曹德明 宋青武 王 超 王凱華

1. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451;2. 中海福陸重工有限公司, 廣東 珠海 519000

0 前言

導(dǎo)管架平臺(tái)是淺水、較深水(一般不超過(guò)300 m)海洋工程開(kāi)發(fā)中應(yīng)用最廣泛的平臺(tái)形式,重量從幾百噸發(fā)展到幾千噸甚至上萬(wàn)噸[1-3]。導(dǎo)管架平臺(tái)技術(shù)成熟、工程成本相對(duì)于可移動(dòng)式平臺(tái)低,由導(dǎo)管架、鋼樁、上部組塊、生活樓、鉆機(jī)模塊、火炬臂等組成,其中導(dǎo)管架是平臺(tái)固定的基礎(chǔ),起著承上啟下的作用,主體是鋼質(zhì)桁架結(jié)構(gòu),由導(dǎo)管腿和橫向、斜向的拉筋通過(guò)焊接組成,鋼樁通過(guò)裙裝套筒或?qū)Ч芡却蛉?承受平臺(tái)荷載并傳遞到主著力層上。作為支撐結(jié)構(gòu),導(dǎo)管架能否按時(shí)順利完成海上安裝工作,對(duì)于后續(xù)鉆井作業(yè)、組塊安裝以及平臺(tái)投產(chǎn)起著關(guān)鍵性作用。在海洋工程施工過(guò)程中,存在著影響施工進(jìn)度與建造質(zhì)量的許多不確定因素[4-5]。導(dǎo)管架海上安裝受各種條件制約,是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)綜合施工項(xiàng)目[6-7]。導(dǎo)管架和鋼樁在陸地專門的預(yù)制場(chǎng)地完成建造后,由駁船運(yùn)輸至海上施工現(xiàn)場(chǎng),由主作業(yè)船(浮吊)按照固定的施工步驟進(jìn)行安裝作業(yè)。

1 傳統(tǒng)導(dǎo)管架海上安裝方法

在已安裝的導(dǎo)管架中,四腿導(dǎo)管架和八腿導(dǎo)管架較常見(jiàn)。淺水導(dǎo)管架和較深水導(dǎo)管架海上方法略有差異,下文以較深水導(dǎo)管架海上安裝為例對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)管架海上安裝方法進(jìn)行分析。

較深水導(dǎo)管架海上安裝一般步驟見(jiàn)圖1。

圖1 較深水導(dǎo)管架海上安裝一般步驟示意圖

1.1 施工準(zhǔn)備

在導(dǎo)管架下水工作正式啟動(dòng)前,應(yīng)完成各項(xiàng)施工準(zhǔn)備工作,包括海底地貌預(yù)調(diào)查，作業(yè)船舶就位，設(shè)備使用等。

導(dǎo)管架下水前的海底地貌預(yù)調(diào)查一般分兩個(gè)階段[8]:施工前90 d進(jìn)行水深測(cè)量和旁側(cè)聲納測(cè)量，主作業(yè)船抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行ROV(水下機(jī)器人)調(diào)查,調(diào)查結(jié)果作為安裝方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。調(diào)查內(nèi)容包括導(dǎo)管架就位區(qū)域海底地形地貌特征，海床是否平整，有無(wú)鉆井船留下的腳印，已鋪設(shè)海管海纜的實(shí)際路由，海底障礙物分布等。如在調(diào)查階段發(fā)現(xiàn)有影響導(dǎo)管架安裝的事項(xiàng)存在,則需提前進(jìn)行相關(guān)處理。對(duì)于滑移下水的導(dǎo)管架,還應(yīng)對(duì)濕拖路徑進(jìn)行路由和水深調(diào)查,確認(rèn)周圍無(wú)大型障礙物,同時(shí)確保導(dǎo)管架下水處水深滿足導(dǎo)管架下水的最低要求。

主作業(yè)船抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后按照安裝設(shè)計(jì)確定的拋錨就位方案進(jìn)行就位工作,一般情況下至少要拋8個(gè)工作錨(船艏船艉各4個(gè)),拋出的錨纜長(zhǎng)度不得少于10倍水深,拋錨時(shí)須注意避讓海底已有海管海纜設(shè)施,拋錨完成后應(yīng)進(jìn)行錨機(jī)拉力試驗(yàn),防止出現(xiàn)溜錨。

導(dǎo)管架安裝作業(yè)過(guò)程中使用的設(shè)備主要包括2臺(tái)ROV(工作型和觀察型各1臺(tái))、空潛設(shè)備、打樁錘(1備1用)、吊樁器、調(diào)平器、灌漿機(jī)、動(dòng)力站、焊接/檢驗(yàn)設(shè)備等,在主作業(yè)船甲板上布置并確保處于可用狀態(tài)。對(duì)于采用滑移下水的導(dǎo)管架,其下水駁船甲板應(yīng)布置好相應(yīng)的下水輔助設(shè)備,包括調(diào)載系統(tǒng)、助推系統(tǒng)(絞車系統(tǒng)、液壓推進(jìn)器)等。鋼樁駁船甲板應(yīng)布置好起樁設(shè)備,包括翻樁器、扁嘴鉤等。另外,主作業(yè)船、駁船和拖輪均應(yīng)配備足夠且保持通暢的通訊設(shè)備,便于各施工單位、各船舶溝通聯(lián)系,確保整個(gè)海上安裝船隊(duì)協(xié)同作業(yè)。

1.2 導(dǎo)管架下水扶正就位

導(dǎo)管架下水方式包括滑移下水和吊裝下水兩種。吊裝下水主要依靠主作業(yè)船的起重能力,按照安裝設(shè)計(jì)要求的索具掛扣方案,直接吊起導(dǎo)管架放入水中坐底就位?；葡滤ㄟ^(guò)調(diào)載不斷增大駁船尾傾,將駁船調(diào)載至設(shè)計(jì)滑移下水角度,使導(dǎo)管架依靠自身重力作用直接從駁船上滑移入水,入水后漂浮在水面上,由拖輪濕拖導(dǎo)管架至設(shè)計(jì)就位區(qū)域,通過(guò)向?qū)Ч?包括底部浮筒)內(nèi)注水使導(dǎo)管架由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)為直立狀態(tài),直至取得足夠坐底重量,再利用主作業(yè)船將導(dǎo)管架準(zhǔn)確坐落于設(shè)計(jì)的海床位置上。一般情況下導(dǎo)管架從船艉劃入水中,導(dǎo)管架的重量、重心以及導(dǎo)管腿分艙等都將對(duì)導(dǎo)管架扶正穩(wěn)性產(chǎn)生很大影響[9-10]。如導(dǎo)管架解除固定并調(diào)載到設(shè)計(jì)下水角度后導(dǎo)管架未按設(shè)計(jì)方案移動(dòng),可啟動(dòng)助推系統(tǒng)。

滑移下水方式扶正導(dǎo)管架所用的力僅為導(dǎo)管架重量的五分之一到十分之一[11],很大程度上減輕了導(dǎo)管架安裝對(duì)主作業(yè)船起重能力的依賴,大大提升了現(xiàn)有起重船的利用率,同時(shí)也對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)氣候窗提出了更高要求,需選擇適宜的天氣及海況進(jìn)行下水作業(yè),一般要求連續(xù)具備作業(yè)的天氣窗口不少于72 h。

1.3 鋼樁插打

打樁的施工質(zhì)量直接影響平臺(tái)的壽命和耐久性[12]。對(duì)于淺水導(dǎo)管架(如渤海海域),鋼樁一般直接從導(dǎo)管腿內(nèi)打入,不設(shè)計(jì)裙裝套筒,但需要進(jìn)行接樁工作。在東海及南海較深水海域,導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式多采用水下群樁形式[13],鋼樁往往是整根從群樁套筒內(nèi)打入,導(dǎo)管架通過(guò)群樁套筒將平臺(tái)荷載傳遞到鋼樁。主作業(yè)船吊起鋼樁上起樁通道,鋼樁翻身吊起至豎立狀態(tài),插入裙裝套筒中,使用打樁錘將鋼樁錘擊至設(shè)計(jì)深度,打樁過(guò)程使用2臺(tái)ROV設(shè)備全程水下監(jiān)控。

1.4 調(diào)平及灌漿、收尾

導(dǎo)管架的水平度直接關(guān)系到導(dǎo)管架安裝的成功與否。如果導(dǎo)管架的水平度不能滿足要求,將對(duì)后續(xù)的鉆完井作業(yè)、組塊安裝、組塊設(shè)備的正常使用產(chǎn)生嚴(yán)重影響。導(dǎo)管架完成鋼樁打樁后,使用全站儀等設(shè)備進(jìn)行水平度測(cè)量,如水平度超出技術(shù)規(guī)格書所設(shè)定的5‰誤差允許范圍[14],則按照預(yù)定的調(diào)平程序采用浮吊或?qū)Ｓ谜{(diào)平設(shè)備進(jìn)行調(diào)平作業(yè)。導(dǎo)管架調(diào)平一般要經(jīng)過(guò)數(shù)次才能完成[15]。

鋼樁全部打入后進(jìn)行灌漿作業(yè),使用主作業(yè)船上的灌漿機(jī)對(duì)裙裝套筒或?qū)Ч芡扰c鋼樁之間的縫隙灌注高強(qiáng)度水泥漿,使兩者牢固連接為整體,加強(qiáng)了平臺(tái)的整體性,使平臺(tái)的各種荷載均勻傳遞到各鋼樁上。導(dǎo)管架安裝收尾作業(yè)包括浮筒、索具平臺(tái)、扶正吊點(diǎn)、注水管線和灌漿管線的拆除等,以及靠船件、欄桿走道、航標(biāo)燈的安裝等。

2 雙主作業(yè)船協(xié)同配合作業(yè)新模式

雙主作業(yè)船協(xié)同配合作業(yè)模式是指由2條作業(yè)船船配合進(jìn)行導(dǎo)管架安裝作業(yè),主要體現(xiàn)在鋼樁插打階段和收尾階段。在鋼樁插打階段,由1條主作業(yè)船負(fù)責(zé)進(jìn)行鋼樁的起樁和插樁作業(yè),1條主作業(yè)船負(fù)責(zé)進(jìn)行打樁,插樁、打樁作業(yè)同步進(jìn)行。在收尾階段由1條主作業(yè)船進(jìn)行灌漿作業(yè),1條主作業(yè)船進(jìn)行附件的拆除和安裝工作。雙船聯(lián)合施工可有效縮短導(dǎo)管架海上安裝施工工期,對(duì)導(dǎo)管架安裝工期有嚴(yán)格要求或處于臺(tái)風(fēng)多發(fā)季節(jié)的項(xiàng)目具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

下面以較深水導(dǎo)管架安裝(4腿12群樁、滑移下水)為例,對(duì)雙主作業(yè)船模式下導(dǎo)管架安裝效率和所需船天投入進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 效率分析

表1和表2分別為傳統(tǒng)作業(yè)模式和雙主作業(yè)船模式下導(dǎo)管架安裝各個(gè)步驟所需工期和邏輯關(guān)系,圖2和圖3分別為對(duì)應(yīng)的時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖。時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖是網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)的一種,形象地把整個(gè)工程形象進(jìn)度用網(wǎng)絡(luò)圖標(biāo)書出來(lái),容易從圖上分析出各種時(shí)間參數(shù),明確關(guān)鍵線路和關(guān)鍵工作,能夠快速確定項(xiàng)目的總實(shí)耗時(shí)間[16-19]。

兩種模式下導(dǎo)管架安裝凈工期分別為18 d和12 d,雙主作業(yè)船作業(yè)模式預(yù)計(jì)可提高導(dǎo)管架安裝效率約33%。

表1 傳統(tǒng)作業(yè)模式下導(dǎo)管架安裝工期劃分

工作內(nèi)容代號(hào)緊前作業(yè)邏輯關(guān)系工期/d主作業(yè)船拋錨就位、預(yù)調(diào)查A——1導(dǎo)管架下水扶正就位BAFS=02插4根主樁CBFS=02打4根主樁DCFS=02插前4根輔樁EDFS=02打前4根輔樁FEFS=02插后4根輔樁GFFS=02打后4根輔樁HGFS=02灌漿及收尾IHFS=03

圖2 傳統(tǒng)作業(yè)模式下導(dǎo)管架安裝時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖

表2 雙主作業(yè)船模式下導(dǎo)管架安裝工期劃分

工作內(nèi)容代號(hào)緊前作業(yè)邏輯關(guān)系工期/d主作業(yè)船拋錨就位、預(yù)調(diào)查A——1導(dǎo)管架下水扶正就位BAFS=02插樁CBFS=06打樁DCSS=16灌漿EDFS=02附件拆除及安裝FDFS=02

圖3 雙主作業(yè)船模式下導(dǎo)管架安裝時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 船天投入分析

表3和表4分別為兩種模式下導(dǎo)管架安裝所需各類船舶的船天投入分別為93個(gè)和89個(gè),船天投入基本持平,但考慮到主作業(yè)船日費(fèi)率較高且需額外增加一次動(dòng)復(fù)員工作,雙主作業(yè)船模式下船舶費(fèi)用投入較傳統(tǒng)模式高。

表3 傳統(tǒng)模式下導(dǎo)管架安裝船天投入

船舶投入船天/d主作業(yè)船18主作業(yè)船配套拖輪18導(dǎo)管架駁船3導(dǎo)管架駁船配套拖輪3鋼樁駁船15鋼樁駁船配套拖輪15下水輔助拖輪3交通支持船18合計(jì)93

表4 雙主作業(yè)船模式下導(dǎo)管架安裝船天投入

船舶投入船天/d主作業(yè)船112主作業(yè)船1配套拖輪12主作業(yè)船212主作業(yè)船2配套拖輪12導(dǎo)管架駁船3導(dǎo)管架駁船配套拖輪3鋼樁駁船10鋼樁駁船配套拖輪10下水輔助拖輪3交通支持船12合計(jì)89

3 工程實(shí)踐

某已建成完工平臺(tái)導(dǎo)管架為4腿12裙樁較深水導(dǎo)管架,水深約97 m,鋼樁直徑84英寸(1英寸=25.4 mm),鋼樁設(shè)計(jì)入泥深度77 m,導(dǎo)管架水平層5層,工作點(diǎn)標(biāo)高11.5 m,設(shè)計(jì)壽命25 a。

進(jìn)行平臺(tái)海上安裝施工尤其要關(guān)注重大作業(yè)的工作窗口[20]。2014年，該導(dǎo)管架在海上安裝期間,正值大潮汛,受周期14～16 s的東向長(zhǎng)波涌以及間歇性大雨的影響,且進(jìn)入臺(tái)風(fēng)多發(fā)季,現(xiàn)場(chǎng)海況惡劣,作業(yè)窗口十分緊張。為提高海上施工效率,確保導(dǎo)管架按時(shí)順利完成海上安裝,確定采用雙主作業(yè)船聯(lián)合施工方案,主方案由主作業(yè)船A(錨系起重船)完成導(dǎo)管架滑移下水、注水扶正和坐底就位后,主作業(yè)船B(動(dòng)力定位起重鋪管船)投入，負(fù)責(zé)進(jìn)行導(dǎo)管架鋼樁起插樁工作,主作業(yè)船A與其同步進(jìn)行打樁。動(dòng)力定位起重鋪管船具有自航能力、安裝過(guò)程無(wú)需拋錨和拖輪協(xié)助、機(jī)動(dòng)性好、精就位能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),可以抵抗更大的作業(yè)海況,但船舶費(fèi)用較錨系船高且存在動(dòng)力定位失效的風(fēng)險(xiǎn),錨系起重船進(jìn)行導(dǎo)管架海上安裝技術(shù)成熟,船舶費(fèi)用相對(duì)較低,但需要拖輪協(xié)助進(jìn)行拋錨就位作業(yè),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)海況和海底已有設(shè)施狀態(tài)要求相對(duì)較高。該方案充分考慮了雙主作業(yè)船的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架下水就位、插樁準(zhǔn)備以及鋼樁插打作業(yè)同時(shí)進(jìn)行的流水線作業(yè),大大提高了安裝效率。該方案在2條主作業(yè)船上分別配備了M-800和M-1200打樁錘,兩錘互為備用,如1錘出現(xiàn)設(shè)備故障,另外1錘可以隨時(shí)投入,在插樁較快情況下,兩錘也可同時(shí)參與到打樁作業(yè)中,提高施工效率。同時(shí)重點(diǎn)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工天氣窗口及地質(zhì)影響等因素，制定了不同的雙船配合方案,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況靈活選取。

表5 雙主作業(yè)船配合施工作業(yè)用時(shí)情況

日期主作業(yè)船A主作業(yè)船B工作內(nèi)容工作時(shí)間/h待機(jī)時(shí)間/h工作內(nèi)容工作時(shí)間/h待機(jī)時(shí)間/h2014-08-11注水扶正,切除吊點(diǎn),剪切濕拖240A 2-1主樁起樁工作準(zhǔn)備2402014-08-12起M-800錘進(jìn)行主樁A 2-1打樁作業(yè),至入泥50 m213完成主樁A 2-1及B 2-1的插樁作業(yè)2402014-08-13完成主樁B 2-1初打作業(yè),入泥至25 m;完成主樁B 1-1插樁作業(yè)。240鋼樁駁船離駁,倒駁ROV設(shè)備9.514.52014-08-14完成主樁B 1-1初打作業(yè),至水下25 m;受海況影響鋼樁駁船離駁177現(xiàn)場(chǎng)抗風(fēng)待命0242014-08-15恢復(fù)導(dǎo)管架欄桿915起M-1200錘進(jìn)行主樁A 2-1打樁作業(yè)3.520.52014-08-16完成主樁A 1-1起插樁及初打作業(yè),至入泥25 m;完成導(dǎo)管架水平度測(cè)量,卡死主樁;完成A 2-2插樁作業(yè)240完成主樁A 2-1、B 2-1、B 1-1及A 1-1的打樁作業(yè)2402014-08-17起樁準(zhǔn)備工作,海況惡化,鋼樁駁船離駁618現(xiàn)場(chǎng)抗風(fēng)待命0242014-08-18恢復(fù)導(dǎo)管架欄桿,移錨調(diào)整艏向177完成B 2-2的插樁作業(yè)12122014-08-19完成A 2-2、B 2-2初打作業(yè),至入泥18 m;完成B 1-2插樁作業(yè)240預(yù)掛鋼樁平吊索具,為主作業(yè)船A起樁作業(yè)做準(zhǔn)備工作完成A 2-2、B 2-2打樁作業(yè)2402014-08-20完成B 1-3的插樁作業(yè);完成B 1-2及B 1-3的初打作業(yè),分別至入泥16 m和18 m240完成B 1-2及B 1-3的打樁作業(yè)2402014-08-21完成B 2-3、A 2-3、A 1-3及A 1-2的起插樁及初打作業(yè)240開(kāi)始A 1-2的打樁作業(yè)2402014-08-22倒駁設(shè)備、收尾準(zhǔn)備240完成B 2-3、A 2-3、A 1-3及A 1-2的打樁作業(yè),完成B 1-1、B 2-2、B 3-3灌漿作業(yè)2402014-08-23切割浮筒、開(kāi)始切割灌漿管線240完成剩余套筒灌漿作業(yè)2402014-08-24完成附件切割、散件安裝工作,進(jìn)行后調(diào)查工作240倒駁設(shè)備2402014-08-25完成后調(diào)查工作,起錨復(fù)員240復(fù)員240

2014年8月10日，雙主作業(yè)船陸續(xù)抵達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng),按照既定方案開(kāi)展施工,克服現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力和涌浪較大的困難,于8月24日順利完成導(dǎo)管架海上安裝工作,實(shí)際工期約15 d,有效縮短了導(dǎo)管架安裝工期,為后續(xù)類似項(xiàng)目的海上安裝提供了新思路。表5為雙船配合作業(yè)用時(shí)情況。

4 結(jié)論

雙主作業(yè)船模式進(jìn)行導(dǎo)管架海上安裝對(duì)于海上施工窗口窄的項(xiàng)目其有重要意義,但由于增加1條主作業(yè)船和配套拖輪的動(dòng)復(fù)員和施工,施工成本較傳統(tǒng)施工會(huì)有所增加,這也是該模式進(jìn)一步推廣的主要制約因素。雙主作業(yè)船進(jìn)行導(dǎo)管架安裝,提高安裝效率的關(guān)鍵在于兩條主作業(yè)船的配合程度。不同的主作業(yè)船,其性能差別很大,可施工環(huán)境工況也不同,如何做好兩條主作業(yè)船的協(xié)同配合,最大程度實(shí)現(xiàn)工期和成本節(jié)約,是該模式進(jìn)一步推廣的關(guān)鍵。應(yīng)在安裝設(shè)計(jì)階段,充分考慮兩條作業(yè)船的特點(diǎn),合理安排聯(lián)合作業(yè)方案,作業(yè)團(tuán)隊(duì)提前進(jìn)行相應(yīng)的演練工作,確保施工過(guò)程中兩條主作業(yè)船及時(shí)、順暢的溝通,并在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)根據(jù)海況情況,調(diào)整作業(yè)順序,在可作業(yè)時(shí)間窗口持續(xù)高效施工。

本文通過(guò)對(duì)導(dǎo)管架傳統(tǒng)作業(yè)模式和雙船作業(yè)模式的詳細(xì)分析,對(duì)工期和船天投入進(jìn)行對(duì)比分析,明確雙船作業(yè)模式在工期上具有明顯優(yōu)勢(shì),表明該模式具有一定的實(shí)用性,為海洋平臺(tái)導(dǎo)管架安裝模式提供了參考和依據(jù)。在后續(xù)研究中,應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)雙船配合方案進(jìn)行系統(tǒng)研究以提高施工效率,進(jìn)一步提升推廣價(jià)值。