限制空间安装膨胀弯的推荐方法

刘 朋，崔占明，于银海，方龙盘，韩 剑，刘建峰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

海底管道是海上油气输送最高效、最安全的方式之一，根据输送的介质不同，海底管道可分为：注水管道、输气管道、油气水混输管道[1-2]。膨胀弯是海底管道的重要组成部分，其结构形式是具有一个或多个弯头的管段，通过膨胀弯将平台立管与水下平管连接，使整条海底管道贯通[3]。膨胀弯在外力作用下可以产生一定程度的变形，释放海底管道平管因热膨胀等因素产生的应力，保障海底管道安全运行。膨胀弯一般位于平台的正下方，在油田开发的设计阶段，考虑钻井作业因素通常将膨胀弯路由设计在有飞机甲板或火炬臂一侧，以便为钻井船腾出操作空间。膨胀弯的重心有可能会与平台结构物如飞机甲板、火炬臂等有重叠，安装膨胀弯时无法通过浮吊船直接吊装到位。本文以渤海某油田开发工程项目为背景，详细介绍两种在限制空间安装膨胀弯的方法。

1 工程概况

2020年渤海某油田新建两条海底管道，分别为D 12 in（1in=25.4mm）输气管道和D 6/12 in混输海底管道。安装海底管道时组块平台已经安装，平台东西两侧各有1艘钻井船进行钻井作业。每条海底管道在平台处分别设计2节膨胀弯，输气海底管道第一节膨胀弯位于平台火炬臂下方，混输海底管道第一节膨胀弯位于飞机甲板下方。2条海底管道的膨胀弯路由位置如图1所示。

图1 膨胀弯路由

由于飞机甲板和火炬臂的影响，两条管道的第一节膨胀弯均无法由浮吊船直接吊装到位，为此针对膨胀弯的实际情况，设计了2种安装方法。

安装混输管道膨胀弯时，在膨胀弯上增加配重，将整体的重心调整到平台飞机甲板外侧，由浮吊船直接将膨胀弯吊装到设计路由完成安装。安装输气管道膨胀弯前，在平台导管架桩腿上布置导向，在远离平台膨胀弯的另一端两侧布置配重块安装导向，膨胀弯吊装下水后用浮袋将膨胀弯浮起至悬浮状态，通过导向将膨胀弯调整至设计路由完成安装。膨胀弯参数见表1。

表1 膨胀弯参数

2 调整重心安装

2.1 配重设置

D6/12 in混输管道第一节膨胀弯位于平台飞机甲板的下方，根据膨胀弯的尺寸和材质属性进行三维建模，以弯头为坐标原点，计算出膨胀弯的重心坐标为G（6 450 mm，2 150 mm）。在设计路由上膨胀弯的重心位于飞机甲板下方，距飞机甲板边缘为1 864 mm。浮吊船吊装膨胀弯时吊点位于膨胀弯重心的正上方，规范要求吊装膨胀弯时钢丝绳水平角度不大于60°，根据水深及吊装要求选取吊高为30 m[4-5]。在膨胀弯的末端增加配重，使膨胀弯的重心从G点移动到G1点，位于飞机甲板外侧，且与飞机甲板边缘最小距离不小于1.5 m，如图2所示。

图2 膨胀弯重心相对飞机甲板位置

在膨胀弯上增加8 m H200×200×8×12型钢和1 500 kg的配重块，与膨胀弯之间用盲法兰进行间接。增加配重块之后的整体重心G1坐标为（11 926 mm，1 586 mm），总体重心在飞机甲板外侧，与飞机甲板水平距离为1 629 mm，满足吊装条件，如图3所示。膨胀弯与配重吊装下水后，由潜水员完成立管测法兰对接，将配重拆卸后吊装出水。

图3 膨胀弯配重示意

2.2 吊装计算

膨胀弯增加配重后采用4根钢丝绳总体吊装，其中膨胀弯上装配3根钢丝绳，配重块上装配1根钢丝绳，吊点位置坐标为（11 926 mm，1 586 mm，30 000 mm）。

膨胀弯钢丝绳装配位置如图4所示。

图4 整体吊装钢丝绳装配位置俯视

使用SCAS软件对膨胀弯整体吊装计算，4根钢丝绳的拉力及长度如表2所示。

表2 荷载效应因子和荷载组合

吊装膨胀弯时对膨胀弯整体强度进行屈曲校核。根据DNVGL-ST-F101《海底管道系统》规范把载荷分类为：功能载荷、环境载荷、偶然载荷和压力荷载，按照最不利的荷载组合进行计算，不同极限状态下的荷载效应因子和荷载组合如表3所示[6-7]。

表3 荷载效应因子和荷载组合

荷载组合计算结果如表4所示。

从表4可以看出膨胀弯及配重部分的UC值都小于1，膨胀弯的强度满足计算要求。

表4 荷载组合计算结果

3 导向安装

D12 in输气管道第一节膨胀弯的重心位于平台火炬臂的边缘，距火炬臂的垂直距离为0.187 m，吊装膨胀弯时浮吊船的吊钩距离平台太近，无法直接吊装到位，如图5所示。采用水下导向调整的方法进行安装。根据膨胀弯的尺寸和材质属性进行三维建模，以弯头为坐标原点，计算出膨胀弯的重心坐标为G（4 517 mm，1 927 mm），如图6所示。

图5 膨胀弯重心与平台火炬臂的相对位置

图6 输气管道第一节膨胀弯配重重心

3.1 水下导向布置

布置水下导向时，用于调整膨胀弯位置的导向绳不宜过长或过短。水下导向的作用是膨胀弯入水后调整平移和旋转。导向绳过长时有可能与水下结构物缠绕，水下能见度较低，不便于潜水员水下调整；导向绳过短时导向绳与膨胀弯的夹角过小，调整膨胀弯水下位置时的水平力过大。水下导向布置如图7所示。

图7 水下导向布置

在导管架底部中间节点上用扁平吊带和3 t手扳葫芦布置导向1，在导管架B2桩腿根部布置导向2，用于调整膨胀弯近平台端的位置；在膨胀弯远平台端设计路由的左右两侧海底各放置1个10 t配重块，连接扁平吊带和手扳葫芦用于调整膨胀弯远平台端的位置。导向1的可调长度为5～8 m，导向2～4的可调长度为3～6 m。

3.2 膨胀弯对接

为了便于调整膨胀弯的位置，吊装下水前在膨胀弯上绑扎3个浮力为9.8 kN的浮袋，浮袋的浮力可以根据充气量进行调整，浮袋位置如图8所示。

图8 浮袋固定位置

吊装下水对浮袋进行充气使膨胀弯处于悬浮状态，便于调整膨胀弯的水下位置。膨胀弯两端各绑扎一个USBL信标，通过水上终端显示其水下位置[8-9]。

膨胀弯吊装下水后，通过USBL显示的膨胀弯水下位置，将膨胀弯摆放在膨胀弯设计路由附近，保证吊装膨胀弯的钢丝绳与平台火炬臂的距离大于1.5 m，将膨胀弯放置在海床上。潜水员将4个导向连接在膨胀弯上，对膨胀弯上的浮袋进行充气，使膨胀弯上浮至悬浮状态。充气的过程中浮吊船的吊机吊力逐渐减小，吊力趋近为0时停止充气，潜水员检查膨胀弯的状态，膨胀弯处于一个水平面后摘掉吊机的吊扣，通过调整水下导向长度使膨胀弯移动至设计路由位置，膨胀弯吊装入水位置如图9所示。

图9 膨胀弯吊装入水位置

将导向3放长1.5 m、导向4放长0.5 m，收紧导向2使膨胀弯整体向斜下方移动，调整导向1使膨胀弯移动到设计位置，如图10所示。安装螺栓后将浮袋、导向拆卸，拧紧螺栓完成法兰对接，将水下的导向、浮袋及配重块回收。

图10 膨胀弯调整到位

4 两种方法对比

调整重心法和导向调节法均能够在限制空间安装膨胀弯，但两种方法区别如下：

（1）调整重心法通过增加配重，可较大程度上调整膨胀弯的整体重心，但需要进行强度校核计算，对于较大尺寸的膨胀弯增加配重后不便于吊装。

（2）导向调节法适用于所有限制空间位置的膨胀弯安装，但是调整位置较远时，调整时间过长导致施工成本增加。

（3）可以根据膨胀弯重心与平台结构物的相对位置选择不同的安装方法，膨胀弯重心与平台结构物重叠较多并且能通过强度校核计算时，优先选用调整重心法；膨胀弯重心与平台结构物重叠较少时，优先选用导向调节法。

5 结束语

以渤海某油田工程项目为例，介绍两种在限制空间安装膨胀弯的方法并得到成功应用，其中膨胀弯重心与平台结构物重叠较多时采用调整重心法，通过增加配重调整重心外移，可利用浮吊船直接吊装到位进行膨胀弯法兰对接工作；膨胀弯重心与平台结构物重叠较少时，在水下布置导向，先将膨胀弯吊装下水后通过水下导向调整膨胀弯位置，完成膨胀弯法兰对接工作。