒不能滿足結(jié)構(gòu)強度和浮力要求，需整體擴大導管架主腿和拉筋尺寸，粗略估算需增加的鋼材總質(zhì)量至少500 t。

2.2 導管架扶正計算

根據(jù)導管架詳細設(shè)計圖紙，在SACS軟件中建立導管架扶正過程力學計算模型(見圖2)，各桿件和節(jié)點根據(jù)API工作應(yīng)力設(shè)計要求校核。模型選取的坐標原點為海圖基準面處導管架水平面的幾何中心點，x軸指向平臺東，y軸指向平臺北，z軸豎直向上。

圖2 SACS計算模型及坐標系

圖3 變換后MOSES模型坐標系

圖4 在MOSES模型中調(diào)整導管架縱傾角

通過模型轉(zhuǎn)換，將計算模型導入MOSES軟件中，并定義導管架扶正旋轉(zhuǎn)點。在SACS模型中旋轉(zhuǎn)點坐標為(12.182 m，-0.084 m，-17.000 m)，即MOSES模型原點。根據(jù)該導管架實際情況，定義導管腿、拉筋、裙樁套筒、立管為密封艙室，參與提供浮力；而電纜護管、犧牲陽極、登船平臺等附件不參與提供浮力。如此，得到MOSES模型如圖3所示。

MOSES模型定義完成后，加載環(huán)境力，通過下方主鉤，提升副鉤，調(diào)整導管架縱傾角度。使導管架以MOSES模型坐標原點為旋轉(zhuǎn)中心，從平躺狀態(tài)(縱傾角為0°)，逐漸扶正為直立狀態(tài)(縱傾角度為90°)，如圖4所示。

通過模擬計算，在各個縱傾角(各事件中)時整個導管架扶正過程的主鉤荷載、副鉤荷載、導管架縱傾角和橫傾角與海床距離、各索具張力變化曲線如圖5～圖8所示。

圖5 主鉤鉤頭荷載變化曲線

圖6 副鉤鉤頭荷載變化曲線

圖7 縱傾角、橫傾角、導管架與海床距離變化曲線

圖8 索具張力變化曲線

選取縱傾角度每變化15°時的數(shù)據(jù)作為控制工況，見表1。

表1 不同扶正步驟的工況情況

導出相應(yīng)數(shù)據(jù)見表2。

表2 各扶正步驟數(shù)據(jù)匯總

導出相應(yīng)的索具張力結(jié)果見表3。

表3 各扶正步驟索具張力匯總

在整個雙鉤扶正過程中，由表2和表3可知：主鉤最大鉤頭荷載為479 t，最大索具張力為209 t，最大鉤頭高度為65.19 m；副鉤最大鉤頭荷載為369 t，最大索具張力為138 t，最大鉤頭高度為89.46 m；導管架與海床的最小間距為7.32 m；導管架與浮吊船之間的最小間距為6.782 m。

再將上述的8個工況中索具荷載情況輸入SACS計算模型中，校核各桿件和節(jié)點受力情況，如圖9所示。

圖9 SACS軟件校核扶正過程中導管架結(jié)構(gòu)受力

表4為節(jié)點信息，對于個別節(jié)點UC值大于1.0，分析結(jié)果是可以接受的，在設(shè)計上增加加強環(huán)對節(jié)點結(jié)構(gòu)做了加強。

表4 導管架加強節(jié)點信息匯總

2.3 浮吊船吊裝能力校核及索具選擇

浮吊船的最大吊重為7 500 t，主鉤最大起升高度為110 m，副鉤最大起升高度為135 m。結(jié)合導管架扶正計算主要工況結(jié)果，對比浮吊船吊裝能力曲線，綜合分析吊裝過程的受力情況和空間干涉校核。

導管架在豎直狀態(tài)時垂向總高為76.8 m，對應(yīng)取浮吊船扒桿幅度80 m時進行校核。各相關(guān)數(shù)據(jù)如表5、圖10、圖11所示，滿足扶正計算中對應(yīng)的高度和鉤頭荷載要求。

表5 浮吊船主鉤、副鉤最大限高和最大鉤頭荷載

圖10 浮吊船吊鉤幅度與高度關(guān)系圖

圖11 浮吊船吊鉤幅度與起重量關(guān)系圖

由此配備的平吊索具見表6。

表6 本項目導管架平吊索具清單

配備的扶正索具見表7。

表7 本項目導管架扶正索具清單

2.4 應(yīng)用經(jīng)驗及總結(jié)

本項目導管架海上安裝過程相對較為順利，但仍有亟待改進之處。

(1) 吊裝索具繁多。導管架扶正過程共用到鋼絲索具8條，控制纜繩7條。作業(yè)涉及主鉤、副鉤聯(lián)合動作，需實時監(jiān)控扒桿幅度、鉤頭噸位變化，觀察測量縱傾角度，使導管架在滿足吊機吊重和各吊裝間距要求下緩慢扶正。扶正作業(yè)指揮、操作難度大。

(2) 作業(yè)環(huán)境條件要求嚴格。在導管架扶正過程中，導管架本身與船體間距、縱向傾角和橫向傾角受環(huán)境影響較大，作業(yè)最大浪高2.4 m，有義波高1.5 m，流速小于0.5 kn。

東方海域流速快，流向多變。導管架準備扶正時，正好遇上流向變化，水下機器人觀察導管架與船體間距在2.8 m左右，現(xiàn)場待機1 h，流速減小后，順利完成扶正作業(yè)。

3 結(jié) 語

本項目導管架海上單扒桿雙鉤扶正技術(shù)方案，優(yōu)化了導管架詳細設(shè)計方案，減少導管架主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量約500 t，節(jié)省了建造投資成本。綜合考慮海上作業(yè)過程風險控制，合理設(shè)計海上扶正過程，安全、順利地完成海上安裝工作，其對以后相似水深、同樣類型導管架的設(shè)計和安裝具有借鑒和參考意義。