宋國輝 王永偉 張士艦 楊子龍 秦野 沙耀華

（海洋石油工程股份有限公司,天津,300452）

引言

近年來，隨著我國南海開發(fā)戰(zhàn)略的深入進行，深水海域海洋工程油氣資源的開發(fā)項目正在逐步開展,跨接管是連接水下管匯、海底管線終端、采油樹等的橋梁，因其結(jié)構(gòu)柔性和安裝便捷性,是深水水下管匯連接的常用選擇方案[1]。跨接管安裝時需要大型浮吊船、水下機器人、高精度定位設(shè)備等的配合作業(yè)，海上深水作業(yè)成本非常高，因此，跨接管建造尺寸控制非常關(guān)鍵。

跨接管按其材料可分為剛性跨接管和柔性跨接管；按其形狀可分為M型、倒U型、水平跨接管，可根據(jù)水下系統(tǒng)的具體情況選擇相應(yīng)的跨接管形式[2]。本文以正在開發(fā)的南海陵水氣田項目為例，介紹了剛性M型跨接管陸地建造中尺寸控制的方法與要點，通過應(yīng)用現(xiàn)代的測量儀器與技術(shù)，根據(jù)跨接管建造的特點，分別對工裝基座的傾度、定位測量，以及跨接管預(yù)制和總裝各階段的尺寸控制。希望能為后續(xù)類似的工程項目提供參考。

1 跨接管測量的邏輯與流程

水下管匯模塊、海底管線管終端上設(shè)計有連接跨接管的基座，基座上部為法蘭，待模塊、海管終端在海底安裝固定完畢，通過應(yīng)用長基線、水下ROV機器人、姿態(tài)儀、壓力傳感器等水下精密定位設(shè)備與技術(shù)，測量出兩基座法蘭面之間的高差、法蘭中心間距離，以及每個法蘭端面相對兩基座中心連線的傾度，做出設(shè)計圖紙，作為陸地剛性跨接管建造的理論數(shù)據(jù)?？缃庸芙ㄔ爝^程中允許制造公差應(yīng)滿足：焊縫角度公差公差≤±1°；預(yù)制部件尺寸公差≤±4mm；水平度尺寸公差≤3mm，制造公差會導(dǎo)致在安裝時產(chǎn)生強制位置載荷[2]。其陸地測量流程如圖1所示。

圖1 跨接管測量流程圖

2 工裝基座與支架的測量內(nèi)容與方法

2.1 工裝基座傾度測量

由于海底地表不平，造成基座存在傾度,可利用工裝支架上螺栓調(diào)節(jié)工裝基座傾度。前后傾（PITCH）和 左右傾（ROLL） 的測量可采用法向量法計算傾度，因為基座和法蘭為精密加工，其同心度精度非常高，其法蘭面的法向量與圓柱軸心線平行，法向量的傾度也就是基座的傾度。在法蘭上端面上測量6個點，通過軟件計算出Pitch和Roll向夾角，基座傾度控制如圖2 所示。

圖2 基座傾度控制示意圖

2.2 工裝基座與支架定位測量

利用法蘭上的中心孔，在地面上返出中心線，根據(jù)設(shè)計圖紙尺寸，應(yīng)用全站儀實時測量兩工裝基座中心孔數(shù)據(jù)，可將工裝基座調(diào)整至理論的尺寸和高度。工裝基座定位控制如圖3所示。

圖3 工裝定位控制示意圖

根據(jù)測量值，SDU 側(cè)支架限位到HUB FACE的高度5732mm，A向ROLL偏移為1.34°，應(yīng)用三角函數(shù)很容易計算出支架限位中心與中心線偏移值為134mm,然后應(yīng)用基準線法測定水平位移[3]，利用全站儀將支架放樣位到合適位置，測量如圖4所示。工裝基座調(diào)整完成后，需對工裝基座進行最終測量，已驗證基座的各個參數(shù)滿足設(shè)計圖紙及標準要求。

圖4 支架偏移控制示意圖

3 跨接管測量內(nèi)容及方法

3.1 預(yù)制階段測量

跨接管由彎管、直管、連接器組成，一般在車間分四段預(yù)制，兩個U型管段、兩個中央直管段，分段預(yù)制測量包括：彎管角度、尺寸、水平、連接器扭矩接口角度測量。如圖5、圖6所示。

圖5 “U”型管段控制示意圖

圖6 中央直管段控制示意圖

為了保證測量點的準確性，需要在預(yù)制階段在跨接管調(diào)至水平狀態(tài)后，再進行測量點的標記，應(yīng)用水平尺和角尺將測量點標識到管線水平放置的最高點，以及最高點內(nèi)側(cè)管線90°方向上，并用反射片做好標識。

深水跨接管在水下安裝時，采用ROV水下機器人機械臂進行螺栓緊固，扭矩工具接口與跨接管的角度應(yīng)滿足機械臂能夠在水下作業(yè)時不受遮擋，跨接管調(diào)整至水平狀態(tài)后，測量最高點，通過計算軟件計算出角度值。連接器扭矩工具接口角度測量如圖7所示。

圖7 連接器扭矩工具接口控制示意圖

3.2 總裝階段測量

跨接管組件預(yù)制完成后，緩慢吊裝至工裝基座上，通過三道現(xiàn)場口（FW）進行總裝對接?？傃b對接測量包括：連接器傾度、現(xiàn)場口管線切除余量、現(xiàn)場口角度、HUB FACE 尺寸及高差、平管高差等尺寸測量。

海底管匯、管道終端Hub等水下生產(chǎn)設(shè)施的PITCH和ROLL方向建造誤差會影響最終安裝位置[4]，連接器傾度需要與工裝基座傾度一致，連接器為精密加工，上端面為法蘭平面，可采用向量法進行傾度測量。連接器傾度測量見圖8。

圖8 連接器傾度示意圖

跨接管預(yù)制時在現(xiàn)場口（FW)位置各管端都留有切割余量，在總裝對接時需根據(jù)理尺寸進行切除，如圖9,需要對總裝整體尺寸進行測量。

圖9 跨接管總裝測量示意圖

管線需要進行通球測試，以保證球閥內(nèi)順利通過管徑，如圖10，需要測量控制對接口角度。

圖10 現(xiàn)場口角度測量示意圖

另外，需要注意跨接管在總裝的組對后和焊接完成后，都需要對所涉及的尺寸和角度進行測量，已保證其各項參數(shù)滿足圖紙和公差要求。

4 測量控制要點

4.1 溫度和光照對管件尺寸的影響

因溫度變化會造成管件發(fā)生熱脹冷縮效應(yīng)，從而對其長度和角度測量產(chǎn)生影響。根據(jù)文獻[5],一根圓管在溫差較大的夏天測量時，清晨和下午長度變化達到13mm。國外項目涉及鋼結(jié)構(gòu)測量會規(guī)定一個標準溫度，一般為20℃，在建造過程中所有結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)換算成20℃溫度下值，這樣可以最大限度減少溫度對管件測量的影響。

其經(jīng)驗公式為[6]：L=L0+φ×L0×Δt，碳鋼系數(shù)采用0.000012。

在露天環(huán)境下對鋼結(jié)構(gòu)測量時，應(yīng)注意光照對結(jié)構(gòu)直線度影響。在測量過程中，管線關(guān)照面和背光面的溫度會有明顯差別，從而導(dǎo)致管件發(fā)生彎曲效應(yīng)[7]，因此，在跨接管露天總裝測量角度時，因盡可能在早晨或陰天時進行測量。

4.2 測量點選擇對管件尺寸的影響

如圖11，預(yù)制階段我們在管線最高點和內(nèi)側(cè)管線90°方向上返了兩個測量點,在水平、高差、豎直角度測量時應(yīng)用90°最高點P1，在水平尺寸、水平角度測量時需選擇0°方向上點P4。因為，返點時存在人為的偶然誤差L1和H2，根據(jù)測量學(xué)中水準面曲率對距離測量的影響[8]，可知對測量時產(chǎn)生尺寸ΔH、ΔL影響。

圖11 測量點選擇造成誤差示意圖

由運算計算可得，

設(shè)，返點造成誤差L 1=H 2=2 m m 時，對于1 0 英寸管線，R=1 3 6.5 m m,計算得，ΔH=ΔL=0.015mm；對于20英寸管線，R=254mm,計算得，ΔH=ΔL=0.008mm。

當(dāng)R變大時，ΔH、ΔL隨之變小，即，管徑越大，返點造成的誤差越小。

也就是，由于返點錯誤，將P1點誤返至P2，P4點誤返至P3。若水平尺寸采用90°最高點P2測量長度時，造成返點誤差L1=2mm,管線兩側(cè)誤差累加為2*L1=4mm，那么測量整體長度時造成4mm誤差。若采用0°方向內(nèi)測點P3，加上管線直徑測量，僅造成2*ΔL=0.03mm誤差，對于標準要求≤4mm公差要求，可忽略不計。

表1 返點誤差對角度測量影響 單位：mm

由此可知，水平角度Δα測量選擇0°方向點時，對結(jié)果幾乎無影響。同理，測量豎直方向角，應(yīng)選擇90°方向點進行測量。

5 結(jié)束語

多年來，剛性M型跨接管深水定位測量、陸地建造測量、安裝定位測量核心技術(shù)一直掌握在國外測繪公司，以至于花費高額費用邀請國外團隊進行測量測繪作業(yè) 。我們結(jié)合自身對海洋鋼結(jié)構(gòu)測量技術(shù)的經(jīng)驗積累，設(shè)計了一套適用于跨接管建造的測量方案，實現(xiàn)在剛性跨接管陸地建造測量技術(shù)的突破。

本文總結(jié)了剛性M型跨接管建造過程中的測量經(jīng)驗和要點，在建造前需要測量工裝基座模擬海底管線終端和水下管匯的狀態(tài)，基座測量時應(yīng)用法向量法代替測量圓柱中心線法測量傾度，大大提高了基座調(diào)整工作效率；分析了測量點的選擇，減少了返點誤差對角度和尺寸測量的影響；注意溫度對測量結(jié)果的影響，應(yīng)用經(jīng)驗公式將測量尺寸換算成標準溫度下值，同時注意光照對測量結(jié)果的影響，選擇在早上、傍晚或陰天時候進行關(guān)鍵點測量已減小誤差。本文所涉及的測量方法同樣適用于倒U型和水平跨接管等建造的尺寸控制。