雙立管整體安裝技術研究與應用

盧維強，段立志，崔寧，汪智峰，檀曉光

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518064）

0 引言

伴隨海洋油氣開采技術的成熟及海洋油氣管線規劃等原因，現有管線常常不能滿足油田開發需求。需在油田新增油氣管線，同時也需在導管架平臺上新增立管以連接海底管線和平臺管線。立管安裝通常包含立管管體與將管體固定在導管架上的管卡安裝，涉及立管吊裝、扶正、平臺作業和潛水員作業，其工藝相對復雜。

由于南海西部某油田整體開發規劃原因，需在文昌某導管架平臺同時新增2根立管，導管架位置水深112.4 m。為節省開發成本，采用一套管卡固定2根立管的設計方案，即在導管架樁腿上新增一套14個立管管卡，并將2根立管固定在該套管卡上，每套立管由3根立管分段組成，立管總長129.5 m。由于該平臺導管架在前期設計時已考慮后期可能新增立管，在導管架樁腿上預留了一套法蘭盤。本項目立管管卡與導管架設計為法蘭螺栓連接（如圖1）。

圖1 南海某海洋石油平臺雙立管設計方案

常規的立管安裝方案是先單獨安裝每個管卡[2]，再進行每根立管的分段安裝。該方法技術成熟，管卡和立管分段需單獨吊裝入水安裝[1]，但是作業工期較長。針對該項目立管設計方案，為節省施工成本，項目采用雙立管整體安裝的方案。本文以此項目施工方案為例，介紹一種雙立管整體安裝技術，對雙立管整體安裝工藝及主要控制要點進行描述。

1 施工工藝流程

此項目立管安裝采用雙立管分段攜帶對應的管卡同時起吊、入水扶正并固定在導管架上的施工方案。采取從上至下的施工方案，該方案可以保證立管頂部懸掛法蘭和懸掛卡之間能夠緊密貼合，使立管整體受力在頂部懸掛卡上。雙立管整體的施工工藝流程如圖2所示。該安裝工藝的核心點是將管卡和雙立管分段在陸地完成組對，并且在海上進行整體起吊扶正。潛水員下水一次性完成2根立管、管卡的同時固定。考慮飽和潛水員減壓時間比加壓時間長，將立管的安裝順序設計為由上至下安裝。

圖2 雙立管整體施工工藝流程

2 吊裝方案與吊裝分析

雙立管吊裝方案需保證立管起吊后穩定，同時需保證立管在扶正過程中不發生傾覆或側翻，也需保證立管管段不受損。吊裝方案是本工藝的核心與難點之一。為了保障立管扶正的動態過程中的索具結構姿態不發生改變或索具不產生單邊松弛等情況，吊裝索具采用了“雙腿-小雙腿”布置方案（如圖3）。

圖3 雙立管段和管卡組合結構圖

對立管整體采取雙腿吊裝方案，在雙腿索具靠近管卡位置又分支為2個吊點（如圖3中截面B），該吊裝設計可有效保障雙立管組的穩定性。該吊裝方案中，利用2個吊裝管卡進行立管吊裝，主要是為了避免立管下水后，由于立管質量的變化，導致“小雙腿”索具單側松弛。為了保證立管在扶正后與導管架上的法蘭盤正好貼合，管卡與立管組合之后與垂直面的角度需成45°（如圖3中截面C）。立管組預安裝扶正管卡（如圖4中截面A）主要用于后續工序中立管扶正，立管吊裝入水后，ROV將平臺絞車與該位置相連接。圖4所示為立管管卡、吊裝管卡和雙立管組對后的情況。

圖4 雙立管段和管卡組合結構圖

為了檢驗吊裝方案是否會損傷立管管體，采用Sacs軟件對立管進行應力分析。模型結構對應力分析結果具有較大影響，在制定吊裝計算分析方案時，研究了2種模型：桁架結構模型和點載荷模型。

1）桁架結構模型。將雙立管及管卡組合結構視為桁架結構進行計算，將管卡視為2根立管管體之間的剛性連接桿件（如圖5）。由于模型中，視為管卡將雙立管管體組合為桁架結構，使立管的應力更小、應變更小，結構更為穩定。如圖6所示，利用模型進行運算，最大UC值為0.583，滿足吊裝要求。

圖5 桁架結構吊裝分析模型

圖6 桁架結構吊裝分析結果

2）點載荷模型。將立管視為細長桿，將管卡僅視為施加在立管上的重力載荷進行結構計算分析，忽略管卡對立管結構的加強功能。應力計算分析中，施加在管體上的載荷主要分為2部分：管體自身重力和管卡、法蘭施加在管體上的點載荷。其模型如圖7所示。如圖8所示，利用模型進行運算，底部立管應力最大，最大UC值為0.939，立管管體不存在受損風險，滿足吊裝要求。

圖7 點載荷吊裝分析模型

圖8 點載荷吊裝分析結果

2種結構模型的計算結果都表明該吊裝方案滿足立管應力要求，不存在損傷管體的風險。第一種模型中，雙立管整體被視為桁架結構，管卡對管體具有加強作用；第二種模型中，雙立管被視為2根不同的細長桿件，管卡視為載荷點，增加管體受力。雖然，第一種建模結構貼近于實際結構，但是其結構的受力被人為加強；第二種模型雖然結構簡單，但是其受力更為保守，得到的結果更保守。由于海上吊裝風險較大，在做吊裝計算時需要更為保守的方案，最終采用第二種結構模型。

3 安裝過程分析

立管安裝過程是立管安裝中核心步驟。立管安裝過程分析包括2類：立管從運輸船上起吊分析；立管扶正分析。

1）立管起吊分析。立管起吊分析主要分析安全的吊裝天氣窗口立管需要從運輸船起吊，立管扶正動態模擬分析也評估天氣對立管扶正的影響，獲得安全操作的天氣窗口。

不同方向的涌浪對于立管起吊過程影響不同，立管從運輸船起吊及立管吊裝過水面均有不同影響。由于涌浪方向的不確定性，運算分析中需進行多角度的運算模擬。圖9（a）模擬此項目的涌浪方向，共從8個典型涌浪方向進行模擬。圖9（b）所示的玫瑰圖是計算分析獲得的立管扶正過程中的安全作業天氣窗口。玫瑰圖中表明，在該海域涌浪與船身為45°、90°和135°時，允許的作業海況要求涌浪小于0.5 m；涌浪與船身為180°時，允許作業的海況為3 m；其他方向時，海況要求涌浪小于1.0～1.5 m。綜合考慮船舶、吊機作業的安全性，最終選取涌浪小于1.5 m作為立管扶正的安全作業海況，并在作業過程中選擇合適的船位。

圖9 船舶受力模型和作業允許海況

2）立管扶正分析。立管需由平臺絞車和浮吊船吊機配合扶正，扶正過程中立管容易因受力導致塑性變形，因此，為了控制立管安裝風險，盡可能進行立管的扶正分析，對立管由水平吊裝狀態緩慢轉換至垂直就位狀態整個過程進行模擬分析。

本工程項目中，使用OrcaFlex軟件對立管進行模擬計算分析，其運算模型和扶正方案如圖10所示。首先，ROV將導管架平臺上的一臺絞車鋼絲繩與立管首端的扶正索具連接；接著，平臺絞車和浮吊船吊機協同收放，進行扶正立管；最后，扶正之后，平臺下放第二臺絞車鋼絲繩入水連接在立管底部，解脫浮吊船吊機，利用2套絞車將立管臨時懸掛在導管架上。

圖10 扶正過程分析

立管扶正分析主要運算立管扶正過程中的動態穩定性及力學性能分析，獲得立管扶正的安全操作步驟，并得知吊機和絞車在操作過程中的最大載荷，以此評估吊機能力及選型絞車。表1為中段立管扶正過程中的操作步驟及不同步驟時絞車與吊機受力情況。

表1 中段立管扶正操作流程與受力情況

4 工程應用

此項目中，成功應用雙立管整體安裝技術完成該項目的立管安裝工作。在項目工程實踐階段，主要需考慮以下幾個方面：

1）立管傳遞配合。立管傳遞需平臺絞車和工程船吊機相互配合完成。平臺絞車和立管之間的索具需由ROV水下連接，索具配置需重點考慮。立管傳遞過程的指揮由工程船控制，工作船的中控系統統一指揮船舶移動、ROV作業、吊機操作及平臺的操作，并評判立管狀態，保障立管傳遞的安全性。

2）運輸船需求。立管通常由專用運輸船運輸至油田現場。運輸船的選擇主要考慮運輸船甲板長度、作業船長海上靠泊經驗及DP等級。船長的作業經驗在運輸船靠泊工程船時，起到了關鍵性作用。部分運輸船具備DP系統，具備DP系統的運輸船其靠泊性能更好，作業更安全，可優先考慮。圖11為DSV從運輸拖輪起吊立管。

圖11 DSV起吊雙立管組

3）潛水作業。雙立管整體安裝工程應用中，潛水是核心的施工資源。需要飽和潛水和空氣潛水完成立管法蘭組對，并將立管管卡固定在導管架上。潛水作業對安裝成功起到至關重要的作用。工程實踐中，潛水作業主要考慮以下幾個內容：a.飽和潛水與空氣潛水的工作界面。雙立管安裝中，空氣潛水和飽和潛水分別負責淺水區段和深水區段的立管緊固工作。根據潛水作業效率，在項目實踐中40 m以淺由空氣潛水負責，40 m以深由飽和潛水負責。b.潛水作業的工序。由于潛水員減壓時間遠大于加壓時間，在本項目中采取由上至下的安裝順序，避免潛水員過多減壓造成減壓待機或工序待機。c.管卡與導管架法蘭盤對接方案。與常規方案相比，本方案先將立管組下放入水，需將管卡與導管架法蘭對接。為便于管卡與導管架法蘭盤對接，在管卡上安裝了管卡限位爪，立管扶正后，由限位爪捕捉法蘭盤（如圖12）。d.管卡調整和緊固方案。立管就位后，部分情況下管卡能夠正對導管架法蘭盤（如圖13（a））。但大部分情況下，管卡與法蘭盤之間可能存在錯位情況（如圖13（b）），在管卡和導管架上預裝索具（如圖13），水下利用潛水員自身重力或者手扳葫蘆上下調整管卡位置（如圖13（c））。當法蘭盤與管卡正對時，潛水員安裝并緊固螺栓（如圖13（d））。為便于管卡與法蘭盤螺栓安裝，原預裝的法蘭盤螺栓孔為月牙孔，管卡法蘭螺栓孔設計為長孔，兩孔之間成“十”字形，可保證法蘭盤允許一定程度的左右偏移和軸向旋轉（如圖14）。e.立管分段間法蘭組對。對于中下段立管，需進行立管分段間的法蘭組對。為了保證立管組對時的安全，同時為了便于法蘭組對，當立管扶正、上下兩端的管卡固定、中間段的管卡未固定時，將立管整體提升，進行立管分段間的法蘭組對。

圖12 管卡預裝限位爪與調整索具

圖13 管卡與導管架法蘭盤組對

圖14 管卡與導管架法蘭盤許用偏移和旋轉

4）水上懸掛管卡固定方案。水上管卡作為雙立管中其中一根立管的懸掛卡，管卡和法蘭盤的組對由甲板人員完成。本項目中，導管架預留法蘭盤支撐柱壁厚較小，受力不滿足立管懸掛要求，需切除后、焊接一個新的壁厚較厚的法蘭盤。由于立管扶正后，管卡和法蘭盤可能存在錯位，本項目中采取先將立管就位后，測量立管法蘭盤實際焊接位置，再焊接法蘭盤，并組對管卡。圖15為立管水面上段立管扶正后狀態。

圖15 上段立管扶正后水上管卡狀態

5 方案對比

相對于傳統立管與管卡單獨安裝方案，雙立管整體方案可實現一次安裝2根立管，有效減少工期，具有較高的經濟優勢。雙立管與管卡整體吊裝入水，可有效減少海上吊裝工作量，降低海上施工階段對天氣窗口的需求。對雙立管整體安裝方案與傳統方案優缺點進行對比，如表2所示。

表2 2種安裝方案對比

6 結語

海上油氣管道建設中常常伴隨立管安裝工程，特別是淺水水域的油田增產或二次開發中，常常需在現有導管架平臺上新增一套或多套剛性立管。立管安裝技術已相對成熟，如何更高效、更經濟地進行工程建設是當前面對的主要問題。雙立管整體安裝方案是一種更經濟的安裝方案，是一種經過工程實踐證實的可行方案，可應用于類似的立管安裝工程，為相關的立管設計和安裝提供一種思路。雙立管安裝工藝相對復雜，其作業風險較高，在工程設計階段需重點關注吊裝設計和扶正分析；工程實踐階段需綜合評估作業配合、工效和風險等問題。