水下生產系統跨接管場地吊裝難點分析

孫金麗，儲樂平，劉繼穎，郭興偉，宋 潔

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

水下生產系統跨接管場地吊裝難點分析

孫金麗，儲樂平，劉繼穎，郭興偉，宋 潔

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

針對水下生產系統跨接管在陸地建造過程中的吊裝作業難點，著重分析如何降低大跨度柔性細長桿件跨接管吊裝作業過程中的變形，以及降低吊裝過程中吊機起吊高度等，提出使用多擋繩柱吊裝撐桿并采用4點起吊的措施。應用SACS軟件對跨接管吊裝進行模擬計算，確定跨接管和撐桿總成的質量、重心，并由此確定吊鉤、撐桿與跨接管之間的鋼絲繩布置。根據計算結果中的吊繩力確定鋼絲繩的規格，最終得出吊裝過程中跨接管和撐桿的應力和變形情況。分析結果對后續水下生產系統跨接管、膨脹彎等細長管系結構吊裝有一定的借鑒意義。

水下生產系統；跨接管；吊裝；撐桿

依托周邊設施開發是當前深水石油開發的主要模式。此模式簡述如下：來自井口的油氣經各自采油樹的出油口進入導向生產底座下部的集輸管線內，采油樹通過跨接管連接到管匯，油氣從各井口匯集到管匯后，再通過跨接管進入海底輸油管線，再進一步輸送到附近的生產平臺，最后在生產平臺上集中處理［1］。

由此可見，在深水油氣田開發的主要設施中，例如生產平臺、海底管線、采油井口、采油樹、管匯、跨接管及控制系統，跨接管是水下生產系統的重要設施［2］。跨接管通常用于連接采油樹和中心管匯、采油樹和在線管匯、采油樹和海管終端管匯以及海管終端和中心管匯等。跨接管水平放置在海底，主要起連接和轉向作用。

由于水下生產系統各設備之間的跨接管多為剛性管，跨接管陸地建造時必須考慮長度方向和高度方向的余量，當水下管匯和采油樹安裝完畢，下放機器人測量水下管匯和采油樹就位后的準確坐標，以便確定跨接管連接器的位置。根據測量獲得的水下管匯和采油樹上2個H UB之間的水平相對位移、垂直相對位移、雙傾角度以及距離海底的高度［3］數據，切除跨接管長度和高度方向的余量并確定跨接管與連接器焊縫處雙傾角度，使跨接管連接器與水下管匯和采油樹上2個HUB準確對接，從而精確完成跨接管陸地建造。

1 場地吊裝難點

大部分的自由站立式混合立管剛性跨接管都是“M”型，端部為垂直連接器［3］，考慮靈活性并減輕流體管和連接器的載荷應力，跨接管轉角處設置5倍管徑的平面內彎頭，跨接管通過立式卡爪連接器與2端管匯上H UB進行連接。由于在水下需要使用安裝工具將跨接管連接器與水下管匯和采油樹上2個HUB相連，因此在場地預制的跨接管吊裝要考慮2端端部連接器安裝工具的重力。圖1為水下生產系統跨接管典型示意圖。

下面以某油氣田的254 mm（10英寸）跨接管陸地建造為例，分析跨接管場地吊裝過程中的幾個難點和解決措施。

圖1 跨接管典型安裝示意圖

該跨接管長29 m，高7.71 m，質量約為21.4 t，流體管規格為?273.1 mm×15.9 mm，三維模型如圖2。

圖2 某油田用254 mm（10英寸）跨接管三維模型

吊裝難點主要有5點：

1） 跨接管跨度大，管徑小，屬于大跨度柔性細長桿件。吊裝時，跨接管易被繩扣擠壓產生變形以及在吊裝過程中的自身重力作用下產生過大擾度。

2） 需要使用安裝工具將跨接管2端連接器和水下管匯和采油樹上2個HUB連接。因此吊裝時需要考慮安裝工具的重力。安裝工具單個重力為52 k N，而跨接管重力為105.51 k N，因此重力主要分布在跨接管2端。跨接管重心在幾何中心。重力分布不平衡會導致吊裝困難。

3） 對于非對稱的管系結構，其重心位置確定至關重要，必須保證吊鉤與重心在同一鉛垂線上。

4） 跨接管跨度大，撐桿吊點布置采用傳統的2點起吊，結合吊車的起吊高度能力，鋼絲繩與撐桿60°夾角難以保證。

5） 吊裝作業中安全性的保證有難度，跨接管和撐桿以及鋼絲繩強度要滿足要求，并且變形也要在允許范圍內。

2 解決措施

2.1 跨接管吊裝輔助工裝（撐桿）

為了避免跨接管吊裝時跨接管被繩扣擠壓產生變形，以及在吊裝過程中，自身重力作用下產生過大擾度，因此采用輔助工裝撐桿來進行吊裝。

考慮到管材截面的慣性矩在各個方向都一致，沒有穩性薄弱面。因此撐桿選用管材作為主體，撐桿的截面根據利庫材料，并結合強度計算分析來確定。

考慮到跨接管長度、直徑規格較多，因此設計不同長度和不同截面的通用撐桿。對于此油氣田設計長30 m，規格為?325 mm×20 mm的鋼管。考慮到撐桿與跨接管之間的鋼絲繩連接需要，撐桿2端9 m范圍以及中間3 m范圍內設置300 mm間隔的擋繩柱，擋繩柱為?114 mm×6 mm鋼管，長300 mm。

2.2 跨接管與撐桿連接工具

考慮到跨接管吊裝時2端裝配安裝工具導致重力不平衡，并且在吊裝作業過程中，跨接管變形限制，因此撐桿與跨接管之間經過軟件反復計算，采用5根連接吊繩較合適，其中撐桿與跨接管端部的吊繩與安裝工具上2個吊耳相連接［4］，圖3是Cameron提供的安裝工具，在安裝工具上有2個吊點可以布置成2點起吊。

圖3 安裝工具示意

2.3 吊掛位置

通過SACS軟件建模可以確定結構件質量、重心。并且通過重心位置確定吊鉤位置，保證吊鉤與重心在同一鉛垂線上。

2.4 吊點布置

撐桿布置4個吊點，設置成4點起吊。4點起吊中間2點鋼絲繩與地面夾角不小于60°，兩端鋼絲繩與地面夾角不小于45°。具體吊點布置通過SACS軟件試算來合理確定。并且吊鉤高度也通過SACS軟件來試算，此高度還需滿足吊機起吊高度的能力。

2.5 SACS軟件計算

利用SACS軟件，可以得出吊裝過程中節點位移變形以及結構件應力，保證強度和變形在允許范圍內。并且可以通過吊繩力計算結果確定鋼絲繩的規格。如下計算中，8根鋼絲繩中最大承受軸力為34.84 k N，考慮安全系數，選取6×37（a）＋IWR公稱直徑18 mm以上的鋼絲繩。

3 跨接管陸地建造吊裝設計分析

3.1 結構建模

計算分析采用海事分析軟件SACS（Seastate Analysis Computer System）來計算。SACS軟件由美國Engineering Dynamics公司開發，為有限元分析軟件，最早起源于航空航天技術，現已發展為海事結構設計分析中應用最廣泛的軟件之一。

3.2 輸入及邊界條件設置

1） 254 mm（10英寸）跨接管為?273.1 mm× 18.9 mm鋼管；撐桿利用利庫材料，為?325 mm× 20 mm鋼管；鋼絲繩為?200 mm×2 mm管，密度為0.001 kg／m3。

2） 設置鋼絲繩只承受軸向力。

3） 邊界條件：吊鉤處設置成全固定［5］，結構邊界處設置彈簧，彈力為5 k N／m。

圖4為計算模型約束條件，采用4點吊裝。

圖4 254 mm（10英寸）跨接管吊裝約束條件

3.3 載荷條件

DEAD為結構自重力，FORCE為跨接管2端連接器和安裝工具重力，工況有C01，L115，L150三種。C01＝1.05×（DEAD＋FORCE），1.05為重力不確定系數；L115＝1.15×C01，1.15為結構一般桿件動載系數；L150＝1.5×C01，1.5為吊點處桿件動載系數。表1是基本載荷和組合載荷數值。

表1 基本載荷和組合載荷k N

3.4 計算結果

最大節點變形數值如表2。圖5為變形圖。

表2 自重力產生的最大節點變形數值mm

圖5 桿件節點變形位移數值

節點應力UC（最大）＜1，強度滿足要求，具體如表3。

表3 桿件最大應力UC值

4 跨接管陸地建造吊裝施工過程

在吊裝過程中，需要注意以下幾點：

1） 劃定作業區域，設立警示標志，禁止非作業人員進入。

2） 由專業起重人員穿掛鋼絲繩扣，系帶穩繩，防止貨物旋轉。繩扣穿掛完畢后起升吊鉤，檢查繩扣有無纏繞和打結。

3） 進行試吊，吊機緩緩起鉤，吊離地面200～300 mm，停置10～20 min，觀察跨接管、撐桿、吊具、吊車各部位的受力和變形情況，發現問題應停止吊裝，放回地面，故障排除后重新試吊，確認一切正常，方可正式吊裝［6］。

4） 進行吊裝，注意起吊過程要緩慢。有專人負責統一指揮，指揮信號應事先統一規定，發出的信號清楚并且準確，吊機作業人員必須按指揮人員的各種信號進行操作。

5 結論

1） 對于細長桿件可以使用輔助工裝撐桿來吊裝。撐桿吊點布置可以設置為4點起吊，以降低起吊高度，并且滿足鋼絲繩與地面夾角要求。

2） 通過算例設計，發現增加跨接管與撐桿之間連接的鋼絲繩數，可以大幅減少桿件變形。如果只在跨接管2端和中間用鋼絲繩與撐桿連接，即只用3根鋼絲繩，最大節點位移將達到8.042 cm。如果使用5根鋼絲繩，最大節點位移為0.937 cm。

3） 提出的措施對今后水下生產系統中的跨接管和膨脹彎管等細長結構件的吊裝具有一定的借鑒意義。

［1］ 陳家慶.海洋油氣開發中的水下生產系統［J］.石油機械，2007，35（5）：54-58.

［2］ 中海石油研究中心.深水工程手冊［M］.北京：中海石油研究中心，2010：10-12.

［3］ 何同，李婷婷，段夢蘭，等.深水混合立管基礎跨接管設計中的關鍵問題［J］.石油礦場機械，2012，41（10）：14-16.

［4］ ISO13628-15，Petroleum and natural gas industries—Design and operation of subsea production systems Part 15：Subsea structures and manifolds［S］.

［5］ SY／T 10030—2002，海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦作法［S］.

［6］ SH／T 3536—2002，石油化工工程起重施工規范［S］.

Difficulty Analysis in Lifting for Jumper of SPS

The lifting difficulties during the fabrication for jumper of subsea production system（sps）were studied.It was emphatically analyzed that how to reduce the deformation of the large span flexible slender members during the lifting operation，and that how to lower the lifting height of the crane during lifting.The spreader bar with multiple pipe trunnion and four points lifting solution were put forward.SACS software was used to simulate the lifting process of the jumper，and to determine the weight and center of gravity of the jumper and spreader bar assembly.The arrangement of steel wire rope between crane hook，spreader bar and jumper was determined，the specifications of the steel wire rope was also determined by the sling force calculated.Finally，the stress and deformation of the jumper and spreader bar during the lifting process was obtained.The result of the analysis has certain reference value for lifting similar subsea production system like jumper，spool etc.

subsea production system（sps）；jumper；lifting；spreader bar

TE952

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.014

1001-3482（2014）10-0064-04

2014-04-15

孫金麗（1981-），女，江蘇南通人，工程師，碩士，2007年畢業于大連理工大學，主要從事海上特種設備設計、制造和測試工作，E-mail：sunjl＠mail.cooec.com.cn。