恶劣海况下海底管道带压开孔作业辅助结构设计与安装技术研究

刘建峰，王彦多，杜 颖，张胜强，于银海

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

海底管道（以下简称海管）不停产带压开孔作业，作为海管维抢修施工作业中高风险的施工项目之一[1-4]，其施工难度较大，对技术要求较高。尤其在强潮流、低能见度等恶劣海况下，受浮吊船升沉和摇摆较大的不利影响，很难直接采用常规的吊装方式来进行带压开孔设备的安装和拆卸，须借助一些辅助结构先将带压开孔设备稳定在海管上方，在保证开孔设备与海管之间相对静止的前提下，潜水员才能完成带压开孔设备的精确安装和拆卸。

本文以东海某海管带压开孔修复项目为例，在强潮流、低能见度等恶劣海况下，针对海管带压开孔设备装卸所需的辅助结构设计以及安装技术进行研究，并在项目中成功应用，可为以后类似恶劣海况下海管带压开孔维修项目提供借鉴。

1 工程背景

东海某14 in（1 in=25.4 mm）输气海管出现压力异常。经路由检测和排查后发现，该海管一处长约100 m管段发生了裂纹损伤。损伤管段所在海域水深约30 m，此处海床为不稳定海床，且已发生了局部地质沉陷，从而造成该管段埋深由泥面以下1.5 m下沉到泥面以下约2.5 m。为了不影响该海管的正常运营，前期先采用封堵卡具对受损管段进行了临时修复。后来考虑到损伤管段处于不稳定海床，为了避免该海管在后续运营过程中再次发生损伤破坏，业主决定采用带压开孔的方式更换损伤管段对其进行永久修复。

该损伤管段所在海域属于世界强潮流海域（波流参数见表1），平潮时间短，长波涌浪频繁，水下能见度几乎为零，因此海况非常恶劣。

表1 损伤管段所在海域的波流参数

该项目采用的带压开孔设备主要包括：机械三通、三明治阀、开孔机和封堵机等，其中机械三通、三明治阀和开孔机的组合体示意如图1所示。

图1 开孔设备组合体示意

2 用于开孔设备整体安装的辅助支架设计

为了减少水下组对的工作量，降低水下作业的困难和风险，机械三通、三明治阀和开孔机需要整体安装。常见的海管带压开孔作业案例，多是开孔机在竖直状态下的开孔作业，如果采用开孔设备组合体竖直状态下水的话，则在如此恶劣海况下，潜水员很难将机械三通安装到海管上；因此，需要将开孔设备组合体在水平状态下水，等机械三通抱住海管之后，再将该组合体由水平状态翻转到竖直状态。由于浮吊船在恶劣海况下会出现较大的升沉和摇摆，如果采用常规的吊装方案——由浮吊直接吊装开孔设备组合体下水安装的话，则极易造成开孔设备与海管发生碰撞，从而导致开孔设备或海管受损；所以需要设计一个辅助支架，该辅助支架不但能够实现开孔设备组合体水平状态下放，还能够实现当机械三通抱住海管后组合体向竖直方向进行90°翻转。

经过反复论证分析、结构优化和码头试验，确定辅助支架的最终结构形式如图2所示。在综合考虑潜水员水下作业空间需求，以及辅助支架整体结构强度、抗倾覆、抗滑移和海底土壤的承载力等因素，该辅助支架总质量约15 t，其上部框架结构尺寸为长4 m、宽4 m、高7 m，其底部2块防沉板都是长8 m、宽2 m。在其主结构杆件中，4根主立柱为300 mm×300 mm×10 mm的方形钢管，其余杆件为H300×300×10×15的H型钢。

图2 辅助支架结构示意

根据实际施工需要，该辅助支架增加了以下几项附属结构设计：其一，为了实现开孔设备组合体在辅助支架内的固定、翻转，分别在辅助支架的各层水平梁的内侧或下方设计了12个可承重100 kN的小吊耳；其二，为了实现对开孔设备和辅助支架的整体吊装，在辅助支架顶部四个角点上各设计了一个可承重300 kN的大吊耳；其三，为了方便施工人员对吊索具进行挂扣和卸扣，分别在辅助支架的四根立柱外侧设计了爬梯；其四，为了降低辅助支架在安装过程中对海管造成碰撞破坏的风险，使用6 mm厚的胶皮对辅助支架前后两个门框进行了包裹。

此外，采用海洋石油行业结构分析中通用的SACS计算软件，对辅助支架吊装工况和在位工况进行了结构模拟计算及杆件强度校核分析，得到其所有杆件强度的校核结果，见表2，该计算结果满足API规范对结构物的强度要求[5]。

表2 杆件强度校核结果汇总

辅助支架在位时除了需要校核其结构强度外，还需要校核其抗滑移安全系数、抗倾覆安全系数和地基承载力安全系数是否满足规范要求。辅助支架在位稳性校核结果见表3，通过计算分析每项安全系数均满足规范要求。

表3 在位稳性校核结果汇总

3 开孔设备组合体和辅助支架整体安装技术

3.1 开孔设备组合体在辅助支架内的绑扎固定

在施工支持船甲板上，施工人员先将机械三通、三明治阀和开孔机组装成一个组合体（如图1所示）；使用浮吊将开孔设备组合体吊装到辅助支架内，并将其保持为水平状态。然后，使用10 t吊带和10 t倒链将开孔设备组合体绑扎在辅助支架内部，如图3所示。打开机械三通并调节各倒链长度，将开孔设备组合体的高度调整到合适位置，保证在辅助支架座底稳定之后，机械三通与海管间有足够的安全距离。

图3 组合体在辅助支架内的绑扎固定

3.2 开孔设备组合体和辅助支架的整体吊装

在进行开孔设备组合体和辅助支架整体吊装之前，需要校核作业坑底地基承载力是否满足规范要求。对于地基承载力满足规范要求的项目，可以直接将辅助支架座在坑底的泥面上；对于地基承载力不满足规范要求的项目，则需要提前对坑底进行地基处理。目前，在海管维抢修项目中，常采用直接在作业坑底部铺填沙袋的地基处理方案。

对于开孔设备组合体和辅助支架的整体安装，可按照以下步骤进行实施：先在辅助支架上绑扎两个无线信标，并对辅助支架进行挂扣；潜水员下水，并停留在作业坑附近进行观察；通过通讯设备，潜水员配合施工支持船甲板上的施工人员，共同指挥辅助支架吊装下水和安装；在辅助支架入水初期，施工人员可通过信标信号显示器，实时观察辅助支架与作业坑/海管间的相对位置，并指挥浮吊及时进行位置调整；当辅助支架接近作业坑时，潜水员应认真观察辅助支架与海管间的相对位置，避免两者发生碰撞，确保开孔设备组合体和辅助支架的整体安装能够精确就位。

3.3 开孔设备组合体在海管上的安装

对于开孔设备组合体在海管上的安装，可以按照以下步骤进行实施：待辅助支架在作业坑内座底稳定后，潜水员调整连接开孔设备组合体与辅助支架的倒链，将组合体缓慢下放，然后将机械三通抱在管道上，如图4所示；等机械三通在海管上闭合后，潜水员安装机械三通轴向密封螺栓，并对螺栓预紧加力，保证机械三通套在海管上可以自由转动；潜水员调整倒链，将开孔设备组合体绕海管转动约90°，使开孔机扶正为竖直状态，如图5所示；潜水员完全紧固机械三通轴向和环向密封螺栓；在辅助支架两侧管道正下方，潜水员垫放沙袋对海管进行支撑，避免在开孔设备组合体的重力作用下暴露段海管发生大的弯曲变形；最后，潜水员放松连接开孔设备组合体和辅助支架的倒链，完成开孔设备组合体在海管上的安装工作。

4 用于开孔机和封堵机更换的屋顶式吊装框架设计

在海管带压开孔作业的整个过程中，需要潜水员多次在水下配合浮吊更换开孔机和封堵机。而在强潮流、低能见度等恶劣海况下，如果采用常规平面式的吊装框架来更换开孔机和封堵机，不但很难实现吊装框架的自动对中，而且会给施工带来很大的安全风险。因此，针对海管带压开孔作业设计一种吊装框架用于开孔机和封堵机的更换非常必要。

图4 开孔设备组合体安装示意

图5 开孔设备组合体竖直扶正后示意

经过反复论证分析、结构优化和码头试验，确定吊装框架的最终结构形式如图6所示。该吊装框架上部（图6中红色部分）为屋顶式结构，主要由4根斜撑和4根水平梁组成，其中斜撑为［200×73×711的槽钢，水平梁为H100×100×68的H型钢；该吊装框架下部（图6中橙色部分）是用于固定开孔机和封堵机的辅助结构，其主要由φ65 mm×6 mm和φ48 mm×3.5 mm钢管构成。设备固定在屋顶式吊装框架内的现场实物见图7。

图6 吊装框架结构示意

图7 设备在屋顶式吊装框架内固定

采用SACS计算软件，对屋顶式吊装框架在吊装工况和在位工况进行了结构模拟及杆件强度校核分析，得到其所有杆件强度的校核结果，见表4，该计算结果满足API规范对结构物的强度要求。

表4 杆件强度校核结果汇总

在强潮流、低能见度等恶劣海况下，与常规平面式吊装框架相比，使用该屋顶式吊装框架主要有以下优点：其一，在开孔机和封堵机进入辅助支架的过程中，该屋顶式吊装框架的4根斜撑可起到导向作用和限位作用，能保证设备安装方便、快捷且安全可靠；其二，由于辅助支架和屋顶式吊装框架结构形式的对称性，则在屋顶式吊装框架和设备整体重力作用下，该屋顶式吊装框架能够保证被吊装的设备在辅助支架内自动对中，可以降低潜水员在恶劣海况下装卸螺栓等工作的施工难度；其三，由于屋顶式吊装框架水平梁在水平方向上的支撑作用，当被吊装设备在辅助支架内自动对中的过程中，也能够保证被吊装的设备在辅助支架上自动扶正，还可以达到设备精确就位的目的；其四，该屋顶式吊装框架下部辅助结构，对开孔机和封堵机起到固定作用的同时，也能够起到在设备安装时的导向作用以及对设备的保护作用，还可以有效防止在装卸过程中设备直接与辅助支架发生碰撞。

5 使用屋顶式吊装框架进行开孔机和封堵机更换技术

在整个海管带压开孔作业过程中，开孔机最早是连同机械三通、三明治阀和辅助支架一起安装就位的，如图8所示。当使用开孔机完成对海管的开孔之后，需要先将开孔机从三明治阀上拆卸下来，再将封堵机更换上去；等封堵作业结束后，需要先把封堵机从三明治阀上拆卸下来，再将开孔机更换上去；最终在海管带压开孔作业结束后，再把开孔机和三明治阀拆卸下来[6-8]。因此，在开孔机和封堵机的多次装卸过程中，都需要使用屋顶式吊装框架进行辅助作业。

图8 屋顶式吊装框架装卸开孔机示意

在施工过程中，首先在屋顶式吊装框架上安装两个信标，将其与辅助支架上已安装的两个信标配合使用，在船甲板上负责吊装指挥的人员可通过信标信号接收器的显示器，判断屋顶式吊装框架与辅助支架之间在水平方向上的相对位置；再结合潜水员水下观察屋顶式吊装框架与辅助支架之间在竖直方向上的相对位置，即可实现对屋顶式吊装框架的精确安装就位。

以封堵机更换开孔机这一施工过程为例。当屋顶式吊装框架在辅助支架上安装就位后，潜水员先使用倒链和安全吊带将开孔机顶部与屋顶式吊装框架连接，再打开开孔机与三明治阀之间的全部连接螺栓，并利用调节倒链实现开孔机的向上提升，完成与三明治阀的脱离。此后，潜水员使用安全绳将开孔机底部与屋顶式吊装框架固定，以防止屋顶式吊装框架在吊装过程中因晃动或强潮流等与开孔机发生碰撞，造成损伤。当开孔机被吊上船甲板后，采用与开孔机类似的绑扎固定形式，在屋顶式吊装框架内对封堵机进行绑扎固定，并通过屋顶式吊装框架辅助将封堵机吊装到辅助支架内；接下来潜水员通过调节倒链实现封堵机的下放，然后安装封堵机与三明治阀之间的连接螺栓，完成封堵机在水下的安装工作。

6 结束语

在工程实施过程中，使用上述海管带压开孔辅助支架和屋顶式吊装框架，克服了恶劣海况对海上施工的影响，保证了海上施工安全的有序进行；开孔设备组合体的整体安装技术和开孔机与封堵机的更换技术，降低了施工难度和风险，节省了工期，为海管带压开孔维抢修提供了有力的技术保障。该工程项目的成功实施，进一步提升了海管带压开孔修复技术的整体水平，可为以后类似恶劣海况下海管带压开孔维修项目提供借鉴。