董鶴，王稱心，蔣家坤

(啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226200)

浮式海洋油氣平臺(tái)主要是由主船體及上部油氣處理模塊組成，火炬臂是上部油氣處理模塊的一個(gè)重要組成部分。海底原油采集及石油海上初加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的有毒有害廢氣。火炬臂的主要功能是將油氣平臺(tái)從海底采上來(lái)的原油經(jīng)過(guò)分離后所產(chǎn)生的一氧化碳等有害氣體進(jìn)行燃燒，以防止污染大氣環(huán)境。

火炬臂主體大多是由鋼制圓管組成的細(xì)長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)一般在60 m左右[1]。但是隨著海洋原油的開(kāi)采深入，海洋平臺(tái)的大型化及平臺(tái)上部模塊油氣處理工藝等各種條件的影響，火炬臂的尺寸及重量也在逐步增加。當(dāng)前在某些超大型浮式海洋油氣平臺(tái)上，火炬臂設(shè)計(jì)的高度尺寸已經(jīng)達(dá)到130 m左右，重量也接近900 t。目的是保證海洋平臺(tái)作業(yè)的安全，避免火炬臂頂端氣體燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量輻射到下方甲板模塊影響安全。但隨之影響的是其相關(guān)的建造及安裝難度也越來(lái)越高，對(duì)船廠的場(chǎng)地設(shè)備資源及施工難度增加。

1 火炬臂規(guī)格

本文以世界首座圓筒形海洋油氣處理平臺(tái)項(xiàng)目上的大型火炬臂建造、安裝方法及相關(guān)要求進(jìn)行闡述，描述了火炬臂安裝過(guò)程中的重量重心控制、吊裝吊點(diǎn)的位置選擇、索具的連接方法，以及在吊裝過(guò)程中火炬臂結(jié)構(gòu)受力變形情況的有限元分析等[2]。該火炬臂總長(zhǎng)約96 m，吊裝重量224.8 t。總體分為3段進(jìn)行建造，然后再進(jìn)行分段總組，形成總段后采用浮吊一次性吊裝完成，見(jiàn)圖1。

圖1 火炬臂安裝位置(尺寸單位：mm)

2 火炬臂分段建造

2.1 分段劃分制作

根據(jù)建造資源結(jié)合火炬臂結(jié)構(gòu)的參數(shù)信息等，火炬臂在車(chē)間制作階段整體劃分為3個(gè)分段分別制作，在3個(gè)分段的總組合攏口位置采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精度控制，確保分段完成后總組形成一個(gè)整體時(shí)的精度在可控范圍內(nèi)。在最下端分段與船上火炬臂基座對(duì)接合攏口處需提前控制與基座制作精度保持一致，以使火炬臂在吊裝上船時(shí)能精準(zhǔn)定位，減小因偏差導(dǎo)致的現(xiàn)場(chǎng)修割等[3]。

火炬臂分段劃分后，其中分段一長(zhǎng)34.8 m，結(jié)構(gòu)重量為72.5 t，分段二長(zhǎng)26.6 m，結(jié)構(gòu)重量為29.7 t，分段三長(zhǎng)42.3 m，結(jié)構(gòu)重量為43.2 t，加上結(jié)構(gòu)中的管路、舾裝件等重量共200.4 t。

2.2 火炬臂設(shè)備附件安裝

火炬臂分段在車(chē)間制作完成后通過(guò)廠內(nèi)運(yùn)輸平板車(chē)等裝備運(yùn)輸至噴涂工場(chǎng)進(jìn)行打砂及油漆作業(yè)，主結(jié)構(gòu)特殊區(qū)域在涂裝時(shí)會(huì)額外做防火涂層保護(hù)。噴涂結(jié)束后的火炬臂分段主結(jié)構(gòu)運(yùn)送至分段總組場(chǎng)地，進(jìn)行分段總組及相關(guān)附件的安裝作業(yè)，主要包括：管支架、燃?xì)夤苈?、電氣儀表，以及燃燒頭設(shè)備等。安裝總組作業(yè)完成后對(duì)焊縫合攏口及安裝附件接口處進(jìn)行后續(xù)的油漆修補(bǔ)作業(yè)。在附件安裝過(guò)程中為保證其安裝的精度，總組場(chǎng)地的清理和平整標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)嚴(yán)格按施工要求實(shí)施。

3 火炬臂整體吊裝合攏

3.1 重量及重心分布

火炬臂重量重心見(jiàn)表1。

表1 火炬臂重量重心

3.2 吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

限于火炬臂獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式及安裝狀態(tài)的特殊性，為控制火炬臂安裝時(shí)合攏口對(duì)接精度及吊裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)對(duì)接口調(diào)節(jié)的便利，特選擇4個(gè)吊點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)是多樣性的，可直接在吊裝位置焊接吊裝眼板，然后通過(guò)連接卸扣的方式吊裝，也可以利用結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)及考慮吊裝操作時(shí)的掛鉤解鉤便利性綜合考慮吊點(diǎn)形式。由于火炬臂主結(jié)構(gòu)為管狀結(jié)構(gòu)，因此，在此吊裝中，通過(guò)在吊裝節(jié)點(diǎn)處增加凸軸，使用吊帶直接纏繞管結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行提升吊裝。吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)兼顧整個(gè)吊裝過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)施工的可行性及便利性，吊點(diǎn)設(shè)計(jì)需參照火炬臂相關(guān)圖紙進(jìn)行，如火炬臂重量控制報(bào)告、整個(gè)項(xiàng)目的總布置圖、火炬臂結(jié)構(gòu)圖，以及火炬臂吊裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析報(bào)告等。

根據(jù)制定的火炬臂吊裝方案通過(guò)Sesam/GeniE對(duì)結(jié)構(gòu)建立有限元模型，在不同工況下進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算及變形量分析，確保火炬臂吊裝節(jié)點(diǎn)位置的集中應(yīng)力及整體結(jié)構(gòu)在吊裝過(guò)程中的變形量均控制在允許值范圍內(nèi)的情況下選擇最佳吊點(diǎn)。計(jì)算時(shí)的系數(shù)取值參考規(guī)范DNV-OS-C101(Design of Offshore Steel Structures, General_07/2014)、DNV-OS-H205(Lifting Operations),通過(guò)分析，在吊點(diǎn)處的最大應(yīng)力值為125 MPa，最大變形量為26.2 mm，均滿足吊裝要求。

圖2 火炬臂整體變形分布

3.3 吊機(jī)選擇

火炬臂安裝位于平臺(tái)36.5 m甲板，其自身高度為96 m，根據(jù)其65°傾角的安裝要求及吊點(diǎn)位置，吊裝時(shí)所需吊高為92.5 m，綜合考慮并結(jié)合船廠資源，最終選擇采用浮吊進(jìn)行吊裝合攏。火炬臂由于是需要65°斜插式安裝，對(duì)浮吊的操作要求極高，因此，對(duì)火炬臂與主船體上基座對(duì)接口處的導(dǎo)向封固工裝要求提出非常高的要求。

圖3 浮吊吊裝示意

浮吊選擇時(shí)需要對(duì)浮吊各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行校核，確保其工作狀態(tài)最大工況能夠滿足火炬臂吊裝整個(gè)過(guò)程(起吊、翻身、安裝)的需求。該火炬臂吊裝時(shí)需要的最大吊高是92.5 m，該浮吊最大吊高是120 m，滿足使用要求。結(jié)構(gòu)物與吊機(jī)臂桿之間的間隙最少間距約為12 m，滿足要求。浮吊吊裝時(shí)選擇的作業(yè)角度為62°，根據(jù)吊重曲線顯示，此時(shí)浮吊的起重能力滿足使用要求。

4 安裝導(dǎo)向及封固工裝設(shè)計(jì)

火炬臂由3根管結(jié)構(gòu)組成，因其安裝方式的特殊性，需提前在與主船體基座對(duì)接口處的安裝導(dǎo)向封固工裝。工裝分為2部分安裝，在傾斜角外側(cè)的工裝提前安裝在火炬臂主管上，在傾斜角內(nèi)側(cè)的工裝則提前焊接在基座上，這樣既可保證火炬臂吊裝到位時(shí)可以斜靠式進(jìn)入導(dǎo)向并能與基座完全對(duì)接。

圖4 導(dǎo)向工裝設(shè)計(jì)圖及應(yīng)力分布

火炬臂吊裝對(duì)接時(shí)通過(guò)浮吊操作需緩慢進(jìn)入導(dǎo)向，火炬臂與基座完全對(duì)接后，需通過(guò)精控測(cè)量，確認(rèn)對(duì)接結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)果合格后需立即對(duì)導(dǎo)向工裝進(jìn)行封焊，每個(gè)主管上布置8塊導(dǎo)向工裝，全部封焊結(jié)束后，浮吊方可松鉤釋放所有載荷，然后再通過(guò)精控進(jìn)行測(cè)量火炬臂對(duì)接后數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化。

5 火炬臂吊裝要求及注意事項(xiàng)

吊裝時(shí)應(yīng)在風(fēng)速小于10.7 m/s，有效波高小于1 m，水流速度應(yīng)小于4 kn的情況下進(jìn)行。確認(rèn)火炬臂整體結(jié)構(gòu)按照項(xiàng)目計(jì)劃建造完成，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位置應(yīng)全部焊接到位并做質(zhì)量檢測(cè)后結(jié)果合格。吊裝前在36.5 m生產(chǎn)甲板上火炬臂基座周?chē)? m范圍內(nèi)的安裝區(qū)域與火炬臂對(duì)接相沖突的結(jié)構(gòu)物應(yīng)被移除?；鹁姹弁鈬駯旁谄涞跹b后安裝或其外圍1 m范圍內(nèi)散裝。吊裝時(shí)所用索具需提供合格證書(shū)，浮吊公司需提供浮吊相關(guān)證書(shū)。根據(jù)吊裝調(diào)載程序提前準(zhǔn)備好壓載艙及壓載設(shè)備，并在吊裝前根據(jù)方案要求對(duì)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)載使浮態(tài)滿足吊裝要求。吊裝前應(yīng)檢查浮吊上的設(shè)備及壓載系統(tǒng)，確保這些設(shè)備及壓載系統(tǒng)可用。在吊裝區(qū)域應(yīng)劃定安全控制區(qū)，與操作無(wú)關(guān)人員不能進(jìn)入吊裝區(qū)域。吊裝前所有參與該作業(yè)的人員(包括技術(shù)、生產(chǎn)、質(zhì)檢、安全等)應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)召開(kāi)操作前的班組會(huì)議，逐項(xiàng)排查確保各項(xiàng)提前準(zhǔn)備工作全部完成。

6 吊裝過(guò)程

1)各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后，用拖輪移動(dòng)浮吊進(jìn)入到指定位置，并調(diào)整好平臺(tái)及吊機(jī)的狀態(tài)。

2)根據(jù)吊裝方案中的要求慢慢調(diào)節(jié)浮吊臂桿的角度和鉤頭的高度，根據(jù)設(shè)計(jì)方案將鋼絲繩卸扣等吊索具提前掛鉤連接完成。

3)首先進(jìn)行試吊，用浮吊緩慢將火炬臂整體吊起離開(kāi)擱墩約500 mm，跟蹤吊機(jī)讀數(shù)，停止約5 min，檢查結(jié)構(gòu)及吊機(jī)讀數(shù)的變化，確認(rèn)安全后，浮吊方能繼續(xù)升鉤。高度達(dá)到預(yù)定高度后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)指揮要求，用拖輪對(duì)浮吊進(jìn)行移位，移位過(guò)程中繼續(xù)提升火炬臂上升到合適的高度。

4)當(dāng)火炬臂底部移動(dòng)到安裝位置時(shí)，緩慢地將其放下，距離基座連接位置約200 mm時(shí)停止浮吊作業(yè)。將輔助導(dǎo)鏈拉上，導(dǎo)鏈與浮吊間相互配合緩慢調(diào)節(jié)，直到火炬臂根部完全進(jìn)入導(dǎo)向并與基座完全無(wú)誤對(duì)接到位，對(duì)火炬臂進(jìn)行封固焊接在基座上。3個(gè)底座用卡板固定后，在松鉤前，所有馬板焊接處須作100%MT檢測(cè)。浮吊載荷逐步釋放到80%,50%,20%,0%，保留5 min，沒(méi)有影響放可松鉤。

5)火炬臂封固完成后，移開(kāi)浮吊并拆除吊索具及輔助導(dǎo)鏈。后續(xù)火炬臂與基座的焊接工作可根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃進(jìn)行。

7 結(jié)論

火炬臂吊裝是不同于其他結(jié)構(gòu)分段及模塊吊裝的一種復(fù)雜情況，因火炬臂結(jié)構(gòu)的特殊性及差異，再加上不同的船廠建造方設(shè)備資源的差異化，因此，其安裝方法也略有不同。不同的海工平臺(tái)根據(jù)其功能作用劃分，對(duì)火炬臂結(jié)構(gòu)的要求也不同，也決定了其建造安裝的工藝不同。通過(guò)對(duì)火炬臂浮態(tài)安裝技術(shù)的實(shí)踐，總結(jié)出多套適用船廠火炬臂建造安裝方案，可提高海工平臺(tái)的建造效率，降低項(xiàng)目建造過(guò)程中對(duì)火炬臂安裝階段的限制要求。