导管架海上安装施工

导管架海上安装施工摘要：钢制导管架式结构是目前海上油气田使用最广泛的一种平台结构，它的优点是结构简单、安全可靠、造价低廉、适应性强。在国外导管架平台已有一百多年的历史，与此相关的工艺技术十分成熟。在国内海洋石油开发起步较晚，相应的设备和技术与国外相比还很落后，导管架的作业局限于浅海领域，水深均不超过200米。我国的东海、南海蕴藏有丰富的油气资源，随着国内对海上油气进一步的开发，迫切需要掌握深水导管架的安装技术。本文将介绍国内导管架施工的一般方法和创新方法及使用实例。关键词：导管架，分立式组装，结构形式，吊装，拖航一．绪论海洋平台结构形式众多，大致可以分为三大类：一类是浮式结构，结构主要靠自身的浮力漂浮于海面，比如半潜式平台；第二类是固定式结构，结构牢固地直接与海底连接，如导管架式平台，重力式平台等；第三类是顺应式结构或称半固半浮态结构，此类结构既处于漂浮状态，底部又与海底相连(包括由张紧地锚索与海底相连的结构)，如张力腿平台，各类单点系泊和立管系统。目前大型深水导管架常用的海上安装方法有两种：一是吊装，采用大型的浮吊作业，比如国外Saipem7000安装有双7000吨浮吊，起重能力达到14000吨，国内有蓝疆号，起重能力是3800吨，二是滑移下水，下水驳船压载倾斜一定角度，导管架在自身重力作用下克服摩擦力沿滑道运动入水。下水之后浮正方法也有两种：一是通过浮吊钩头吊起，导管架底部注水浮正，二是由导管架顶部浮筒提供浮力自浮正的方法。由于深水导管架重量远远超过现有浮吊起重能力，现今滑移下水自浮正的方法能克服这一难题；20世纪70年代初在国外己开始有在海上实施成功的先例，80年代初，相关的设计、安装方法和数值模拟软件已趋于成熟，随着国内向海上深水油田的进一步开发，掌握这方面的安装方法并使之应用于深水项目尤为重要。二．分立式组装法海上采油平台大吨位导管架高度为19．2m，最底部的中心框架尺寸为25．92m×24m，因此，陆地预制时需采用分片立式组装法，即主结构采用“分片预制，立式组装”，井口胎架“分片预制、两侧同层同时安装”的方法。此方法在满足以上原则的同时，能够最大限度地提高各施工环节的工作效率，保证质量、安全和工期的需要。其主要特点包括：(1)合理利用人力资源、场地资源、设备资源，多点展开，提高劳动效率；(2)降低预制总高度，减少高空作业量；(3)陆地预制平面布置(导管架轴向)有利于靠船和装船作业；(4)提高导管架的防腐涂装作业效率；(5)有利于保证导管架附件安装质量；(6)导管架海上吊装就位时避免多次调整船位和重复吊装，节省海上施工时间。导管架施工采用预制A、B、C三个立面(见图1)，预制完成后再立片，完成A、B、C立面之间水平横撑、斜撑及层间菱形撑安装，随后完成立面导管安装和附件的安装(部分附件可穿插进行)。先将A、B、C立面进行水平预制，无损检测完成并经业主、第三方检验单位、监理单位等检验完成后开始准备单片吊装。组装时，先进行B、c立面的组装，完成后再进行A立面的组装。导管架中心主框架组装完成后，依次进行井口胎架组装和立面导管安装(见图4)。单片吊装前，在测量准确的水平撑管位置固定好揽风绳，并将其沿直线方向摆放在预固定位置，吊装时使用两台150t履带吊首先对c立面进行吊装立片作业，在吊装至桩靴后使用钢丝绳和手拉葫芦对其固定，并将导管架底部与桩靴加固。c立面固定后，150t履带吊撤离，吊装B立面。单片索紧固定采用中25．4ram钢丝绳和10t手拉葫芦索紧，下部手拉葫芦固定点选择在滑块(地锚)中心孔上，上部钢丝绳固定点选择在导管架上部横撑与导管的连接处。(1)单片立片时拖拉绳放足够长，以利于吊装(见图5)；(2)150t履带吊确定行走路线和位置；(3)联合吊起C立面单片；(4)地锚手拉葫芦收紧拖拉绳并调整单片的角度达到设计位置。具体做法：吊车吊起单片构件使之直立；使用手拉葫芦将钢丝绳拉紧。钢丝绳采用锚卡紧固，使用经纬仪、水准仪测量单片垂直度及水平横撑水平度，利用调节千斤顶进行定位。单片的角度、位置调整好后，主导管与支座用肋板固定焊接；(5)150t吊车移位，吊B立面单片，方法同上；(6)吊车撤离，B立面主体单片吊装完毕；(7)B、C两片立完后，开始搭设脚手架，人员工作处满铺钢跳板并绑扎牢固，工作区域要搭设护栏及外挂安全网。脚手架的搭设既要保证安全，又要不妨碍构件的吊装。脚手架要搭设攀爬斜梯(带有护栏)；(8)立面自下而上依次加装三层共6根水平横撑；(9)B、C两片立完后，进行A立面立片组装，方法同上。三．浮托安装的新型导管架海上中心处理平台或多井口钻井平台导管架通常都具有超大型组块，其安装基本采用大型浮吊吊装或大型驳船浮托安装2种方式。位于我国渤海的有些油田，如锦州9—3油田海图水深只有8．9m，难以满足大型浮吊吊装作业的水深要求。若将大型组块分割成多块后再利用小型浮吊完成吊装，会增加海上连接调试等作业时间，大幅度增加海上施工费用，也影响到油田的投产时间，而且海底疏浚已经被越来越严格的环保要求所限制。浮托法作为一种成熟的大型组块的海上安装方法[1]，在浅水区常规的导管架型式无法适用。以锦州9—3油田综合调整项目中CEPD的导管架设计为基础，打破了渤海浮托平台的常规模式，研发出了一种新型导管架型式，即大型组块在2个小导管架间进行浮托作业。实践证明，这种新型导管架型式不仅满足了浮托安装所需的大跨度通道，而且满足了大型综合平台的支撑强度要求，从而为浅水区油田开发提供了一种新的方式。对于这种新型导管架，浮托法安装时除静力、地震、疲劳等在位分析必须满足规范要求之外，还需完成装船、拖航、吊装、碰撞等关键技术分析(表1)，其中导管架的吊装是需要解决的最大难题。由图可见，锦州9—3油田新型导管架在位状态为2个相对独立的四腿导管架，浮托平台安装时对导管架的精度要求很高，2个导管架共8个支撑腿柱的高程及相对位置必须在严格的控制范围内，以便于组块与之完整对接。为解决此问题，在设计中采用了辅助吊装框架。该吊装框架具有以下几个特点：（1)吊装过程中能够将2个导管架连接为整体，达到整体安装。（2)为满足浅水区浮吊吊高能力，吊点设置在水面以下，须配置液压卡环。（3)框架构件本身要满足吊装计算的规范要求。（4)保障安装完成的2个四腿导管架保持在同一水平面，确保浮托安装时甲板组块的精确就位。（5)该吊装框架采用了水下为插尖套筒连接，水上为焊接的连接短桩(STUB)，因此安装及调平之后能够较便捷地拆除。（6)吊装框架设置在主轴外侧，既不挤占槽口空间和船舶空间，又方便切割；同时，该框架下端设置为套筒型式，有效避免了水下切割，提高了施工效率，消除了在气温较低的月份潜水工作的危险性。此外，锦州9—3油田新型导管架在设计中还采取了以下技术措施：（1)为保证驳船进退船的空间满足要求，位于重冰区的导管架须将通道内的抗冰锥体后安装。（2)靠船件及栈桥等附属结构布置满足浮托要求。（3)若采用先期打井，则浮托平台井口区的构件须考虑与采油树的安全避让问题，尽量将工作甲板放置的设备与甲板置于进船方向的后侧。当新型导管架安装就位、桩与隔水套管安装完毕、灌浆强度满足要求后，首先将吊装框架的上层水平构件连接切割(图4)，然后将主腿轴南北两侧连接立片框架的4个STUB切割，再将辅助框架从套筒中提出移走；拆除完成后检测钢桩工作点标高处的跨距，进行组块的浮托安装。四．导管架和组块的吊装与拖航4.1吊装4.1.1吊点的形式目前工程建造中使用的吊点有2种：板式吊点和管子轴式吊点。它们在以往导管架和组块的吊装施工中都使用过，在结构物安装完毕后一般被割除。考虑到将来有可能用于搬迁组块或平台，笔者建议把吊点保留下来。如果把吊点设计成下潜式，使其低于甲板平面或布置在甲板边缘或外侧，就可避免切割。当被吊物体的质量较大时，可采用管子轴式吊点。这不仅可避免卡环承载能力的限制，而且可简化对吊点板复杂构造形式的设计和其投影关系的计算，使枇杷头增大受力状态下的曲率半径，使钢丝绳在结点处受力更合理。4.1.2吊点的布置与数量被吊结构物的吊点布置涉及3方面问题：(1)吊点的数量和住置这与结构物的吊装质量、重心位置和结构形式有关，海洋工程结构吊装中常用的吊点数量为4、6、8等几种，依具体要求而定。(2)吊索的拉力吊索拉力如果较大，与吊点相邻的杆件和局部构造需要特殊处理。(3)吊索的长度规范规定吊索与吊点平面间的夹角应等于或大于60。，对此要视结构施工的具体情况而定，不能一概而论。例如，在绥中36—1油田Ⅱ期工程井口平台上部组块吊装中，原设计方案选用BH108船进行吊装，由于施工时组块质量增加了，后来改用上海打捞局的大力号浮吊完成了吊装作业。这2艘浮吊的吊高存在很大差异，最大起重高度相差12rn；这样一来，吊高就成了应解决的首要问题，调整吊索长度成为解决吊高不足的主要方法。4.1.3吊装质量大小的控制关于质量大小的控制，无论是结构设计质量，还是材料、设备等其他设计质量，原则上都应该是“概念设计包住基本设计，基本设计包住详细设计，详细设计包住加工设计”，随着设计工作的进一步开展，吊装质量应一步步细化，愈来愈清楚。总之，基本设计的质量分配是不能轻易突破的，否则会造成对原定方案的修改，从而引发一系列的问题，使工作处于被动中。即使结构物(组块)建造完工后可以称量，所得的准确的组块质量和重心位置，也只是用于确认浮吊的最大起重能力或起重前的限制质量。如果称量结果与原设计值相差较大，那么对原设计的吊装分析就需要重新校核。这样不仅影响工程进度，而且可能使原设计的吊装方案无法实施。4.2拖航拖航力是一种往复周期性荷载，如果拖航的时间、航程比较长，那么这种荷载是不容忽视的。国外曾有深水导管架拖航还没拖到就位现场，某些构件的焊缝就出现裂纹，其中有些是风振疲劳损伤的事例。目前对渤海海域内拖航有2种分析方法：一种是简化成准静力的计算方法，采用保守的10／20方法计算拖航力；另一种是使用OSCAR程序先计算出船舶的运动特性，然后再计算拖航力。2种方法的计算结果表明，在相同的环境条件下，用第1种方法求得的拖航作用力比用第2种方法大。在环境数据不全或没有环境数据的情况下。用10／20方法进行拖航分析，既简便，又可靠。实际上在渤海海域内拖航，一般只需两三天就到达施工现场；即使赶上大风天气，将驳船拖离现场到港湾或浅水区避风，用1昼夜的航行时间也就够了。由于航程短，对结构物不作详细的疲劳分析是可行的，也就是说，在渤海海域内进行拖运作业，结构物不会出现疲劳问题；但需要考虑以下3点：（1)结构物装船后除原设计的支撑外还要增加辅助支撑，其目的在于加强连接、固定，但这要经过整体分析来确定；因为改变原设计结构支撑的布置，作用力就会重新分布，这对结构物(导管架或组块)不一定有益。（2)要注意连接点的固定和支撑垫堆的设置。在吊装与拖航施工中，每个阶段都有其各自的关键点。如详细设计阶段，关键点为平台结构所具备的承受外力的能力；施工设计阶段，关键点为施工过程和施工设备的安全；拖航阶段，关键点为船体的强度和连接固定点的安全(尤其对外租驳船或不是用于运输大件——组块和导管架的专用驳船)。（3)关注质量大小不准确系数的选用。对同一导管架或组块无论是吊装还是拖航，选用的质量不准确系数是一样的。这里包括2部分内容：一是不可预计的质量，二是原设计数据的放大或发展。4.3结论与建议（1)吊点数量的选择，要根据具体条件而定。吊点少，受力简单，但各吊点受力大，因此强度要求高。如果适当地增加吊点的数量，可缓解这一矛盾。（2)拖航施工分析的重点，是驳船的强度校核和垫堆、固定点的设计。（3)进行吊装分析，需适当考虑动力放大系数与质量大小等级的对应关系。（4)需保留吊点时，把吊点布置在不影响后续工作的位置，即可省去海上切割吊点作业，又可将吊点用于以后的整体结构搬迁。（5)组块整体称量通常发生在最后的完工阶段，这样做会把问题压到最后考虑，而届时又来不及进行；最好各专业实行质量大小分配和控制；质量大小不清楚的设备或散料则全部称量后再上平台施工。（6)随着组块整体质量的增加，吊点的预制和其厚板的焊接