立管在位状态下立管卡子创新设计

何星，于银海，黄昆，卢娓娓(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

海底管道是海上油气田开采的油气等介质输送的重要途径，立管在海底管道输送系统中起着承上启下的作用，立管的下部连接水平管道，上部与开采生产或处理设施连接，对于位于导管架平台上的立管通常是通过立管卡子[1-4]与导管架结构固定在一起，在保持立管在位和介质输送状态下的稳定性起着至关重要的作用。目前立管卡子已有较为成熟的结构形式，通常情况下根据立管规格对卡子尺寸进行调整即满足设计使用需求。随着油田生产年限的不断增加，很多管道已经达到运营期限，或者在运营期间因腐蚀和其他原因需要更换，以及为保障油田产量需要在运营平台新铺海底管道，因此后安装立管和立管卡子海上安装逐渐增多，根据平台结构形式的不同和确保立管在导管架上合理布置，可能会导致通常的立管卡子设计形式无法满足海上立管和卡子正常安装需要。本文以渤海某油田海底管道更换项目为例，介绍了一种新型的立管卡子设计结构，使立管安装后再进行部分立管卡子的安装成为了可能。

1 概述

渤海某油田拟在两个在役平台之间新铺设一条混输海底管道，并在两侧平台导管架外侧新增加立管及立管卡子，其中新铺设海底管道一段的平台周边海床地形较为复杂，且该平台导管架部分主结构上存在长度较长的贯穿性裂纹，导致该平台侧新增加立管需要设计在导管架横拉筋外侧，由于油田所在水深接近30 m，新增立管需要通过4 个卡子固定，结合导管架结构形式以及立管在运行状态下的稳定性要求，其中中间2 个平台侧卡子需要固定在导管架斜拉筋上，另外两个固定在导管架主桩腿结构上。立管及立管卡子布置如图1 所示。

图1 某平台新增立管及卡子布置示意图

该项目新铺设海管为双层保温管，立管外径711.2 mm，飞溅区氯丁橡胶防腐涂层13 mm，其他区域防腐涂层厚度4.2 mm。

由于平台侧立管卡子位于导管架不同的结构上，导致环抱立管的卡子在环向成61°夹角，如图2 所示，即中间的2#、3#卡子与水上1#卡子和最下方4#卡子在同轴心方向投影的开口朝向成61°夹角，从而导致了开口宽度仅643 mm，而考虑立管防腐层后的立管最小外径为719.6 mm，无法按照通常先完成全部立管卡子安装后再安装立管的方法，进行立管安装，因此拟对2#、3#立管卡子连接形式进行创新设计，确保在先安装1#和4#立管卡子，然后立管安装后，再安装2#和3#立管卡子具备较好的可操作性。

图2 立管卡子轴向投影示意图

2 立管卡子创新设计方案

2.1 立管卡子结构类型研究

立管卡子通常有陆地预安装、预留对接法兰和海上安装几种形式，如图3 所示。陆地预安装即立管卡子在导管架建造阶段焊接在导管结构上，随着导管架一同完成海上安装。预留对接法兰的立管卡子，即将一片法兰和连接轴在导管架建造阶段焊接在导管架上，等后续海上立管安装前，将立管侧卡子与预留法兰对接完成立管卡子安装。海上后安装即立管卡子整体结构进行海上后安装，将卡子的一侧抱卡环抱固定在导管架相应结构上。

图3 立管卡子常见结构形式

2.2 立管卡子结构创新设计

本项目施工涉及导管架上未预留立管卡子安装法兰，因1#和4#卡子在立管安装前进行安装，因此水上1#立管卡子采用直接焊接在导管架桩腿上，4#立管卡子采用常规海上安装形式。位于水下的2#、3#卡子如也采用与4#同类型的立管卡子，在立管已经安装的情况下，无法进行安装，因此只能设计成分体结构形式。

设计方案一：采用与常规海上安装立管卡子类似结构，在两侧卡子之间的连接轴处增加法兰，如图4 所示。立管侧卡子和导管架侧卡子可以分开安装，然后在在中间处进行法兰连接。该种设计方案对卡子的制作精度要求较高，容易造成中间对接法兰螺孔错位，或者法兰间隙较大，影响安装效率和效果。

图4 常规卡子增加连接法兰设计方案

设计方案二：为了便于水下安装，降低水下安装难度和工作量，卡子结构采用分体设计(图5)，在两侧卡子连接轴处额外增加一对中间抱卡焊接在导管架侧抱卡结构上，立管侧卡子的连接轴进入中间抱卡后可轴向伸缩和旋转，允许加工制作上有一定的误差，能大大降低水下作业难度。

图5 分体结构卡子设计方案

根据以上两种设计方案特点，为了减少水下作业难度，降低施工工期和成本，2#、3#卡子选用了设计方案二的形式。

3 海上安装

按照设计方案二完成立管卡子制作后，进行海上安装。为确保立管侧卡子一次安装到位，避免来回调整导致立管表面防腐涂层受损，采取先安装导管架侧抱卡，然后再进行立管侧抱卡的安装。具体流程包括：(1)导管架斜拉筋处抱卡安装位置海生物清理，清理范围比抱卡长度扩大0.5～1 m，满足安装过程中调整需求；(2)对导管架侧抱卡配吊扣，通过卷扬机和倒链，将抱卡下放至安装位置附近，潜水员通过导向把导管架侧抱卡扣在安装位置，安装螺栓进行初步固定；(3)对立管侧卡子配吊扣，通过卷扬机和倒链将卡子下放至安装位置附近，潜水调整卡子开口方向环抱在立管上，并使立管侧卡子连接轴进入中间抱卡，作业过程中可对导管架侧抱卡进行适当调整；(4)导管架侧抱卡、中间抱卡和立管侧卡子的螺栓依次拧紧。

按照以上方式实现了立管在位状态下立管卡子的分块安装，并将2#、3#立管卡子安装推迟到管道投产后进行，节省了前期工作时间，保证管道的提前投产。

4 结语

立管卡子作为海上油气田海底管道系统立管固定的普通结构形式，已具有较为成熟的设计形式，但海上油田开发建设过程中根据导管架结构形式和立管布置以及海上安装的需要，也可能需要进行结构形式的优化设计，本文创新设计的立管卡子较常规立管卡子不同点在于：采用分体设计，增加一对中间抱卡，实现立管在位下进行立管卡子安装，并允许一侧卡子调整轴线方向从而便于安装。该创新设计可为以后类似立管及卡子安装工程提供借鉴。