王文龍，林貽海，馮加偉，符秀全

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引 言

隨著科技水平的不斷進步，海洋油氣田資源由淺水海域向較深水海域進行勘探開發(fā)。水深的不斷增加以及較深水海域環(huán)境條件的嚴苛和惡劣使承載海上油氣田生產(chǎn)平臺的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(導管架)尺寸越來越大[1]，且重量可達萬噸級。導管架不僅需要完全抵擋海洋環(huán)境的沖擊和侵蝕，而且需要穩(wěn)定和牢固地支撐海上平臺所有系統(tǒng)設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)和海上人員的正常生活。

1 導管架結(jié)構(gòu)

某油氣田開發(fā)項目中的導管架重量為12 500 t，安裝海域水深為117 m，導管架總高度約130 m。由于該項目的上部組塊采用浮托方式安裝[2]，因此導管架的導管之間須設(shè)計預留出一定空間，以滿足作業(yè)船舶的穿插作業(yè)。

導管架結(jié)構(gòu)主要由A、B、1、2、2.1、2.3、3和4軸面上的導管、K型支撐(拉筋)和X型支撐(拉筋)及外部4根導管腿(A1、A4、B1和B4)附帶的裙樁套筒組成[3]，如圖1所示。導管架頂部1軸與2軸間距為12 m、2軸與3軸間距為40 m、3軸與4軸間距為12 m、A軸與B軸間距為18 m，導管架底部1軸與2.1軸間距為28 m、2.1軸與2.3軸間距為20 m、2.3軸與4軸間距為28 m，A軸與B軸間距為66 m。導管架共有6層水平片，標高分別為8.0 m、-16.0 m、-38.0 m、-62.0 m、-88.0 m、-115.5 m。

圖1 導管架結(jié)構(gòu)示例

為便于導管架的建造，采用3D軟件對導管架結(jié)構(gòu)進行模擬計算和分析，如圖2所示。導管架坐標系的選取如下：原點位于海圖基準面上導管架A軸面與B軸面之間的幾何中心，x軸指向?qū)Ч芗?軸面為正向，y軸指向?qū)Ч芗蹷軸面為正向，z軸豎直向上為正向。該導管架結(jié)構(gòu)沿坐標系y軸與z軸的中心面方向?qū)ΨQ。

圖2 導管架三維模型

2 萬噸級導管架建造

導管架重達萬噸，受限于海上作業(yè)船舶吊裝設(shè)備的能力，一般進行臥式建造[4](見圖3)，以便在其整體建造完成后采用滑移裝船和下水的方式進行海上安裝作業(yè)[5]。

圖3 導管架臥式建造示例(無裙樁套筒)

萬噸級導管架通過場地區(qū)域塊布置、模塊結(jié)構(gòu)片建造、模塊結(jié)構(gòu)片吊裝合龍等3個主要步驟建造完成：場地區(qū)域塊布置是指材料驗收場地、構(gòu)件預制場地、構(gòu)件涂裝場地、模塊結(jié)構(gòu)片建造場地和導管架總裝場地的布置；模塊結(jié)構(gòu)片建造是指將整個導管架優(yōu)化分解成各模塊結(jié)構(gòu)片進行建造；模塊結(jié)構(gòu)片吊裝合龍是指將建造完成的模塊結(jié)構(gòu)片按照組裝順序進行吊裝合龍。導管架組裝順序為：布置滑道和滑靴→安裝A軸面上2根導管A2.1和A2.3，并與滑道平行→安裝2.1軸面與2.3軸面之間的所有結(jié)構(gòu)片→安裝A軸面剩余的導管和結(jié)構(gòu)片→安裝A軸面與B軸面之間剩余的所有結(jié)構(gòu)片→安裝裙樁套筒。

2.1 場地區(qū)域塊布置

場地區(qū)域塊布置應結(jié)合導管架各場地的作業(yè)特點和整體建造需求進行統(tǒng)籌與具體安排。

2.1.1 導管架總裝場地布置

導管架總裝場地布置要求較高：基礎(chǔ)(滑道)須承載導管架的萬噸重量[6]，面積須滿足導管架本身尺寸和各類起重機全方位全負荷作業(yè)，位置須靠近碼頭邊沿以便導管架建造完成后拖拉上船。結(jié)合布置要求、場地基礎(chǔ)的承載能力以及導管架本身的結(jié)構(gòu)、重量和尺寸特點進行核算和分析，設(shè)定導管架的底部朝向碼頭前沿，A軸面朝下躺在滑道上，A軸面上2根導管(A2.1和A2.3)支撐在對應的滑道上。導管架總裝場地布置如圖4所示。

圖4 導管架總裝場地布置

2.1.2 滑道和滑靴設(shè)計

滑道和滑靴的設(shè)計[7]主要基于兩方面考慮：一是滑道結(jié)構(gòu)本身可承載導管架的重量；二是導管架建造完成后可克服導管架與滑道之間的摩擦力牽引拖拉至運輸駁船?；乐饕缮舷聦踊瑝K(超高強度混凝土)、滑道板(由超強度鋼板和特氟龍板組成，并涂抹特氟龍潤滑劑)、砂漿找平層(為平整和填充上下層滑塊之間、滑塊與鋼板之間的間隙)組成?；ブ饕射摻Y(jié)構(gòu)和木材組成，與導管架的導管進行焊接，成為導管架的一部分?；篮突サ慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計剖面如圖5所示。

圖5 滑道和滑靴的結(jié)構(gòu)設(shè)計剖面

經(jīng)核算和分析：導管架建造所使用的上下層滑塊強度不小于42.5 MPa，鋼板屈服強度不小于355 MPa；滑靴所使用的木材應為氣干密度不小于770 kg/m3的硬木，橫紋抗壓強度不低于5 MPa；滑道和滑靴的安裝精度應確保在±3 mm內(nèi)。

2.2 模塊結(jié)構(gòu)片建造

為提高作業(yè)效率并減小高空作業(yè)量，結(jié)合導管架組裝順序和現(xiàn)場起重機的起重能力，萬噸級導管架共優(yōu)化分解成52個模塊結(jié)構(gòu)片[8]進行同步建造。其中，整體尺寸和重量大、結(jié)構(gòu)復雜、建造難度大的模塊結(jié)構(gòu)片分別為41號/42號結(jié)構(gòu)片和49號～52號結(jié)構(gòu)片(裙樁套筒)。

2.2.1 41號/42號結(jié)構(gòu)片

由于導管架結(jié)構(gòu)具有對稱特點，41號/42號結(jié)構(gòu)片沿導管架坐標系y軸與z軸之間的中心面對稱。41號/42號結(jié)構(gòu)片主要由導管(1軸和2軸)、導管之間的拉筋等組成，如圖6所示。導管外徑為2.0 m、壁厚為80.0 mm，導管直線長度為42.3 m，拉筋的最大外徑為1.2 m、壁厚為22.0 mm，導管與拉筋的焊接處最小二面角為29.6°(屬于小角度)，且為設(shè)計疲勞節(jié)點，拉筋之間的最小間隙為75.0 mm。導管中心線位置誤差須在±10 mm內(nèi)，拉筋在導管上的組對偏差須在±12 mm內(nèi)。

圖6 41號/42號結(jié)構(gòu)片示例

為滿足41號/42號結(jié)構(gòu)片建造要求，采取如下措施：(1)測量支撐基礎(chǔ)(墊墩)位置、導管和拉筋的坡口和尺寸，精度須滿足要求[9]；(2)導管和拉筋按照圖6進行預組對布置，其位置中心線須滿足要求，然后在導管與拉筋之間安裝臨時支撐，控制結(jié)構(gòu)片的變形，以確保結(jié)構(gòu)片預組對的尺寸精度；(3)在考慮焊接收縮裕量的情況下，進行同步焊接以提高整體作業(yè)效率；(4)對于小角度的設(shè)計疲勞節(jié)點，在其焊接處四周留出足夠大的作業(yè)空間，以便全方位進行焊接，進而提高焊接合格率，焊接完成后，對焊道進行光滑過渡處理，以滿足焊接處剖面要求，確保該節(jié)點的疲勞壽命滿足要求；(5)整體焊接完成，對整個結(jié)構(gòu)片的尺寸進行測量，如發(fā)現(xiàn)有不滿足要求的局部位置，結(jié)合現(xiàn)場測量數(shù)值等實際情況采取熱微調(diào)直的措施，以達到尺寸檢驗要求。

2.2.2 49號～52號結(jié)構(gòu)片(裙樁套筒)

由于導管架結(jié)構(gòu)具有對稱特點，49號～52號結(jié)構(gòu)片(裙樁套筒)沿導管架坐標系原點對稱。裙樁套筒主要由導管腿、套筒筒體、軛板、剪力板、間隙板、卡樁器[10]、封隔器[11]等組成，如圖7所示。裙樁套筒的功能性強，卡樁器和封隔器等重要構(gòu)件對海上導管架的插樁、卡樁和灌漿作業(yè)產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響。導管腿的外徑為3.2 m，壁厚為100 mm；套筒筒體外徑為2.7 m，壁厚為45 mm，總體高度為15.0 m。導管中心線位置誤差須在±10 mm內(nèi)，套筒筒體中心位置誤差須在±12 mm內(nèi)。

圖7 裙樁套筒結(jié)構(gòu)

為滿足裙樁套筒建造要求，采取如下措施：(1)測量支撐基礎(chǔ)(墊墩)位置、裙樁套筒所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的坡口和尺寸，精度須滿足要求；(2)對導管腿、剪力板和軛板進行組對焊接，其位置中心線須滿足要求；(3)與套筒筒體(包括卡樁器和封隔器)進行整體預組對，考慮焊接收縮裕量，進行同步焊接以提高整體作業(yè)效率；(4)焊接完成，對整個結(jié)構(gòu)片的尺寸進行測量；(5)為確保海上導管架的插樁、卡樁和灌漿作業(yè)的順利進行，須分別對套筒筒體進行通徑試驗、對卡樁器進行液壓抱緊試驗、對封隔器進行充氣阻隔試驗。

2.3 模塊結(jié)構(gòu)片吊裝合龍

模塊結(jié)構(gòu)片建造完成后，根據(jù)導管架的組裝流程和導管架的對稱特點，進行同步吊裝合龍作業(yè)[12]，以提高整體作業(yè)效率。模塊結(jié)構(gòu)片吊裝合龍的最大難度在于41號/42號結(jié)構(gòu)片和裙樁套筒的尺寸和重量較大，41號/42號結(jié)構(gòu)片和裙樁套筒的重量分別為351 t和435 t。在結(jié)構(gòu)片吊裝合龍作業(yè)時，模塊結(jié)構(gòu)片與導管架總裝成片不僅涉及高空三維空間對接，而且涉及大尺寸導管與拉筋的高空組對焊接。導管中心線位置誤差須在±10 mm內(nèi)，拉筋在導管上的組對偏差須在±12 mm內(nèi)，套筒筒體中心位置誤差須在±12 mm內(nèi)。

為滿足結(jié)構(gòu)片吊裝合龍要求，以裙樁套筒為例進行吊點布置(見圖8)，采用3臺750 t起重機(主扒桿為100 m，回轉(zhuǎn)半徑為20 m)，吊裝作業(yè)采取如下措施：(1)測量模塊結(jié)構(gòu)片的尺寸及其在導管架總裝成片上的預留位置，精度須滿足要求；(2)分別在模塊結(jié)構(gòu)片和導管架總裝成片的預組對位置進行打點劃線，根據(jù)預組對位置模擬3臺起重機同步吊裝模塊結(jié)構(gòu)片的各自行走軌跡和操作流程，確保3臺起重機共同配合將模塊結(jié)構(gòu)片吊裝至預組對位置；(3)預組對滿足要求，進行同步焊接(提前在預組對位置搭建風雨棚，可容多位焊工進行全方位焊接)，提高作業(yè)效率和焊接合格率；(4)焊接完成，對模塊結(jié)構(gòu)片的相對位置和導管架總裝成片的位置進行測量。為確保模塊結(jié)構(gòu)片的吊裝合龍質(zhì)量和安全，結(jié)合模塊結(jié)構(gòu)片的吊裝方案，并考慮一定的安全系數(shù)，分別對吊裝作業(yè)時結(jié)構(gòu)片本身的強度、剛度和穩(wěn)定性，以及吊點和吊繩的強度進行核算分析，以確保結(jié)果滿足要求。

圖8 裙樁套筒吊點位置示例

3 應用效果

導管架建造質(zhì)量：從材料驗收、構(gòu)件預制、構(gòu)件涂裝到模塊結(jié)構(gòu)片建造和導管架總裝，在整個建造過程中的焊接一次合格率>97%，整體完工驗收合格率為100%。

導管架建造周期：實際建造周期比計劃周期縮短約2%，實現(xiàn)縮減建造周期和降低建造成本的目標。

導管架海上使用效果：導管架順利完成裝船、運輸和海上安裝作業(yè)，在上部組塊完成海上浮托對接后，對在百米水深海域的導管架整體進行檢查，所有的檢查項目的合格率為100%。

4 結(jié) 語

對現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境條件進行有效監(jiān)控是確保萬噸級導管架建造安全和質(zhì)量的前提。萬噸級導管架建造涉及的作業(yè)場地較多，且每個場地的作業(yè)環(huán)境條件各有不同，尤其是導管架總裝場地的作業(yè)較為復雜，其涉及的吊裝作業(yè)、高空作業(yè)、受限空間和射線作業(yè)等對相應的環(huán)境條件要求高，一旦環(huán)境條件監(jiān)控不到位，作業(yè)會在超出允許的環(huán)境條件下進行，將會給整個導管架建造安全和質(zhì)量帶來巨大風險。

嚴格控制每道工序的尺寸是實現(xiàn)萬噸級導管架成功建造的關(guān)鍵。萬噸級導管架所涉及的構(gòu)件數(shù)量繁多，一旦某道工序的尺寸不滿足要求且未及時采取措施進行調(diào)整，那么尺寸誤差將會逐步累積，以致超出尺寸控制范圍，這將對整個導管架的質(zhì)量造成不可預估的影響。