深水大型吸力錨建造技術研究

陳 欣趙曉磊王立坤肖德明張騰月

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)

0 引 言

隨著海上能源開發,對與之配套的海洋工程裝備的需求進一步擴大,適用于深海油氣開發的海洋平臺和水下生產系統被更廣泛地應用,海上風力發電廠的建設需求也在快速增長。吸力錨作為一種筒形基礎,目前已經被成功應用于多種海工結構,可同時作為FPSO 等浮式系統系泊基礎[1]和水下管匯等生產設備的支撐基礎[2]。與其他海上結構基礎形式相比,吸力錨具有以下優點:

(1)可重復使用。安裝和拆除方便,可重復利用。

(2)適用性廣。對于不同海底土質,吸力錨均有良好的適用性,可被廣泛應用。

(3)費用優勢。與其他基礎形式相比,吸力錨建造工序少、周期短、材料用量少且利用率大。不僅建造成本低,還具有海上安裝進度快的特點,可節約海上施工費用。

(4)海上施工作業優勢。結構簡單,便于海上運輸和施工,安裝周期短,定位準確,可減少對其他海上作業的干擾(見圖1)[3]。

圖1 吸力錨海上安裝施工Fig.1 Offshore installation of suction anchor

本文將結合吸力錨的工作原理和組成部件特點,對直徑為4.5～10 m、高度為10～24 m 的吸力錨建造工藝和建造技術進行研究,分別闡述不同功能吸力錨的建造工藝和建造技術,并分析建造質量控制關鍵點。

1 吸力錨工作原理

吸力錨為上端封閉、下端開口的薄壁筒形鋼結構。在安裝過程中,吸力錨依靠自重沉入泥面后,內部形成充滿海水的封閉空間。使用泵將內部海水抽出,吸力錨在抽水過程中產生的內外壓力差的作用下增加貫入土體深度,直至頂板內側接觸泥面或設計深度。相反地,在回收過程中,使用泵向內注水增壓,吸力錨在水壓差和吊裝設備的共同作用下拔出泥面。

2 吸力錨主要部件

吸力錨基礎分為頂部結構和筒體兩部分(見圖2)。根據使用功能不同,可以分為系泊用吸力錨(見圖3)和設備支撐用吸力錨(見圖4),這2種類型吸力錨的部件組成略有不同。系泊用吸力錨的頂部結構一般包括吊耳、艙蓋、抽水裝置界面、陽極、錨鏈接頭支架,筒體側面設有系泊點。與之相比,用作水下設備支撐作用的吸力錨無錨鏈接頭支架和系泊點,同時頂部結構一般還需要增加頂部框架、牛眼、導向結構、ROV 停靠平臺。

圖2 吸力錨主要組成Fig.2 Main components of suction anchor

圖3 系泊用吸力錨Fig.3 Suction anchor for mooring

圖4 設備支撐用吸力錨Fig.4 Suction anchor for equipment support

(1)吊耳:用于施工過程中吊裝。

(2)艙蓋:吸力錨入水時,艙蓋保持打開的狀態,用于向上排出吸力錨內的空氣和海水。

(3)抽水裝置界面:用于吸力錨沉入海底一定的深度后使用泵抽出錨體內部海水。

(4)陽極:防止在役期間的海水腐蝕。

(5)錨鏈接頭支架:用于放置錨鏈接頭。

(6)系泊點:用于將錨鏈連接至吸力錨上。

(7)頂部框架:用于增強吸力錨頂部的強度,為上部設備提供支撐。

(8)牛眼:用于吸力錨在整個安裝過程中,監控吸力錨的垂直度,防止傾斜度超過設計值。

(9)導向結構:在上部水下相關設備安裝至吸力錨上或從吸力錨上拆除時起導向作用。

(10)ROV 停靠平臺:用于水下安裝作業過程中為ROV 提供操作平臺和對接口。

3 吸力錨建造標準

目前,國內沒有專門針對吸力錨制定相應的標準,設計建造多參考國外的標準進行[4]。設計校核較多選用API RP 2A-WSD,建造相關的標準主要有

API RP 2X、API SPEC 2B、ASME BPVC、AWS D1.1、ISO 2768-1、ISO 13920、NORSOK M501。

4 吸力錨建造流程

4.1 主要工序

通過對深水大型吸力錨預制、總裝技術進行深入的研究,初步掌握了其建造工藝流程,如圖5所示。

圖5 深水大型吸力錨的建造工藝流程圖Fig.5 Construction process of deepwater large suction anchor

4.2 頂部結構預制

頂部結構預制時板材焊接工作量較大,為保證頂板拼縫及其與頂部筒節焊接的質量,優先選用反造方法。頂板根據鋼板到貨寬度尺寸,由若干塊鋼板拼接而成為一張圓形板。在施焊過程中,頂板位置的拼縫應確保避開與其他結構平行較長焊縫,并注意拼板上焊縫余高與框架梁搭接處應磨平。頂部筒體卷制后焊接至頂板上方。帶有頂部框架的吸力錨,應在頂層筒體與頂板焊接完成后共同翻身,再進行框架組裝。下部筒體在開始建造后即可進行卷制并拼接成完整筒節。

對于用作支撐水下設備的吸力錨,通常對吸力錨安裝水平度有一定要求,除了在水下安裝時通過牛眼進行控制和反饋信息外,還需要預先設置自調節裝置。因此,在吸力錨頂部結構完成預制后會與設備框架進行配合測試,查看結構間配合狀況并進行角度調整試驗。對于無配合測試要求的吸力錨,頂部結構預制后可直接涂裝,準備進入總裝工序。

4.3 加強段筒體預制

系泊用的吸力錨系泊吊耳所在筒節的壁厚會大于其他部分筒體,在設計時還會增加筒體內部加強筋板。由于該層筒體筒壁、系泊吊耳、內部筋板的板厚均較大,該加強段筒體預制后應根據板厚按照相應的焊接程序進行焊后熱處理。

4.4 總裝

根據吸力錨外形尺寸和結構特點,結合場地能力和建造資源,可選擇臥式或立式的方式進行建造或裝船作業[5]。由于立式狀態更有利于節約海上運輸資源,因此需要在碼頭交貨時調整至直立。立式的總裝方法即由下向上依次接長。臥式建造使用轉胎進行筒體環縫焊接,在全部接長后整體直立完成建造。

總裝開始前,擺放總裝用工裝。對于直接在地面進行總裝并搭配吊裝出貨方式,可在地面鋪設型材或板材并進行找平。若使用平板車進行運輸出貨則需要考慮施工中進車空間和吊裝作業空間布置,避免發生碰撞。

在總裝過程中,筒體因直徑大、筒壁薄的特點,在吊裝過程中易發生較大變形,可在每層筒體縱縫焊接后增加內部支撐,并在已總裝的筒體待組對端焊接立式筋板用作組對導向和定位。每接長一層后都在內部增加支撐結構,每層內部支撐結構應與上一層錯開一定角度以控制圓周方向上的變形量。

5 建造關鍵點

參照深水吸力錨的結構特點和建造工藝,應在建造過程中從以下關鍵點進行吸力錨的建造質量控制。

(1)所用材料的證書及質量。

在一些國外公司承攬設計的項目中,對關鍵部件的材料除了要求強度高、Z 向性能外,還會要求EN 10204 3.2證書。在到廠驗收的過程中,還應按要求對鋼板進行超聲波掃描檢驗,建議對于板邊附近區域同時進行直探頭和斜探頭掃描,這樣可以在一定程度上避免因母材夾層缺陷導致焊接后無法進行檢驗評定的情況發生。

(2)應設計適用于陸地轉運和建造為一體的建造工裝、抗風工裝,供吸力錨建造全周期使用。

工裝設計應結合運輸出貨作業考慮。近些年,隨著SPMT 的廣泛應用,適用于平板車運輸出貨的工裝被更多地考慮進整體建造方案中。除了需要提前考慮進車通道和行駛路徑,還要考慮工裝分別與筒體、車輛的接觸面、工裝支撐墊墩的布置和承載力校核。為保證運輸計算中的穩性,可以在增加筒體底部內外筋板的同時使用倒鏈將筒體與車輛連為一體,優化運輸過程中的整體性和同步性。結合建造地點的天氣環境條件,還應設計抗風工裝以應對大風甚至臺風等極端天氣。

(3)根據材料材質、厚度及部件特點選擇適當的焊接工藝,以保證焊接質量。

吸力錨的建造過程涉及大量焊道,尤其長焊道,如頂板鋼板拼縫、頂部框架大型組合梁、筒體對接拼縫等位置。還涉及厚板的焊接拼接,以及不同厚度板的拼接,如系泊用吸力錨的系泊吊耳及該層筒節。焊接質量的控制除了應按照焊接工藝規程(WPS)的要求施焊,還應在焊接預熱、調直、焊后熱處理等階段進行控制。

焊接的最小預熱溫度和層間溫度應滿足WPS要求。當母材溫度低于0℃時,應預熱到最低20℃或者與WPS中規定的溫度較大值。焊接生產中的預熱溫度必須高于工藝評定試驗(PQR)的最小預熱溫度0～50℃及以上。層間溫度不超過250℃或評定值中較低值。返修時,預熱溫度應比原焊縫焊接時的預熱溫度高50℃。在焊接過程中必須保證預熱溫度以及最低層間溫度,預熱范圍為焊道所有方向上不小于焊件最大厚度值,并至少為75 mm。

對接或T 形長焊縫,在焊接后必要時應進行機械調直和熱調直。直徑大于3 m 的吸力錨頂板需要進行拼接,頂部框架上的組合梁拼接焊縫較長。對接焊產生的不大于2°的焊接變形可以進行機械調直,例如使用液壓機,更大的變形則需采用熱調直。不允許加熱的區域為焊道處以及焊趾到烤把尖端25 mm 范圍內。熱調直溫度,嚴禁超過回火溫度或560℃中的最小值,315℃以下嚴禁加速冷卻。熱調直過程中不能進行錘擊,也不能用水加速冷卻。頂板和組合梁的線加熱方法可以參考圖6。系泊吊耳與所在筒節之間厚板的拼接,在矯正厚板時要緩慢加熱滲透至整個板厚,加熱過程中檢測表面溫度不應超過規定的上限值。矯正應沿著中線部分和對稱軸線,從下到上進行,以避免塊區域或者整個結構的變形。

圖6 線加熱方法Fig.6 Line heating method

對厚度大于50 mm 的結構焊接接頭應進行應力釋放熱處理。局部熱處理時要求工件各部位均勻受熱,達到要求的溫度,并按規定時間進行保溫。對于壁厚超過50 mm 的接頭,以最低保溫時間2 h為基礎,厚度每增加25 mm,時間增加15 min。熱處理的保溫范圍為焊縫兩側各3倍壁厚的區域。當焊縫兩端壁厚不同時(比例不超過2∶1),可以根據較厚工件的要求進行熱處理。不同交貨條件的鋼材焊后熱處理溫度不同。調質鋼的最大熱處理溫度為600℃或回火溫度以下30℃中的小值,其他碳鋼的溫度上限為650℃,正火鋼和其他碳鋼的最大熱處理溫度較低一些。在加熱過程中,當溫度超過315℃時還應注意加熱速度,最低速度不小于55℃/h,最大速度隨板厚增加而減小,但最小保溫時間隨板厚增加而增加。相應地,冷卻速度與加熱速度要求范圍一致。焊后熱處理曲線如圖7所示。

圖7 焊后熱處理曲線Fig.7 Curve of post-weld heat treatment

(4)局部及整體精度控制。

對建造精度的控制可主要通過對尺寸精度控制實現,對尺寸和變形的控制應貫穿建造全過程,包括建造前準備、預制過程和總裝過程幾個部分。

建造前應平整場地,支撐結構的設置也應保證施工是在水平面上進行的。編制施工方案時應綜合考慮預制、總裝至運輸裝船各階段資源進行規劃和布置,盡可能減少結構拆分及易變形構件吊裝作業。

預制過程尺寸的誤差主要是組對誤差及焊接變形。組對主要通過劃線和測量保證組對精度。對接焊縫通常采用全熔透焊接,焊接順序應從中間向兩邊,對稱施焊,可采用跳焊和分段退焊。當采用單面坡口時,可以在焊接前采用預變形方法以避免焊接變形。根據API SPEC 2B對卷制管的要求,筒體的卷制、拼接和接長需保證鋼管的直線度、同心度、橢圓度、端面垂直度等滿足要求。相對于該規范對橢圓度的要求,吸力錨的制造應根據筒體直徑選用更嚴格的數值,如1%或0.5%。

在總裝過程中應時常檢查支撐水平面情況并進行調整。若頂部結構采用分片預制,合攏時容易發生向同一側的尺寸收縮。為了保證筒體對接精度,可在組對后焊接前預先使用馬排等臨時筋板將兩側位置固定再進行焊接。總裝階段還應選定同一坐標系進行測量和控制,分別記錄總裝前后的尺寸誤差,避免誤差積累產生更大偏差。

6 結 語

吸力錨基礎極其重要,無論是系泊還是支撐結構,它的失效會對相關深水設備產生嚴重影響。例如,一臺管匯基礎的失效,將會影響整個油氣田的開發,造成動輒幾億至十幾億的損失。因此,在建造過程中,應在材料、尺寸、焊接等關鍵點進行風險識別和執行嚴格的過程控制。

目前,吸力錨仍屬于較新的基礎類型,在建造技術和工藝方面還可以進行更多的研究和創新,以便在保證產品質量的同時達到技術提升和降本增效等目的,加速整體吸力錨基礎國產化進程,為實現深海油氣開發和海上風電等海洋工業的進一步發展提供技術基礎。