大尺寸深水海管誘導(dǎo)側(cè)屈結(jié)構(gòu)物批量預(yù)制實(shí)踐

鄔智慧，張傳奇，王杰文，張?jiān)迄i，陳為欽，任培媛

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

海底管線是油田生產(chǎn)輸送的大動(dòng)脈，是海上油氣田的重要設(shè)施之一。海底管線在管內(nèi)流體介質(zhì)的溫度發(fā)生變化、管道內(nèi)外壓力、泊松比、熱膨脹和土壤摩擦阻力等因素共同作用下發(fā)生管道端部膨脹。蛇形鋪設(shè)是側(cè)屈控制的最經(jīng)濟(jì)方法之一，常用的設(shè)計(jì)是在波峰增加誘導(dǎo)側(cè)屈結(jié)構(gòu)物。南海某深水油田群平均水深為392～429 m，通過一種誘導(dǎo)側(cè)屈結(jié)構(gòu)物抬高海管，創(chuàng)造一個(gè)易于發(fā)生側(cè)屈的激發(fā)點(diǎn)。本文依托南海某新建深水油田群項(xiàng)目，闡述一種誘導(dǎo)側(cè)屈結(jié)構(gòu)物批量預(yù)制實(shí)踐。

1 項(xiàng)目概況

南海某新建油田群中心處為一艘15萬噸級FPSO，新建4條海底管線，深海管道設(shè)計(jì)溫度分別達(dá)到113 ℃和119 ℃，高溫引起的側(cè)向屈曲問題是海底管道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題：膨脹量達(dá)到4.0～4.5 m，對PLET設(shè)計(jì)帶來重大挑戰(zhàn)；不加控制的側(cè)向屈曲會(huì)在局部產(chǎn)生不受控的大應(yīng)變；過高的有效軸向力對管道校核帶來很多挑戰(zhàn)。為解決問題，通過誘導(dǎo)側(cè)屈結(jié)構(gòu)物抬高海管，制造初始的垂向變形（OOS），并使用特氟龍或超高分子量聚乙烯等涂層減少海管和SLEEPER的摩擦力來創(chuàng)造一個(gè)易于發(fā)生側(cè)屈的激發(fā)點(diǎn)。FPSO與一處油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間新建2條長度約23.1 km（直線距離）的10 in海底管道，每條海管各設(shè)置有9套；FPSO與另一處油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間新建2條長度約12.2 km（直線距離）的14 in海底管道，每條海管各設(shè)置8套，共計(jì)34套。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

圖1 14 in海底管道結(jié)構(gòu)物布置示意圖

誘導(dǎo)側(cè)屈結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)主要考慮：沉降計(jì)算，彈性沉降+固結(jié)沉降，分層總和法；地基承載力計(jì)算；抗傾抗滑計(jì)算；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算；滑道材料選型（超高分子聚乙烯材料）；長度確定。采用Abaqus有限元軟件進(jìn)行分析，得到屈曲緩解措施結(jié)構(gòu)物分布和管道響應(yīng)，從而確認(rèn)以下參數(shù)：高度，即初始偏離（OOS）；間距，或者說虛擬錨固間距設(shè)計(jì)（VAS）；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)設(shè)計(jì)和用途，結(jié)構(gòu)物分為3種類型，其中TYPE B用于10 in海底管線與其他海底電纜交叉處理，主要分成H型鋼框架、防沉板和裙板、防漁網(wǎng)裝置和附件。

表1 基本信息表

4 預(yù)制策劃

4.1 預(yù)制布場

結(jié)構(gòu)物預(yù)制場地位于碼頭后方堆場的胎架，能滿足13套結(jié)構(gòu)物同時(shí)建造（如圖4）。結(jié)構(gòu)物預(yù)制采用分片預(yù)制，組裝，在碼頭預(yù)制場地結(jié)構(gòu)總裝，完成整體熱工作業(yè)；吊裝場地右側(cè)進(jìn)行整體打砂涂漆，然后進(jìn)行高分子材料安裝和標(biāo)記；預(yù)制完成，待出海的結(jié)構(gòu)物利用碼頭的40 t門機(jī)轉(zhuǎn)移至碼頭前沿，分批裝船出海。

圖2 預(yù)制場地示意圖

4.2 預(yù)制流程

預(yù)制基本流程主要為材料驗(yàn)收和檢驗(yàn)、號(hào)料和切割、零件坡口加工和附屬件預(yù)制、結(jié)構(gòu)部件裝配、外觀和尺寸檢查、焊接、焊縫處理和檢驗(yàn)、打砂涂裝、整體外觀檢查、稱重裝船等工序。主要工序如圖3所示。

圖3 預(yù)制流程圖

1）材料檢驗(yàn)和跟蹤。材料到貨時(shí)，依據(jù)圖樣及材料證明書核對材料標(biāo)記，并對材料外觀進(jìn)行檢查，厚度偏差符合要求。在進(jìn)行下料前，項(xiàng)目施工人員應(yīng)將材料上的標(biāo)記進(jìn)行保護(hù)或轉(zhuǎn)移，材料標(biāo)記的保護(hù)或轉(zhuǎn)移情況應(yīng)經(jīng)質(zhì)檢人員現(xiàn)場確認(rèn)后再進(jìn)行下料。材料確認(rèn)的內(nèi)容包括材料等級、規(guī)格型號(hào)、鋼板號(hào)、爐批號(hào)等。在進(jìn)行下料后，項(xiàng)目施工人員應(yīng)及時(shí)將材料標(biāo)記和切割圖號(hào)或下料單號(hào)轉(zhuǎn)移到材料上。

2）號(hào)料、下料和坡口加工。號(hào)料切割施工時(shí)盡量采用數(shù)控切割或半自動(dòng)切割機(jī)進(jìn)行切割，盡量減少人為因素對切割質(zhì)量的影響。切割后，割渣和隆起物應(yīng)徹底清除和磨平，板材自由邊打磨倒角不小于R1。下料應(yīng)進(jìn)行材料標(biāo)記，進(jìn)行材料跟蹤。坡口表面應(yīng)平整，不得有裂紋、重皮、毛刺、凹凸、縮口等切割缺陷。坡口表面的熔渣、氧化鐵應(yīng)去除并對距坡口10 mm范圍內(nèi)的污物、油漆、油污、雜質(zhì)等可能影響焊接質(zhì)量的因素進(jìn)行清除。

3）結(jié)構(gòu)裝配焊接。結(jié)構(gòu)物采用胎架上預(yù)制，裝配采用點(diǎn)焊和在對接口處使用碼板，裝配順序依次為：鋪設(shè)防沉板及下圍裙板；防沉板定位后，依次裝配中間H800型鋼、橫向H300型鋼及上肘板；裝配縱向H型鋼及下圍裙板；吊碼及附屬件的內(nèi)場制作；裝配加強(qiáng)肘板及其它附屬件。現(xiàn)場施工時(shí)，嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程WPS使用焊接工藝參數(shù)施焊，焊接順序基本原則是：盡可能讓焊縫自由收縮；由中間向兩側(cè)對稱焊，采用雙倍焊工；先焊收縮量大的焊縫；先焊對接焊縫，再焊角焊縫；先焊拉應(yīng)力焊縫，后焊壓應(yīng)力和剪應(yīng)力焊縫。

4）檢驗(yàn)（無損檢測）。誘導(dǎo)側(cè)屈結(jié)構(gòu)物是以H型鋼為主體框架坐落在防沉板的一種結(jié)構(gòu)，檢驗(yàn)主要為原材料復(fù)檢、材料來料檢驗(yàn)、材料追蹤、組對裝配檢驗(yàn)、焊接控制、焊縫外觀檢驗(yàn)、無損檢測（MT和UT）、尺寸檢驗(yàn)、涂裝檢驗(yàn)、超高分子聚乙烯板安裝檢驗(yàn)、稱重、陽極測電阻、產(chǎn)品放行單檢驗(yàn)等。焊縫主要為縱向H型鋼、防沉板對接焊縫和橫向H型鋼、鋼板角焊縫。對接焊縫無損檢測采用100%磁粉檢測和100%超聲波檢測，角焊縫無損檢測采用100%磁粉檢測，接受標(biāo)準(zhǔn)為AWS D1.1/D1.1M。

5）涂裝和裝船。考慮焊縫數(shù)量比較多和長度較長，涂裝采用熱工作業(yè)基本結(jié)束之后進(jìn)行整體打砂。表面處理應(yīng)按照SSPC-SP10進(jìn)行處理，表面清潔度不大于2級，粗糙度滿足Sa2.5或St3.0。油漆不得涂在潮濕表面。鋼材表面應(yīng)至少高于露點(diǎn)3 ℃時(shí), 空氣的相對濕度不大于85%。油漆涂覆完成之后，進(jìn)行低壓濕海綿漏涂點(diǎn)檢測，要求無漏涂點(diǎn)。油漆配套是國際油漆7600系列和Immersion 410。在吊運(yùn)過程中進(jìn)行稱重作業(yè)，稱重采用電子拉力計(jì)（具有檢驗(yàn)合格證書）。原計(jì)劃5批次裝船交貨，因雨天天氣等因素的影響，為了配合海上施工，最后分6批次交貨，8船次（如表3）。

表3 交船批次

5 注意事項(xiàng)

5.1 鋼材材料選型

結(jié)構(gòu)物安裝所處的水下環(huán)境溫度約為5 ℃，應(yīng)選用具有低溫耐候性能鋼材。國產(chǎn)的B類板材(三級鋼)要求的沖擊功試驗(yàn)溫度為0 ℃，H型鋼要求的沖擊功試驗(yàn)溫度為-20 ℃。項(xiàng)目開始，部分鋼材采取Q345B鋼，增加沖擊功試驗(yàn)溫度按0 ℃要求進(jìn)行試驗(yàn)以確認(rèn)符合性；其它材料采取Q345C 鋼或DH36鋼。

5.2 超高分子聚乙烯板的應(yīng)用

超高分子聚乙烯板是首次使用的水下結(jié)構(gòu)物材料之一。設(shè)計(jì)時(shí)，主要針對主要性能（如磨耗、摩擦因數(shù)）進(jìn)行了解，未考慮熱脹冷縮對塑料制品的影響（如表4），這個(gè)直接影響到板的安裝時(shí)間。針對超高分子聚乙烯板的熱脹冷縮對施工的影響，采取在溫度較低時(shí)間段如凌晨、傍晚、晚上或者陰雨天氣進(jìn)行安裝，而且每次都要預(yù)安裝，記錄時(shí)間段和板的溫度及相關(guān)安裝在主梁的位置；確定尺寸合適，然后拆下來，待完成涂裝作業(yè)之后，再進(jìn)行安裝。這樣施工，增加施工工作量，造成預(yù)制的被動(dòng)。針對類似的材料，應(yīng)注意溫度的影響。

表4 高分子材料受溫度影響延長測量數(shù)據(jù)（2019-01-26）

5.3 陽極支撐管和防撞裝置開孔

誘導(dǎo)側(cè)屈結(jié)構(gòu)物預(yù)制設(shè)計(jì)未考慮到深水壓力作用，陽極支撐管和主梁的2個(gè)防撞裝置通過焊接固定，形成獨(dú)立密閉空間，可能產(chǎn)生變形的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)過項(xiàng)目組與各方溝通，采取開孔來保證穩(wěn)定性措施（增加透氣孔和漏水孔）。經(jīng)過計(jì)算，內(nèi)部無法進(jìn)行全面涂裝防腐，陽極也能保證其防腐效果。水下結(jié)構(gòu)物部分部件形成獨(dú)立密閉空間，這也是此前未能識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)，增加現(xiàn)場鉆孔加工工作，共完成陽極支撐管鉆1296個(gè)φ10 mm孔和防撞裝置鉆136個(gè)φ10 mm孔。現(xiàn)場鉆孔作業(yè)，因位置和環(huán)境限制，效率比較低，后續(xù)工作需引起重視。

6 結(jié)論

誘導(dǎo)側(cè)屈結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)和批量預(yù)制成功實(shí)施，并在南海深水油田的成功應(yīng)用，形成一套高溫海管側(cè)向屈曲分析和緩解措施設(shè)計(jì)方法，增加了防止深水海管側(cè)屈和膨脹的可選擇性，為今后工程項(xiàng)目提供了借鑒和指導(dǎo)作用，而且擁有廣闊的應(yīng)用前景。