李杰 梁憲超 唐勇 徐亞玲 畢華奇

摘要：半潛式生產(chǎn)儲油平臺的SCR提拉系統(tǒng)主要用于提升天然氣外輸立管、生產(chǎn)立管、MEG立管等共計12根立管。整個系統(tǒng)按方位劃分為南模塊和北模塊，其中南模塊主要設(shè)備為1臺主絞車和2臺轉(zhuǎn)向絞車，北模塊主要設(shè)備為1臺鏈?zhǔn)角Ы镯?。通過分析比較動、靜載兩種拉力測試方案，發(fā)現(xiàn)相比動載測試方案，靜載測試方案風(fēng)險系數(shù)小，且可操作性高，因此確定采用在船體上焊接吊點的靜載拉力測試方案。為了保證拉力測試時拉力值不會超出吊耳的極限強(qiáng)度并且拉力值始終處于可控狀態(tài)，南模塊通過調(diào)節(jié)液壓油入口處減壓閥的方式嚴(yán)格控制油壓，從而控制絞車的輸出拉力;而北模塊通過調(diào)節(jié)HPU系統(tǒng)的PSV控制油壓，以控制鏈?zhǔn)角Ы镯數(shù)妮敵隼?。通過南北模塊拉力實測值和目標(biāo)值的對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，南模塊和北模塊的提拉能力均滿足正常荷載要求，并且南模塊張力卡環(huán)和絞車的load cell相對誤差值都小于50-/0，表明拉力值準(zhǔn)確度滿足要求。北模塊拉力值在達(dá)到正常荷載的要求后，15 min內(nèi)數(shù)值略微下降，但不超過1%。SCR提拉系統(tǒng)拉力測試按照既定載荷目標(biāo)值圓滿完成，不但充分證明了采用靜載拉力測試方案的合理性，而且對保障立管回接有極其深遠(yuǎn)的意義。

關(guān)鍵詞：鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐?SCR提拉系統(tǒng);鏈?zhǔn)角Ы镯?絞車;靜載拉力測試

中圖分類號：TH123

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492 （ 2022）02-0182-07

0 引言

隨著海洋石油行業(yè)采油水域深度的不斷增加與采油水域的不斷延伸，半潛式生產(chǎn)儲油平臺逐漸脫穎而出，因其集生產(chǎn)、儲油、卸油為一體，逐漸成為一種快速、有效、經(jīng)濟(jì)的開發(fā)海上油氣資源不可替代的開發(fā)裝置。由于開采水域深度大于1 500 m，海管的應(yīng)力要求極大，故需要利用鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐芴娲Ｒ?guī)的平臺立管。如今，鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐埽?Steel Catenary Riser，SCR）的優(yōu)越性逐漸展現(xiàn)出來，成為深水油氣資源開發(fā)的首選生產(chǎn)立管[1]。與常規(guī)的動態(tài)軟管相比，鋼懸鏈立管可適應(yīng)的尺寸更大，更有利于深水油氣田生產(chǎn)，但其強(qiáng)度和疲勞挑戰(zhàn)也更為嚴(yán)峻。鋼懸鏈立管對水深、浮體運動性能均有近乎苛刻的要求[2]。因此，如何有效地設(shè)計并利用提拉系統(tǒng)，配合大型吊裝船將SCR與浮式生產(chǎn)平臺平穩(wěn)的進(jìn)行固定聯(lián)接成為了SCR立管安裝的重要節(jié)點。

本文通過分析比較動、靜載兩種拉力測試方案，確定采用靜載拉力測試方案以驗證提拉系統(tǒng)的最大工作能力。同時為驗證立管提拉期間的動態(tài)載荷控制能力，設(shè)計并驗證了拉力調(diào)節(jié)控制方案。通過此次SCR提拉系統(tǒng)拉力測試的實踐，充分證明了采用靜載拉力測試方案的合理性，并且對保障立管回接有極其深遠(yuǎn)的意義，也為后續(xù)SCR系統(tǒng)的研究與設(shè)計提供了一定的參考。

1 SCR提拉系統(tǒng)概述

1.1 SCR提拉系統(tǒng)的作用及意義

SCR提拉系統(tǒng)是指用來進(jìn)行立管提升的臨時模塊，其具有臨時性和可移除性。立管回接的基本安裝概念是使用重型吊裝船（HIV）吊取立管并將其移至半潛式平臺的提拉系統(tǒng)[3]。然后平臺上的提拉系統(tǒng)將提升立管并將其放置在井口回接位置。

安裝完初始立管后，提拉系統(tǒng)將從平臺上移除，這將有利于船舶靠泊平臺中部位置，從而進(jìn)行吊裝物資等相關(guān)作業(yè)[4]。根據(jù)平臺的實際尺寸及設(shè)備布置，在平臺的南側(cè)和北側(cè)各自確定了一個區(qū)域，如圖1-3所示，該區(qū)域允許用HLV安裝、移除臨時結(jié)構(gòu)。并且如果未來需要立管維護(hù)，系統(tǒng)完全可重新安裝。

1.2 SCR提拉系統(tǒng)設(shè)備組成及立管組成

1.2.1 立管組成

深海一號能源站上立管主要包括1根18”天然氣外輸立管、2根12”生產(chǎn)立管、2根10”生產(chǎn)立管、1根6”MEC管線、1根18”的臍帶纜套管管線，以及未來的2根10”生產(chǎn)立管和3根18”的臍帶纜套管管線。具體立管清單如表1所示。

所有的立管中，18”天然氣立管是最重的負(fù)荷，具有最大的溢流立管重量。并且根據(jù)圖4所示的立管實際方位，可以確定目前的設(shè)計T況為：（1） 18"CE立管拉人的首選方法是通過北側(cè)模塊的鏈?zhǔn)角Ы镯敚–HAIN JACK的提拉能力遠(yuǎn)大于絞車）;（2）生產(chǎn)立管和MEC立管拉人的首選方法是通過南側(cè)模塊的主絞車;（3）在上面兩種情況下，都需要用到轉(zhuǎn)向輔助絞車。通過為每個位置布置滑輪改變立管的位置，并施加橫向載荷可以將立管移動到位。因此在南模塊安裝有兩個轉(zhuǎn)向絞車，并配套對應(yīng)的滑輪系統(tǒng)。

1.2.2 提拉系統(tǒng)設(shè)備組成

根據(jù)模塊劃分及功能需求，提拉系統(tǒng)主要包括平臺北側(cè)的鏈?zhǔn)角Ы镯敗⑵脚_南側(cè)的主絞車和轉(zhuǎn)向絞車、液壓動力單元、設(shè)備現(xiàn)場控制臺以及配套的滑輪系統(tǒng)，如圖5-7所示。主要設(shè)備清單如表2所示。

2 拉力測試方案

2.1 SCR提拉模塊及設(shè)備安裝情況

根據(jù)項目規(guī)劃和整體大合攏方案，有以下因素影響設(shè)備的安裝就位工作：根據(jù)評估的大合攏期間的吊裝方案，南部和北部的兩個臨時模塊其中一個與泰山吊的吊梁存在干涉，故方案確定為在船體和上部模塊大合攏后再安裝臨時提拉模塊。所以，北部的鏈?zhǔn)角Ы镯敽湍喜康奶嵘g車只能在大合攏之后進(jìn)行聯(lián)調(diào)工作。

2.2 動、靜載方案比選

為了保證南北側(cè)模塊的提升能力滿足立管提升的要求，必須選擇合適的負(fù)載進(jìn)行拉力測試[5-6]。常見的負(fù)載試驗方式主要有兩種，分別是動載試驗和靜載試驗。動載試驗主要指采用稱重水帶或配重塊進(jìn)行負(fù)載測試，而靜載試驗主要是指采用固定吊點進(jìn)行靜態(tài)的負(fù)載測試。由此在設(shè)計初期，主要考慮了兩種方案。

（1）方案一

利用設(shè)備下方的懸空區(qū)域，采用稱重水袋的方式進(jìn)行提拉系統(tǒng)的負(fù)載試驗。當(dāng)然此方案存在以下風(fēng)險：水袋在懸掛時易發(fā)生重心偏移，有可能導(dǎo)致晃蕩帶來的碰撞;索具、水袋的懸掛需要滿足需求的大型吊裝工具比如吊車。并且此方案存在難點，框架尺寸方面，北部臨時模塊框架為10 500 mm （E-W）×11 500 mm （N-S）×13 100 mm （Vert）;南部臨時模塊框架為18 050 mm（E-W） x12 300 mm （N-S）×13 100 mm （Vert）。而單個30t稱重水袋展開長度能有8m，受懸掛點和框架尺寸大小的影響，無法使用大量的稱重水袋，從而無法達(dá)到提升系統(tǒng)的工作載荷。

（2）方案二

由于南、北部的模塊區(qū)域下方為懸空區(qū)域，可選擇制作滿足負(fù)載試驗所需的調(diào)試用工裝，將臨時工裝焊接至南、北部下方的過道上部空間，利用絞車和鏈?zhǔn)角Ы镯數(shù)匿摻z繩或鋼鏈及其對應(yīng)的索具，對臨時工裝進(jìn)行牽引，以驗證提拉系統(tǒng)的負(fù)載能力[7-8]。此方案的風(fēng)險有工裝應(yīng)力計算偏差、焊接后應(yīng)力承載力下降、過道的結(jié)構(gòu)被拉伸變形等，并且此方案存在以下難點：過道上部結(jié)構(gòu)屬于浮體結(jié)構(gòu)，可能并沒有合適的地方焊接臨時工裝。臨時工裝的承載力可能也無法滿足提升絞車的最大安全載荷，只能進(jìn)行工作負(fù)荷的牽引試驗。

綜合考慮，由于方案二的可操作性較高，并且風(fēng)險系數(shù)比方案一低，確定選擇方案二為最終拉力測試方案，在船體porch旁增加臨時吊耳進(jìn)行拉力測試。

2.3 靜載拉力測試關(guān)鍵點

為盡量降低靜載拉力測試的風(fēng)險，需嚴(yán)格進(jìn)行以下準(zhǔn)備工作：

（1）評估合適的吊耳焊接位置;

（2）進(jìn)行準(zhǔn)確的吊耳應(yīng)力計算;

（3）吊耳焊接后進(jìn)行嚴(yán)格的無損檢測;

（4）保證吊耳的拉力承載能力留有一定余量;

（5）確保高強(qiáng)纜、索具以及張力卡環(huán)檢驗合格，無任何損壞。

3 拉力調(diào)節(jié)控制研究

3.1 拉力調(diào)節(jié)中的液壓控制

SCR提拉系統(tǒng)的拉力測試方案選用立管的正常工作載荷作為測試值，如圖8所示，鏈?zhǔn)角Ы镯數(shù)淖畲鬁y試?yán)χ禐?31 mT.主絞車的最大拉力測試值為330 mT。鑒于南北側(cè)的吊耳都有其強(qiáng)度極限（南側(cè)兩吊耳共400 mT、北側(cè)兩吊耳共600 mT），因此務(wù)必確保拉力值穩(wěn)步上升至測試值并且不會突然激增[9]。由于液壓油的壓力與設(shè)備輸出拉力直接關(guān)聯(lián)，因此在南北側(cè)模塊分別控制其液壓系統(tǒng)壓力，從而達(dá)到限制拉力的效果。

3.1.1 南側(cè)主絞車的液壓控制

如圖9所示，南側(cè)模塊上液壓油進(jìn)口處安裝有減壓閥，可通過專屬工具穩(wěn)定調(diào)節(jié)減壓閥的設(shè)定值。并且在減壓閥旁配有取壓口，可安裝移動式壓力表，隨時觀察系統(tǒng)的液壓油壓力，從而準(zhǔn)確、可控地對壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.1.2北側(cè)鏈?zhǔn)角Ы镯數(shù)囊簤嚎刂?/p>

在北側(cè)鏈?zhǔn)角Ы镯數(shù)囊簤簞恿ο到y(tǒng)內(nèi)配有PSV，通過調(diào)節(jié)HPU的液壓控制系統(tǒng)的輸出壓力，以調(diào)節(jié)鏈?zhǔn)角Ы镯數(shù)娜丝谝簤河蛪毫?，從而可以調(diào)節(jié)鏈?zhǔn)角Ы镯斣O(shè)備的輸出拉力。如圖10所示，此PSV的調(diào)節(jié)方法如下：松開調(diào)節(jié)旋鈕的固定螺帽，一邊觀察壓力表的示數(shù)，一邊使用六角扳手對調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行緩慢調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到所需的壓力值后，將固定螺帽恢復(fù)擰緊狀態(tài)。

3.2 拉力測試程序

3.2.1 南側(cè)主絞車?yán)y試程序

在進(jìn)行正式拉力測試前需做如下準(zhǔn)備工作：

（1）確認(rèn)拉力測試選擇的porch旁的pad eye的尺寸和安裝情況與設(shè)計圖紙一致;

（2）檢查pad eye、滑輪組等結(jié)構(gòu)物的焊接無損檢驗報告;

（3）確認(rèn)卡環(huán)與吊耳、卡環(huán)與高強(qiáng)纜的連接，滿足載荷試驗的要求;

（4）確認(rèn)主絞車的鋼絲繩已完成南側(cè)/西側(cè)Load test前的滑輪穿繩工作;

（5）啟動主絞車，將鋼絲繩下放至測試吊耳附近，按照索具配扣圖進(jìn)行卡環(huán)與吊耳的連接;

（6）連接張力卡環(huán)，確認(rèn)其處于正常T作狀態(tài);

（7）選擇適合載荷測試的低速模式。

完成上面的所有準(zhǔn)備下作后，開始正式的拉力測試程序如下：

（1）以50 mT負(fù)載對應(yīng)的液壓油壓力，調(diào)節(jié)設(shè)定液壓系統(tǒng)減壓閥，緩慢提升主絞車直至穩(wěn)定，并確認(rèn)張力卡環(huán)上顯示的載荷值和主絞車設(shè)備上的拉力顯示值接近（誤差值+5%范圍內(nèi)）;

（2）緩慢放下主絞車，卸去負(fù)載。并按照100 mT-150 mT-200 mT-250mT-300 mT重復(fù)上述步驟，每個負(fù)載步驟穩(wěn)定后停止1 min，并確認(rèn)系統(tǒng)各設(shè)備T作正常;

（3）負(fù)載為100mT時，手動關(guān)閉所有液壓馬達(dá)，利用手動泵，測試南部主絞車的應(yīng)急釋放功能;

（4）以330 mT的負(fù)載，調(diào)節(jié)設(shè)定液壓系統(tǒng)減壓閥，緩慢提升主絞車直至穩(wěn)定，并確認(rèn)張力卡環(huán)上顯示的載荷值和主絞車設(shè)備上的拉力顯示值接近（誤差值+5%范圍以內(nèi)），確認(rèn)系統(tǒng)各設(shè)備工作正常;

（5）當(dāng)載荷值達(dá)到330 mT時，持續(xù)10 min，并每隔5 min記錄測試數(shù)據(jù);

（6）緩慢地提放主絞車，直至載荷顯示為0，拆除相應(yīng)地卡環(huán)與鋼絲繩;

（7）確認(rèn)試驗后南部模塊與上模的連接螺栓無明顯變形、損傷，并對南部模塊的主要受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢驗。

主絞車液壓油壓力與絞車輸出拉力對照表如表3所示。

3.2.2 北側(cè)鏈?zhǔn)角Ы镯斃y試程序

同樣，北側(cè)在進(jìn)行正式的拉力測試前也要進(jìn)行相應(yīng)的準(zhǔn)備工作如下：

（1）確認(rèn)拉力測試選擇的porch旁的pad eye的尺寸和安裝情況，與設(shè)計圖紙一致;

（2）檢查焊接檢驗報告和NDT報告;

（3）確認(rèn)錨機(jī)的HPU系統(tǒng)的PSV設(shè)定已采用適用于Load test方案的調(diào)節(jié)方案;

（4）確認(rèn)卡環(huán)與吊耳、卡環(huán)與鋼絲繩的連接，滿足載荷試驗的要求;

（5）確認(rèn)鏈?zhǔn)角Ы镯數(shù)腻^鏈已完成北側(cè)Load test的錨鏈安裝工作;

（6）確認(rèn)北側(cè)模塊錨鏈已完成北側(cè)Load test前的滑輪穿繩工作;

（7）啟動鏈?zhǔn)角Ы镯?，將錨鏈緩慢下放至測試吊耳附近，按照索具配扣圖進(jìn)行卡環(huán)與吊耳的連接;

（7）連接張力卡環(huán)，確認(rèn)其處于正常工作狀態(tài);

（8）選擇適合載荷測試的手動模式。

北側(cè)模塊的鏈?zhǔn)角Ы镯斃χ档脑O(shè)定方法與南側(cè)有所不同，因為Rocker的角度變化會使得設(shè)備輸出拉力有所不同。根據(jù)錨鏈、高強(qiáng)纜以及吊耳的布置圖，可以預(yù)估出531mT的拉力輸出時，Rocker所在的角度為23°。根據(jù)圖11所示的錨機(jī)液壓油的壓力與Rocker angle的曲線圖，得出將HPU的PSV設(shè)定值設(shè)置為170 bar，可以確保輸出拉力不大于5 400 kN（約540 mT）。

此外，可根據(jù)Rocker所在的角度，分別估算出100 mT、200 mT、300 mT、400 mT、500 mT的液壓系統(tǒng)輸出壓力。并且由于角度會影響設(shè)備的輸出拉力，因此在鏈?zhǔn)角Ы镯斕崂瓡r，需密切關(guān)注錨鏈何時開始收緊、收緊時Rocker arm的角度。

確定了不同拉力值與液壓值的對應(yīng)數(shù)值后，就可以執(zhí)行北側(cè)模塊的正式測試程序如下：

（1）將液壓油壓力設(shè)定為100 mT的負(fù)載對應(yīng)壓力，緩慢提升鏈?zhǔn)角Ы镯斨敝练€(wěn)定，并確認(rèn)張力卡環(huán)上顯示的載荷值;

（2）緩慢提放鏈?zhǔn)角Ы镯數(shù)腻^鏈，卸去負(fù)載。并按照100 mT-200 mT-300 mT-400 mT-500 mT重復(fù)上述步驟，并確認(rèn)系統(tǒng)各設(shè)備工作正常;

（3）將液壓油壓力設(shè)定為531 mT的負(fù)載對應(yīng)壓力，緩慢提升鏈?zhǔn)角Ы镯斨敝练€(wěn)定，確認(rèn)張力卡環(huán)上顯示的載荷值，與531 mT誤差范圍值+10%;

（4）當(dāng)載荷值達(dá)到53lmT+10%時，持續(xù)10 min，并每隔5 min記錄測試數(shù)據(jù);

（5）緩慢地提放鏈?zhǔn)角Ы镯?，直至載荷顯示為0，拆除相應(yīng)地卡環(huán)與鋼絲繩;

（6）確認(rèn)試驗后北部模塊與上模的連接螺栓無明顯變形、損傷，并對北部模塊的受力主結(jié)構(gòu)（包含RockerPawl）進(jìn)行無損檢驗。

4 測試結(jié)果分析

4.1 南側(cè)主絞車?yán)y試結(jié)果分析

南側(cè)主絞車?yán)y試結(jié)果的準(zhǔn)確性與拉力值測量顯示裝置的準(zhǔn)確度息息相關(guān)，因此采用張力卡環(huán)與絞車白帶的load cel對比互校的方式進(jìn)行最終拉力值的判定分析[10-11]。其中與索具連接的張力卡環(huán)為經(jīng)過標(biāo)定的450 mT張力計，具有無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能如圖12所示。主絞車的load cell安裝在主絞車下方的Fairlead上，同樣具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，可直接在操作臺旁的顯示屏幕上進(jìn)行讀取拉力數(shù)值，如圖13所示。

如圖14所示，按照拉力測試程序依次對既定目標(biāo)拉力值進(jìn)行測試讀取，可以看出張力卡環(huán)讀取值和絞車load cell讀取值都非常貼近于目標(biāo)值，說明液壓油壓力控制到位，并且絞車?yán)觳僮髌椒€(wěn)。另外，統(tǒng)計不同拉力目標(biāo)值下的張力卡環(huán)和絞車load cell的相對誤差值如圖15所示，發(fā)現(xiàn)相對誤差均處于5%誤差線以下，充分說明了兩者皆有較高的準(zhǔn)確度，保證拉力測試結(jié)果的合理性。

4.2 北側(cè)鏈?zhǔn)角Ы镯斃y試結(jié)果分析

北側(cè)模塊的鏈?zhǔn)角Ы镯斃χ甘痉绞脚c南側(cè)模塊絞車有些不同，由于鏈?zhǔn)角Ы镯數(shù)膌oad cell位于止鏈器上，要獲取穩(wěn)定拉力值需要鋼鏈坐在止鏈器上，而拉力測試時受力點是pawl上，此時止鏈器是打開狀態(tài)，因此止鏈器的load cell在測試中無法應(yīng)用。所以在鏈?zhǔn)角Ы镯數(shù)睦y試過程中提供拉力值指示的只有經(jīng)過標(biāo)定的700 mT張力卡環(huán)。由于沒有可以對比的數(shù)值，因此在拉力測試中，調(diào)節(jié)液壓動力單元PSV的人員和觀察張力卡環(huán)遠(yuǎn)程指示值的人員要保持流暢及時的通訊，防止拉力值超出預(yù)定值太多[12-13]。

按照拉力測試程序統(tǒng)計后的張力卡環(huán)拉力值如圖16所示，可以看出所有數(shù)值都與既定目標(biāo)拉力值偏差較小，說明執(zhí)行過程良好，液壓油壓力和設(shè)備輸出拉力始終處于可控狀態(tài)。另外，當(dāng)張力卡環(huán)拉力值達(dá)到設(shè)備要求的正常荷載值后，停止加力，并開始計時，每3 min記錄一次數(shù)據(jù)，如圖17所示，以此測試分析設(shè)備的拉力保持性能。可以看出，整個過程中拉力值是輕微減小的，最終在15 min的時候拉力值降低了不到1%，說明拉力保持效果良好。5結(jié)束語

SCR提拉系統(tǒng)是半潛式生產(chǎn)平臺非常關(guān)鍵的系統(tǒng)，其決定著半潛式生產(chǎn)儲油平臺的生產(chǎn)工藝管線能否順利完成回接并投入生產(chǎn)。該系統(tǒng)需充分利用液壓系統(tǒng)、動力傳導(dǎo)系統(tǒng)以及大型吊裝船舶進(jìn)行配合，并需充分考慮拉力調(diào)節(jié)的方式。本文對不同的SCR提拉系統(tǒng)拉力測試方案進(jìn)行了闡述和對比，并在該半潛式平臺的實際建造和調(diào)試的過程中，驗證靜態(tài)拉力測試方案是成功的，同時也為后續(xù)的深水半潛式平臺SCR系統(tǒng)提拉系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的參考。

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