導管架平臺立管后安裝方法及穿越安裝模擬分析

方霖， 張偉， 高磊， 段立志， 劉文

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳518054）

0 引言

我國目前的海洋油氣開發還主要集中于中淺水深，導管架平臺應用廣泛。隨著海洋石油業的發展和油氣開采力度的增加，不斷有新建平臺安裝到海上，這些新安裝的平臺周邊往往存在已投入運行的既有平臺。為節約成本，提高油氣開發經濟性，很多新建平臺采用海底管道將生產出的油氣輸送到既有平臺上，以利用既有平臺上的油氣處理和集輸系統。海底管道連接過程中，就需要在既有平臺上安裝剛性立管，稱之為“后安裝”[1-2]。

按安裝原理，立管后安裝分為立管、管卡分開安裝及立管、管卡一體式安裝兩種方法[3]。按照安裝位置不同，后安裝立管可全部安裝外掛在導管架外側，或立管下部安裝外掛于導管架外側而頂部安裝內掛安裝在導管架內側。當采取立管下部安裝外掛于導管架外側而頂部安裝內掛在導管架內側時，立管頂部安裝涉及穿越平臺導管架作業。

國內導管架平臺立管后安裝技術應用已有10 a以上的歷史，傳統方法采用浮袋配合潛水作業實現，近10 a受益于技術突破，逐漸發展出采用DP船機潛水作業的方式，而國內后安裝法安裝模擬分析技術近年才發展成熟，可供參考的文獻資源較少[4-5]。國內一工程項目涉及到立管后安裝作業，且立管頂部需穿越平臺導管架安裝內掛在導管架內側。該立管尺寸較大，安裝位置周圍結構多，作業空間小，具有較大的作業難度和風險。該立管安裝方案制定中，進行了大尺寸立管穿越后安裝過程的模擬仿真，確定受力信息及作業海況，選取立管安裝所需設備及工索機具。

1 立管參數及安裝方法

1.1 立管參數

立管為大尺寸立管，由4個分段組成，圖1為安裝就位后的示意圖。頂部立管分段通過飛濺區，為雙層管結構，下面的3個分段均位于水面以下，為單層管結構。立管外徑最小為0.559 m，其中，頂部立管分段，內管外徑為0.559 m，外管外徑達到0.660 m，尺寸更大。立管分段的長度在16～36 m之間，頂部立管分段最短為16.713 m，相對于作業空間而言，長度較長。立管各分段尺寸及質量信息如表1所示。

圖1 立管安裝設計示意圖

1.2 立管分段安裝流程

表1 立管尺寸及質量

由于平臺附近水深及平臺自身結構的原因，第1、第2號立管分段在陸地制造完成后，運到安裝地點進行海上安裝。第3、第4號立管分段則在現場進行安裝位置調查后進行制造。立管分段安裝的流程如圖2所示。

1.3 絞車平臺布置

圖2 立管分段安裝的流程圖

絞車是立管安裝不可缺少的重要設備。所有立管分段的安裝都需要用到絞車，并需安裝若干滑輪對絞車鋼絲繩進行導向。其中第4號立管分段的安裝需要在平臺安裝兩臺絞車，兩臺絞車中，許用安全載荷有所差異，其中許用安全載荷較大的絞車作為主絞車，用以提拉立管分段。另一臺絞車作為輔助絞車，用于輔助主絞車將立管調整至安裝位置。由于平臺內部空間通常有限，絞車的選用和布置均會受到一定影響。絞車在平臺上的位置如圖3所示。

圖3 絞車平臺布置

1.4 立管分段傳遞安裝

如1.2 節中立管安裝流程圖所示，所有立管分段的安裝都離不開作業船吊機與平臺絞車的配合。平臺吊機通過索具與立管分段連接，可以承受立管分段質量并能使立管保持平衡狀態，立管分段上端與平臺絞車相連。在起始階段，作業船吊機將立管吊起下放入水至設計深度，平臺絞車輸出鋼絲繩進行跟隨。然后，絞車不再輸出鋼絲繩，吊機繼續下放立管，立管載荷逐漸轉移到平臺絞車上。平臺絞車提拉或下放立管分段，作業船吊機配合，調整立管分段進入預先安裝在導管架上的立管管卡內。

圖4 作業船吊機傳遞立管分段至平臺絞車

1.5 立管分段固定與連接

立管分段采用作業船吊機和平臺絞車配合就位后，需要進一步調整立管與導管架上支撐立管的管卡間的相對位置，這項工作由飽和潛水作業或空氣潛水作業完成。調整好后，通過潛水作業對立管管卡進行管卡關閉和管卡螺栓張緊，達到立管分段固定的目的。立管分段之間的連接也需要潛水作業支持。

圖5 立管分段位置調整及固定在導管架管卡施工細節

1.6 頂部立管分段穿越安裝

頂部立管分段安裝過程主要分為立管分段吊裝下水、立管分段傳遞、立管分段穿越、立管分段下放安裝。立管分段傳遞之前，分別通過索具與作業船吊機連接、與平臺上2臺絞車連接。吊機連接的索具在立管分段上有2個吊點，立管分段在質量完全由吊機單獨承擔下可保持平衡狀態。2臺絞車在立管分段上的連接點分別位于立管兩端。由于平臺結構復雜、空間有限，且立管穿越導管架過程在水面以上，立管分段運動幅度容易過大，還需對立管分段連接穩繩。完成立管分段傳遞后，立管質量由絞車承擔，解除作業船吊機索具。立管分段穿越過程通過平臺上兩臺吊機完成，目的在于將整個立管分段穿越導管架，完全進入平臺下方空曠區域，完成時立管分段呈垂直狀態，僅一臺絞車受力。立管分段穿越過程完成后，需要對絞車鋼絲繩連接點及絞車鋼絲繩路由進行調整，主絞車在立管上的連接點調整為與輔助絞車同一位置，通過2臺絞車的配合將立管轉移至安裝位置下放安裝。

圖6 頂部立管分段穿越過程示意圖

2 立管穿越安裝分析

基于Orcafelx軟件，對立管各分段的安裝均進行了模擬計算分析。頂部立管分段，具備其他3段立管分段安裝的特點，因涉及穿越導管架，風險性較高，操作難度大，更具代表性。對頂部立管分段安裝過程作模擬計算，得出立管分段安裝中受力信息和適宜作業的海況要求。

2.1 環境參數

模擬計算中，考慮的環境因素有水深、波浪、海流、風等，如表2所示。

表2 環境參數

2.2 計算模型

模擬過程劃分為6個階段，對6個階段建模，6個階段描述如表3所示，各階段初始時刻模型如圖6所示。圖6模型中，待安裝立管分段及已安裝分段突出顯示為粗線，需要說明的是，圖6（b）中額外有一根突出顯示的粗線為一電纜護管，而在其他圖中顯示為細線，以便于區分立管、導管架、護管。

表3 模擬過程階段劃分

圖6 立管分段穿越模擬分析模擬

模擬仿真中，作業船吊機、平臺絞車均采用絞車模型。Orcaflex軟件中，絞車模型具有剛度屬性，可定義鋼絲繩定常輸出速度，預報受力信息，模擬中定義以0.5 m/s的速度輸出或回收鋼絲繩。船舶采用船舶模型，通過導入船舶RAOs，可以模擬船舶在波浪中的運動響應，從而實現波浪中穿越施工的動態模擬，進而確定適宜作業的天氣窗口和立管、絞車、設備等工機具的受力信息[6]。

2.3 計算結果

對頂部立管分段的安裝過程各個階段模擬計算結果進行匯總，如表4所示。從表4中可以看出，在1.5～2.5 m波高內，吊機作業船吊機最大受力為21.6 t, 在吊機能力以內。吊機連接立管的索具，最大受力為15.5 t。受平臺空間限制，擬選用的絞車中有許用載荷為20、16 t兩種規格。主絞車選用20 t絞車，適宜作業海況的波浪有義波高達到1.5 m；輔助絞車選用16 t絞車，適宜作業海況的有義波高能達到2 m。結合絞車受力及對作業海況的要求，可確定連接吊機和立管分段、絞車和立管分段的索具規格，均應不小于作業海況下索連接設備的受力。

表4 立管穿越模擬計算結果t

3 結論

立管后安裝具有較大的風險性，主要體現在立管后安裝涉及到作業船與平臺之間的長時間的近距離配合作業。立管后安裝主要包括立管分段吊裝入水、立管分段傳遞、立管分段安裝固定連接等過程。在立管分段固定及連接過程中，還涉及飽和潛水作業或空氣潛水作業?；诤蟀惭b導管架平臺的特點，頂部立管需要安裝在平臺倒管架內部，就涉及到立管分段穿越導管架平臺作業，風險進一步增加。通過安裝模擬計算分析，得出立管分段安裝中受力信息和適宜作業的海況要求，選取立管安裝所需設備及工索機具，可對立管海上安裝提供參考與指導。