海基一號導管架總裝方法選擇與實踐

林天威，胡 智

（深圳赤灣勝寶旺工程有限公司，廣東 深圳 518068）

0 引言

作為2022 年度央企十大國之重器之一，海基一號導管架的作業水深達到281 m，是亞洲第一深水導管架[1]。該導管架為四腿導管架，由四條導管腿及其底部的裙樁將上部模塊的載荷傳遞到海底，由水平片和花片結構將四條導管腿連成一體。為了滿足臥式建造、滑移裝船和下水作業的載荷傳遞需要，在兩條相鄰導管腿之間設置兩條平行的下水腿；依靠下水腿向導管架內部構建一個長方體形狀的下水桁架；下水桁架又通過細長拉筋與另外兩條導管腿相連接。這種四腿導管架的構造在國際上有過不少應用，其中最著名的是作業水深排名全球前三的導管架：作業水深412米的Bullwinkle 導管架[2]、作業水深396 m 的Pompano 導管架和作業水深361 m 的Coelacanth 導管架，這三座導管架均位于墨西哥灣。另，孟加拉灣Zawtika油田的多個導管架也采用了這種構造，其作業水深在160 m 以內。國內深水油氣平臺采用這種構造尚未見報道。相對于其他常見類型的導管架構造，這種導管架設計桿件稀疏，因而剛度較小，局部結構完整性較差，難以按常規方法細分為便于轉運和吊裝的結構單元，給建造設計和施工帶來諸多挑戰。本文針對在總裝過程的關鍵步驟，采取合理的合并和拆分策略，使得導管架總裝能夠安全、高效地完成，為同類深水四腿導管架的扣片建造提供參考。

1 旋轉法與扣片法

在導管架建造歷史上，發展前期常用旋轉法進行總裝，旋轉法的優點是將盡可能多的結構安裝工作量放在地面或者低空完成，減少高空工作量[3]。前文所述的以Bullwinkle 導管架為代表的墨西哥灣3 個深水四腿導管架建造都采用了旋轉法[4]。隨著起重機械朝著大型化方向發展，扣片法逐漸成為導管架總裝的主流方法。海基一號導管架建造方案論證前期，曾探討過旋轉法和扣片法的適用性。旋轉法與扣片法各有優劣，須綜合考慮高空作業量、占地面積、起重設備需求、尺寸控制、施工經驗等方面因素，做出選擇。由于建造場地現有空間無法滿足海基一號導管架旋轉法的占地面積要求，且限于滑道位置無法擴展場地，再考慮設備需求和施工經驗的顯著差異，經專家會論證，加工設計團隊決定選用扣片法。在總裝方法的選擇中，可用占地面積的限制，起到了一票否決的決定性作用。在扣片法總裝的基礎上分析解決了一系列結構總裝問題。兩種方法對比見表1。

表1 旋轉法與扣片法要素對比

2 水平層W 片

海基一號導管架的下水桁架與A4/B4 導管腿的連接桿件稀疏且跨度較大。其中的7HU 和5HU 水平片部分，難以成片安裝。散件無所依托，無法安裝，更無法保證尺寸精度。經研究，加工設計團隊提出了W片的設想，將扣片上的水平桿件劃入水平片，采用臨時拉筋將水平片拉筋連成上部封口的W 片，見圖1。2 個W 片分別重達186 t 和309 t。經計算校核，W 片在吊裝載荷作用下的強度和變形都滿足要求。這2 個結構片的吊裝分別使用了五臺吊機。起吊時五臺吊機聯合作業，以彌補結構平面外剛度不足，降低應力和變形。起立后，撤除三臺吊機，用剩余的兩臺主吊機完成結構片的移位、就位和輔助安裝。2020 年12 月9日，7HU 水平層W 片成功吊裝就位。2021 年3 月22日，5HU 水平層W 片成功吊裝就位。由于W 片就位后，平面外缺少支撐，方案設計中還配備了攬風繩，將W 片頂端與現有的穩固結構相連接，以抵抗面外受風。實際實施效果良好，未發生大變形。W 片是本項目首次提出并實施的非常規結構片，其成功安裝，大大提振了建造團隊的信心和士氣。

圖1 W 片方案及實施

3 籃狀結構

海基一號導管架連接下水桁架與外桁架的1HU和2HU 拉筋，難以成片安裝。如圖2 所示，一個方法是各自增加上下兩根臨時拉筋，形成A 形片分別安裝。這種方法安裝后，結構完整性差，需要采用攬風繩限制變形抵抗強風。經研究，把這2 個A 形片與其下方的下水桁架扣片一起預制，用外桁架扣片上的縱向拉筋把2 個A 形片連成一體，形成本項目重量最大的吊裝單元：籃狀結構。籃狀結構為本項目首創的結構吊裝單元，其構造兼具結構完整性和吊裝穩定性。該結構重達572 t 但4 臺吊機即可完成吊裝。大大提高了安裝效率且消除了后續迎風受損的風險。該吊裝作業使用了兩臺1600 t 級吊機和兩臺750 t 級吊機。從2021 年4 月1 日吊裝就位到2021 年9 月28 日鄰近結構就位并與之相連接，在未使用攬風繩的情況下，籃狀結構在百米高空挺立了半年之久。期間經歷了多次臺風考驗，變形仍在許用公差范圍內。

圖2 籃狀結構方案及實施

4 立體桁架

海基一號導管架小頭Row2 桁架結構和Row3 桁架結構，原計劃按2 個扣片、4 個十字花片和若干散件的形式吊裝。經深入研究其結構特性，將重量介于幾噸至100 余噸的14 個桿狀結構或平面結構組成了重達321 t 的Row2 立體桁架和重達342 t 的Row3立體桁架結構，大幅提高吊裝作業的集約度，減少了高空工作量和吊機資源耗費。合并之前，高空安裝作業預計需要用到32 個吊機臺班，合并后高空安裝作業只需要16 個吊機臺班。由于該結構位于導管架的飛濺區附近，部分結構需要涂裝，組成立體桁架整體吊裝也大幅減少了高空補漆的工作量，從而也顯著減少室外打砂涂裝給環境帶來的污染。

5 叉狀結構

海基一號導管架的裙樁套筒與下水桁架之間的連接結構，桿件分布在2 個正交平面上，按常規做法是散件安裝或者分為2 個平面結構分別吊裝。但這兩種方法的高空工作量太大，尺寸控制難度高。經詳細研究構造特性、吊機需求及安裝效率等因素，創造性地將2 個正交平面結構組成空間結構。由于形似餐具叉子，稱為叉狀結構。叉狀結構的方法大大縮減了高空工作量、建造工期和作業風險。同時，叉狀結構的吊裝難度和復雜度較常規吊裝要高。常規吊裝一般只要求被吊結構沿著一根軸線旋轉一定角度，而叉狀結構吊裝，需要先在四臺吊機協作下沿著一根軸線旋轉90°，撤離其中一臺吊機，再沿著另一根軸線旋轉45°。相比于常規吊裝，叉狀結構吊裝多了一次旋轉，吊裝指揮難度、吊機協作精度都達到了新高度。2021 年10月，2 個叉狀結構吊裝到位，見圖3。叉狀結構成功安裝，給后續的高空裙樁套筒安裝掃清了障礙。

圖3 叉狀結構方案及實施

6 裙樁套筒

海基一號導管架的四條導管腿底端有四組裙樁套筒結構，每組裙樁套筒包含3 個套筒、一段導管腿及連接結構。建造姿態下，有兩組裙樁套筒在地面直接組裝。另兩組裙樁套筒則須在地面組裝好之后，吊裝到高空就位。高空兩組裙樁套筒的單重為650 t，最高點達到了110 m，超出了現有吊裝資源的能力。經研究，根據結構的構造特點，將每組高空裙樁套筒分為上下兩部分分別吊裝。上部包括2 個套筒及連接結構，重量為280 t；下部包括一段導管腿和一個套筒及連接結構，重量為370 t。為保證高空安裝精度，上下兩部分在地面組裝成一體，分界線處僅作臨時連接。完成所有焊接和相關試驗之后，在分界線處分拆上下兩部分，將裙樁套筒的上部吊離并臨時放置在支撐結構上。先用三臺吊機將裙樁套筒下部結構吊運至高空安裝，然后用兩臺吊機將上部結構吊裝到其上方就位。2021 年11 月份，兩組高空裙樁套筒完成安裝。

7 大跨度扣片

海基一號導管架扣片R4C25，重達1361 t，尺寸達到95 m × 71 m，最長桿件達到107 m。吊裝難度極大。經分析該結構整片吊裝強度不足，可能導致局部失效斷裂，變形巨大無法組對。在幾何中心附近增加吊點，可以解決吊裝強度和變形問題，但沒有合適的吊機提供足夠的負荷能力和作業半徑。驚人的重量意味著苛刻的吊裝資源需求，建造場地現有的吊機和索具都無法滿足該結構片的吊裝作業需求。超大的跨度使得預制擺片占地太大，加劇作業空間緊張程度。綜合考慮到結構強度、吊裝變形、機具資源，占地面積等諸多因素，決定不再成片，按散件吊裝。考慮到同樣的因素，扣片R4C57 和R4C79 均按散件吊裝，大片拆分為散件吊裝，使得此部分結構所耗費的吊機臺班大大增加，相應的工期也大大延長。該結構整片吊裝與散件吊裝的強度、變形、吊機分載、占地面積、吊機臺班和工期等參數對比見表2。

表2 整片吊裝與散件吊裝比較

本結構安裝方法的決策過程中，吊裝結構強度是一票否決的決定性的因素。這是起重設備資源限制結構吊裝向高向大發展的典型案例。考慮到結構重量和尺寸，預計需要跨度120 m，高度150 m，起重能力2000 t 以上的龍門吊，完成如此規模的扣片整體吊裝作業。

8 結語

海基一號導管架是國內首個作業水深超過200 m的導管架。有別于國外同類構造的深水導管架的旋轉法，海基一號采用扣片法建造深水四腿導管架，無先例可參考。從上述案例可知，根據結構特性，考慮施工條件的約束，有的結構需要合并，有的結構需要拆分。加工設計團隊經過深入研究，根據導管架的構造特性，制定了合理的總裝方法，并以堅實的理論論證和豐富的施工經驗，贏得了專家會認可。其中W 片、籃狀結構和叉狀結構均為導管架建造史上首次提出的創新方法。這些結構的成功安裝，解決了海基一號導管架建造中的關鍵難題。（見圖4）海基一號導管架于2022 年3 月15 日順利裝船交付，為后續同類深水四腿導管架的扣片建造方法開了先河。此類導管架的大跨度扣片在吊裝載荷作用下的應力和變形如何控制，如何整片吊裝，有待進一步研究。

圖4 完工上船的海基一號導管架