大尺寸深水海管诱导侧屈结构物批量预制实践

2021-09-25邬智慧张传奇王杰文张云鹏陈为钦任培媛

机械工程师 2021年9期

邬智慧，张传奇，王杰文，张云鹏，陈为钦，任培媛

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518067）

0 引言

海底管线是油田生产输送的大动脉，是海上油气田的重要设施之一。海底管线在管内流体介质的温度发生变化、管道内外压力、泊松比、热膨胀和土壤摩擦阻力等因素共同作用下发生管道端部膨胀。蛇形铺设是侧屈控制的最经济方法之一，常用的设计是在波峰增加诱导侧屈结构物。南海某深水油田群平均水深为392～429 m，通过一种诱导侧屈结构物抬高海管，创造一个易于发生侧屈的激发点。本文依托南海某新建深水油田群项目，阐述一种诱导侧屈结构物批量预制实践。

1 项目概况

南海某新建油田群中心处为一艘15万吨级FPSO，新建4条海底管线，深海管道设计温度分别达到113 ℃和119 ℃，高温引起的侧向屈曲问题是海底管道设计的关键问题：膨胀量达到4.0～4.5 m，对PLET设计带来重大挑战；不加控制的侧向屈曲会在局部产生不受控的大应变；过高的有效轴向力对管道校核带来很多挑战。为解决问题，通过诱导侧屈结构物抬高海管，制造初始的垂向变形（OOS），并使用特氟龙或超高分子量聚乙烯等涂层减少海管和SLEEPER的摩擦力来创造一个易于发生侧屈的激发点。FPSO与一处油田水下生产系统之间新建2条长度约23.1 km（直线距离）的10 in海底管道，每条海管各设置有9套；FPSO与另一处油田水下生产系统之间新建2条长度约12.2 km（直线距离）的14 in海底管道，每条海管各设置8套，共计34套。

2 结构设计原理

图1 14 in海底管道结构物布置示意图

诱导侧屈结构物设计主要考虑：沉降计算，弹性沉降+固结沉降，分层总和法；地基承载力计算；抗倾抗滑计算；结构强度计算；滑道材料选型（超高分子聚乙烯材料）；长度确定。采用Abaqus有限元软件进行分析，得到屈曲缓解措施结构物分布和管道响应，从而确认以下参数：高度，即初始偏离（OOS）；间距，或者说虚拟锚固间距设计（VAS）；结构设计。

3 结构组成

根据设计和用途，结构物分为3种类型，其中TYPE B用于10 in海底管线与其他海底电缆交叉处理，主要分成H型钢框架、防沉板和裙板、防渔网装置和附件。

表1 基本信息表

4 预制策划

4.1 预制布场

结构物预制场地位于码头后方堆场的胎架，能满足13套结构物同时建造（如图4）。结构物预制采用分片预制，组装，在码头预制场地结构总装，完成整体热工作业；吊装场地右侧进行整体打砂涂漆，然后进行高分子材料安装和标记；预制完成，待出海的结构物利用码头的40 t门机转移至码头前沿，分批装船出海。

图2 预制场地示意图

4.2 预制流程

预制基本流程主要为材料验收和检验、号料和切割、零件坡口加工和附属件预制、结构部件装配、外观和尺寸检查、焊接、焊缝处理和检验、打砂涂装、整体外观检查、称重装船等工序。主要工序如图3所示。

图3 预制流程图

1）材料检验和跟踪。材料到货时，依据图样及材料证明书核对材料标记，并对材料外观进行检查，厚度偏差符合要求。在进行下料前，项目施工人员应将材料上的标记进行保护或转移，材料标记的保护或转移情况应经质检人员现场确认后再进行下料。材料确认的内容包括材料等级、规格型号、钢板号、炉批号等。在进行下料后，项目施工人员应及时将材料标记和切割图号或下料单号转移到材料上。

2）号料、下料和坡口加工。号料切割施工时尽量采用数控切割或半自动切割机进行切割，尽量减少人为因素对切割质量的影响。切割后，割渣和隆起物应彻底清除和磨平，板材自由边打磨倒角不小于R1。下料应进行材料标记，进行材料跟踪。坡口表面应平整，不得有裂纹、重皮、毛刺、凹凸、缩口等切割缺陷。坡口表面的熔渣、氧化铁应去除并对距坡口10 mm范围内的污物、油漆、油污、杂质等可能影响焊接质量的因素进行清除。

3）结构装配焊接。结构物采用胎架上预制，装配采用点焊和在对接口处使用码板，装配顺序依次为：铺设防沉板及下围裙板；防沉板定位后，依次装配中间H800型钢、横向H300型钢及上肘板；装配纵向H型钢及下围裙板；吊码及附属件的内场制作；装配加强肘板及其它附属件。现场施工时，严格按照焊接工艺规程WPS使用焊接工艺参数施焊，焊接顺序基本原则是：尽可能让焊缝自由收缩；由中间向两侧对称焊，采用双倍焊工；先焊收缩量大的焊缝；先焊对接焊缝，再焊角焊缝；先焊拉应力焊缝，后焊压应力和剪应力焊缝。

4）检验（无损检测）。诱导侧屈结构物是以H型钢为主体框架坐落在防沉板的一种结构，检验主要为原材料复检、材料来料检验、材料追踪、组对装配检验、焊接控制、焊缝外观检验、无损检测（MT和UT）、尺寸检验、涂装检验、超高分子聚乙烯板安装检验、称重、阳极测电阻、产品放行单检验等。焊缝主要为纵向H型钢、防沉板对接焊缝和横向H型钢、钢板角焊缝。对接焊缝无损检测采用100%磁粉检测和100%超声波检测，角焊缝无损检测采用100%磁粉检测，接受标准为AWS D1.1/D1.1M。

5）涂装和装船。考虑焊缝数量比较多和长度较长，涂装采用热工作业基本结束之后进行整体打砂。表面处理应按照SSPC-SP10进行处理，表面清洁度不大于2级，粗糙度满足Sa2.5或St3.0。油漆不得涂在潮湿表面。钢材表面应至少高于露点3 ℃时, 空气的相对湿度不大于85%。油漆涂覆完成之后，进行低压湿海绵漏涂点检测，要求无漏涂点。油漆配套是国际油漆7600系列和Immersion 410。在吊运过程中进行称重作业，称重采用电子拉力计（具有检验合格证书）。原计划5批次装船交货，因雨天天气等因素的影响，为了配合海上施工，最后分6批次交货，8船次（如表3）。

表3 交船批次

5 注意事项

5.1 钢材材料选型

结构物安装所处的水下环境温度约为5 ℃，应选用具有低温耐候性能钢材。国产的B类板材(三级钢)要求的冲击功试验温度为0 ℃，H型钢要求的冲击功试验温度为-20 ℃。项目开始，部分钢材采取Q345B钢，增加冲击功试验温度按0 ℃要求进行试验以确认符合性；其它材料采取Q345C 钢或DH36钢。

5.2 超高分子聚乙烯板的应用

超高分子聚乙烯板是首次使用的水下结构物材料之一。设计时，主要针对主要性能（如磨耗、摩擦因数）进行了解，未考虑热胀冷缩对塑料制品的影响（如表4），这个直接影响到板的安装时间。针对超高分子聚乙烯板的热胀冷缩对施工的影响，采取在温度较低时间段如凌晨、傍晚、晚上或者阴雨天气进行安装，而且每次都要预安装，记录时间段和板的温度及相关安装在主梁的位置；确定尺寸合适，然后拆下来，待完成涂装作业之后，再进行安装。这样施工，增加施工工作量，造成预制的被动。针对类似的材料，应注意温度的影响。

表4 高分子材料受温度影响延长测量数据（2019-01-26）

5.3 阳极支撑管和防撞装置开孔

诱导侧屈结构物预制设计未考虑到深水压力作用，阳极支撑管和主梁的2个防撞装置通过焊接固定，形成独立密闭空间，可能产生变形的风险，需要进行计算分析。经过项目组与各方沟通，采取开孔来保证稳定性措施（增加透气孔和漏水孔）。经过计算，内部无法进行全面涂装防腐，阳极也能保证其防腐效果。水下结构物部分部件形成独立密闭空间，这也是此前未能识别的风险，增加现场钻孔加工工作，共完成阳极支撑管钻1296个φ10 mm孔和防撞装置钻136个φ10 mm孔。现场钻孔作业，因位置和环境限制，效率比较低，后续工作需引起重视。