內轉塔式FPSO單點建造腳手架難點分析

王永召

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)

0 引 言

腳手架具有搬運便捷、搭設拆除靈活、承載能力強、適應范圍廣等優點，現已被廣泛應用于船舶、海洋工程、建筑和橋梁等行業。鋼管腳手架發展始于20世紀初，英國應用連接件與鋼管組成的扣件式鋼管腳手架，后來美國引入門式腳手架，因其拆裝方便，被歐洲其他國家和日本紛紛引進，日本在工程實踐基礎上逐漸形成技術標準。20世紀70年代，鋼管腳手架開始引入我國[1]。隨著腳手架在各個行業的廣泛應用，腳手架的構造衍生出多種樣式，包括滿堂腳手架、吊式腳手架、懸挑腳手架、單(雙)排腳手架、附著式腳手架等。在使用腳手架的過程中，腳手架施工方面的問題日益突出，腳手架極限搭設高度、極限承載能力、穩定性等安全施工技術問題越來越引起人們的重視，尤其在走向深海開發的海洋工程領域，對腳手架的安全施工需求越來越迫切。

目前，國內各大院校、施工企業、研究機構等針對腳手架的技術、計算與工程應用開展相關研究，研究方法包括有限元分析、數值模擬和試驗驗證等。賈莉[2]、莊明智[3]、趙小童[4]通過足尺試驗、有限元、理論分析等開展滿堂腳手架的力學性能研究，推導扣件式鋼管滿堂腳手架極限承載力的簡化計算公式，基于半剛性節點對扣件進行研究，同時對滿堂腳手架的整體穩性承載力進行研究，采用有限元方法研究鉸接與半剛性節點兩種方式對滿堂腳手架穩定性的不同影響。余明淦等[5]針對淺水導管架對懸挑腳手架的選型進行分析，總結支撐型鋼的計算方法。陳凱薈[6]通過有限元和試驗驗證研究風載荷對腳手架極限承載力的影響。余成濤[7]通過有限元研究風載荷對建筑外掛腳手架穩定性的影響。陳津鋒[8]通過數值分析研究風載荷對附著式升降腳手架的影響。

雖然在腳手架承載方面已有較多的基礎研究，但目前尚無針對深水海洋工程建造領域的腳手架施工難點進行的相關研究。因此，本文以工程實際為例開展深水海洋工程腳手架難點分析，為同類型的施工提供借鑒參考。浮式生產儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)是集海上油氣生產處理、儲存外輸、動力供應及生活支持于一體的可移動綜合性大型海上生產設施，長期系泊于固定海域，是海上油氣開采的關鍵核心裝置[9]。內轉塔式FPSO作為目前海洋石油開發中常用的一種油田解決方案[10]，是一個緊湊的多功能結構，由多個獨立的子系統組成復雜但設備齊全的完整系統。內轉塔式單點與常規海洋工程結構物類似，其各個模塊在建造過程中需要腳手架作為臨時輔助平臺。由于其每個組構件建造精度要求高，工藝設計復雜，空間緊湊，因此建造時所需要的腳手架輔助平臺的設計難度也較大。鋼扣件式腳手架是海洋工程領域應用較廣泛的一種腳手架。如何在復雜緊湊的單點建造中搭設腳手架，既安全可靠，又可確保多專業便攜施工，這是一項嚴峻的挑戰。本文結合該單點的建造工藝，針對內轉塔式單點建造過程中的腳手架難點進行分析。

1 內轉塔式FPSO單點系泊系統

南海某油田開發項目FPSO采用內轉塔式單點系泊系統，設計作業水深為421 m，使用壽命為30 a，15 a不進塢。單點裝置位于FPSO船首處。該單點系泊系統與FPSO船體結構采用集成一體的形式，是單軸承支撐的內轉塔式系泊系統，采用錨鏈連接直徑為5.5 m的吸力錨系泊。除吸力錨外，該單點系泊系統還包括下塔體、管匯平臺、塔架和滑環系統[11]。如圖1所示：下塔體包含止鏈器、錨鏈盤、軸承支撐結構和中塔體等4個部分；管匯平臺包含立管和臍帶纜甲板、ESDV甲板、PIG甲板、設備甲板、卷揚機支撐、滑環支撐和各專業系統；塔架包含4根導管腿、中間甲板、上部塔架和滑環系統。單點系泊系統之一的吸力錨在建造時腳手架常規搭設即可，難度不大。主要探討下塔體、管匯平臺和塔架的腳手架設計難點。單點各模塊分體的主要參數如表1所示。

表1 內轉塔式FPSO單點各模塊分體主要參數

圖1 內轉塔式FPSO單點組成

2 內轉塔式單點建造工藝

內轉塔式單點系泊系統的各個模塊分體(下塔體、管匯平臺、塔架及滑環系統)分別獨立建造，各部分雖然形態各異、占用場地與設備資源不同，但整體的建造工藝流程基本一致，包括：(1)下料。鋼板、型材進行切割下料。(2)桿件預制。將下料完成的鋼板、管狀筋板等預制組合梁，將鋼板卷制成管段。(3)分片、分組預制。在預制場地進行組對、焊接施工，嚴格控制變形，確保施工滿足精度要求。(4)一體化預舾裝。結構件、機電儀散件在不影響運輸、吊裝前提下進行一體化預舾裝。(5)分片涂裝。一體化預舾裝后按相應的涂裝系統要求進行打砂、噴漆。(6)一體化預安裝并總組。涂裝后預安裝部分設備及部分其他散件，然后由大型起重設備總組。(7)完善?？偨M工位完成相應的舾裝、通風、保溫、電氣、儀表、通信、配管等專業的施工。

3 內轉塔式單點建造腳手架難點與分析

在內轉塔式單點各模塊建造過程中，為配合多專業施工，需要腳手架提供輔助工作平臺。各模塊內部空間緊湊，現選取幾個典型位置的腳手架設計進行分析。下塔體各分段預制所需腳手架匯總如表2所示。

表2 下塔體各分段與總段建造腳手架匯總

3.1 下塔體錨鏈盤

下塔體建造時被劃分為7個分段和1個總段進行預制(總段由若干個分段總裝而成)[12]。7個分段為底部平臺分段、止鏈器盒子分段、鑄件內部平臺分段、油池分段、軸承支撐分段、中塔體底部分段和中塔體上部分段。底部平臺分段、3個止鏈器盒子、鑄件內部平臺分段及其他散裝件合并總裝為錨鏈盤總段。錨鏈盤總段預制完成后吊裝至運輸墊墩，接著運輸至噴涂車間進行噴砂涂裝作業，噴涂后運輸至總裝場地進行總組作業。油池分段、軸承支撐分段、中塔體底部分段及中塔體上部分段將單獨進行噴砂涂裝。

在下塔體建造過程中，不同施工分段、不同施工工位對腳手架的需求可分為2類：常規腳手架和非常規腳手架。常規腳手架包括落地式雙排腳手架、落地式滿堂腳手架、腳手架凳子、腳手架護欄等；非常規腳手架包括懸挑腳手架、吊式腳手架和環形封閉腳手架。各分段、總段在胎架(或墊墩上)預制時離地較高，須設置防墜落的腳手架護欄。下塔體整體外形為錐臺型，常規腳手架的搭設也需時刻關注立桿與腳手板與下塔體外部的距離，避免碰撞。下塔體內部艙內密布19根穿艙導向，導向間空間狹小，在穿艙導向高度約4 m位置，底部平臺分段與鑄件內部平臺分段需要合龍焊接。艙內腳手架的布置應同時滿足3點基本要求：(1)立桿間距不得超過1.8 m；(2)確保每相鄰2根穿艙導向間可通過橫桿相連；(3)腳手板鋪板不與穿艙導向碰撞。錨鏈盤總段外表面為異形艙體，缺少腳手架生根點，解決方案：一種是在建造過程中焊接部分H型鋼作為生根點，但此法增加了艙體H型鋼的打磨與焊接工作量；另一種是在3個止鏈器外側搭設落地腳手架，待錨鏈盤預制完成后，將止鏈器外側的落地腳手架拆除，保留錨鏈盤上部的5圈環形腳手架用于涂裝施工，如圖2所示。

圖2 錨鏈盤預制腳手架設計與實景圖

3.2 中塔體與管匯平臺

下塔體的中塔體和管匯平臺的主要特征是圓柱外型。底部分段與上部分段合龍時需要腳手架輔助。管匯平臺作為內轉塔式單點系泊系統承接結構和重要的管匯設備集成體，能夠順利完成安裝和精準就位對于單點系泊系統起到至關重要的作用[13]。中塔體和管匯平臺腳手架的搭設難點主要體現在：(1)空間狹小，各系統緊密布置；(2)各甲板層腳手架環形封閉布置。

中塔體的環形封閉腳手架布置如圖3所示，腳手架平臺用于安裝樓梯甲板等附件。在位于離地高度約12.2 m處延徑向向外懸挑出第4圈腳手架立桿，下設斜撐，此腳手架用于中塔體底部和頂部的合龍口焊接。腳手架設計參數如表3所示。腳手架設計滿足文獻[14]的設計要求。

表3 中塔體環形封閉腳手架設計參數

圖3 中塔體預制腳手架設計和實景圖

管匯平臺的封閉腳手架布置如圖4所示，是以各甲板層中心向圓周輻射的圓面封閉腳手架，腳手架設計需參考配管、電氣和儀表專業支托架位置和設備位置，再結合結構形式于各層分別布置落地滿堂腳手架。管匯平臺最底層距離地面較高，同樣需搭設滿堂腳手架輔助機電儀施工。腳手架側邊設置塔樓梯道。

圖4 管匯平臺預制腳手架設計和實景圖

3.3 塔架設計分析

塔架包含4根導管腿、中間甲板、上部塔架和滑環系統。在建造過程中，塔架被劃分為3個分段進行預制，底部塔架分段和塔架甲板分段在完成各自的噴涂作業后將被組裝成塔架甲板總段。塔架甲板總段首先與4根導管腿合龍焊接。然后，將噴涂后的上塔架吊裝至塔架甲板總段進行最終合龍?；h系統在塔架集成至FPSO后進行安裝。在塔架建造過程中，導管腿上的腳手架設計是塔架腳手架設計中難度最大的。常規導管架的導管腿上一般無須安裝樓梯、管線支架等，這類導管腿主要依賴H型鋼生根的方式搭設型鋼懸挑腳手架。內轉塔式FPSO單點塔架的導管腿上需要安裝樓梯、管線支架和工藝管線接長，如果全部采用常規模式搭設，將無法安裝樓梯，也影響工藝管線的接長施工。結合多次現場論證，最終導管腿與塔架平臺合龍采用H型鋼生根的懸挑腳手架，其他區域采用落地式腳手架。采用H型鋼懸挑腳手架可確保最快完成導管腿與塔架平臺的合龍作業，然后再進行導管腿的落地腳手架搭設，確保塔架總裝施工提前至少3 d。如果導管腿腳手架過高，可采用H型鋼分段懸挑或分段搭載方式。這樣既有助于提高總組合龍的效率，又不影響樓梯安裝、管支架安裝。具體如圖5和圖6所示。

圖5 導管腿與塔架平臺合龍位置的H型鋼懸挑腳手架設計

圖6 塔架建造腳手架設計與搭設實景

4 結 論

內轉塔式FPSO單點各模塊雖體量不大,但其緊湊的空間構造和復雜的結構形式使得腳手架的設計難度較大。根據內轉塔式FPSO單點各個模塊建造的工藝流程,結合工程實際提供各分段建造時腳手架的難點分析,為同類型項目的建造提供借鑒。

(1) 在錨鏈盤建造時依據施工位置靈活采用常規腳手架和非常規腳手架。錨鏈盤空間封閉、緊湊,腳手架立桿設置需注意避開船艙導向。在涂裝前可搭設落地腳手架施工,為便于運輸和噴涂施工,錨鏈盤外部的腳手架可搭設型鋼懸挑用于臨時輔助。

(2) 在中塔體和管匯平臺建造時依據施工需要設置環形或圓面封閉式腳手架,立桿環形布置,需確保立桿間距符合施工規范要求,腳手架需要在一側設置塔樓通道。

(3) 在塔架建造時采用H型鋼懸挑和落地式腳手架組合可有效提高總組效率,在塔架中心平臺合龍位置優先預設置型鋼懸挑腳手架,塔架2條主腿宜采用落地腳手架搭設,如腳手架過高需分段卸載,確保立桿承載滿足安全要求。