基于增加配重法后安装膨胀弯的技术方案设计

刘建峰，王彦多，赵强，于银海，樊华

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

膨胀弯是海底管道与平台立管间的一段过渡管线，其通过吸收海底管道因热胀冷缩导致的膨胀量，补偿海底管道长度的变化，为海底管道提供有效保护。在常规的海洋工程项目施工工序中，膨胀弯的安装一般放在导管架安装之后组块安装之前。但是，对于有些工程项目由于受施工船舶档期调整等因素的影响，会将膨胀弯安装放在组块安装之后，这样就会出现组块的飞机甲板、火炬臂或者栈桥等结构物干涉浮吊吊机臂，造成浮吊无法直接将膨胀弯吊装就位的施工困难。此时，若选择更换浮吊资源，则需要寻找吊机臂长度合适的浮吊船，换船周期长，会额外增加成本；若选择重新设计膨胀弯路由，则需要对膨胀弯进行重新设计和预制，同样也是周期长、成本高。因此，结合渤中19-6气田WHPA平台后安装膨胀弯的施工困难，开展后安装膨胀弯技术方案设计分析。

1 工程背景

渤中19-6气田WHPA平台为新建的井口平台，其有一条6/12 in新建混输海底管道，该海底管道在WHPA平台侧膨胀弯的截面特性见图1，技术参数见表1。

表1 膨胀弯的技术参数

图1 膨胀弯截面示意

该膨胀弯原计划放在导管架安装后组块安装前完成安装，但是由于项目实施过程中施工顺序发生变化，导致膨胀弯的安装被推迟到了组块安装之后。经过对首节膨胀弯(与立管相连接的一节)的模拟分析，若以其立管端为坐标原点(0，0)，其在路由上的重心坐标为(6.07，-8.82)，位于飞机甲板的下方，见图2。如果采用常规的安装技术，会因浮吊吊机臂与飞机甲板干涉，而造成浮吊无法完成对膨胀弯的吊装就位作业。

图2 首节膨胀弯路由示意

2 膨胀弯后安装技术方案选择

2.1 拖拉法

拖拉法是对未安装到位的膨胀弯以拖拉的方式进行精确就位的技术方法[1]。根据膨胀弯被拖拉时所处的水层深度不同，可以将拖拉法后安装膨胀弯的技术方案细分为：漂浮拖拉法、悬浮拖拉法和座底拖拉法[2-3]。

2.1.1 漂浮拖拉法

漂浮拖拉法是指通过在膨胀弯上绑扎浮筒或气囊等助浮设备，让膨胀弯和助浮设备的整体浮力大于重力，使其可以自由漂浮在水面上，然后通过水面拖拉的方式将其拖拉至设计路由的正上方，等潜水员解除助浮设备后，在膨胀弯立管端法兰处定位信标的指引下和潜水员的指挥下，通过倒链和浮吊配合缓慢地将膨胀弯下放并安装到设计路由上[4]，见图3。

图3 膨胀弯漂浮拖拉就位示意

2.1.2 悬浮拖拉法

悬浮拖拉法是指通过在膨胀弯上绑扎浮筒、气囊或浮袋等助浮设备，让膨胀弯和助浮设备整体的浮力刚好等于重力，使其可以自由悬浮在水中，在膨胀弯立管端法兰处定位信标的指引下，潜水员将膨胀弯和助浮设备拖拉至设计路由上，然后连接膨胀弯立管端法兰与立管法兰间的螺栓并解除膨胀弯上的助浮设备即可，见图4。

图4 膨胀弯悬浮拖拉就位示意

2.1.3 座底拖拉法

座底拖拉法是指浮吊直接将膨胀弯吊装下放到平台附近的泥面上，然后在膨胀弯立管端法兰处定位信标的指引下，潜水员通过调节膨胀弯与导管架之间连接的倒链，将已座底的膨胀弯拖拉至其设计路由上[5-6]，见图5。

图5 膨胀弯座底拖拉就位示意

2.2 辅助支架法

辅助支架法是指浮吊直接将膨胀弯吊装下放到平台附近的泥面上，在膨胀弯的路由上安装2、3个辅助支架，每个辅助支架都由多根倒链与膨胀弯连接，潜水员通过调节倒链将膨胀弯拖拉至其设计路由上[7-10]，实现对膨胀弯的移位和精确就位，见图6。

图6 辅助支架法膨胀弯就位示意

2.3 增加配重法

增加配重法是指在膨胀弯的一端增加配重结构，相对于膨胀弯原有的重心位置而言，可以实现膨胀弯和配重结构整体的重心位置外移，再使用浮吊对膨胀弯和配重结构整体吊装就位时，浮吊吊机臂将不会与组块结构相互干涉，从而达到对膨胀弯吊装就位的目的，见图7。

图7 增加配重法吊装膨胀弯的示意

2.4 技术方案对比分析

上述5种可用于膨胀弯后安装技术方案的技术特点见表2。

表2 后安装膨胀弯技术方案对比

由表2可知：相对于漂浮拖拉法、悬浮拖拉法、座底拖拉法和辅助支架法而言，增加配重法受环境因素的影响最小，大部分工作是在水上完成，浮吊可直接将膨胀弯吊装就位，施工效率最高、施工风险最小。因此，在渤中19-6气田WHPA平台后安装膨胀弯项目中最终选择采用增加配重法的技术方案。

3 工程应用

3.1 方案设计

经采用SACS计算软件模拟分析后发现，若以膨胀弯立管端为坐标原点(0，0)，在该膨胀弯平管端增加一根12 m长H300×300×10×15型钢的配重结构后，则该膨胀弯和配重结构的整体重心坐标为(11.76，-9.25)，见图8。此时，该重心坐标位于飞机甲板边缘的外侧，且其距离飞机甲板边缘约为4.3 m，该距离大于吊装规范要求的最小安全距离，可以使用浮吊直接对膨胀弯和配重结构进行整体吊装就位。

图8 增加配重后膨胀弯重心位置示意

根据DNVGL-ST-F101规范对膨胀弯吊装强度计算的相关规定，采用SACS计算软件中针对膨胀弯这类细长杆件的“大变形”计算理论，通过SACS计算软件对膨胀弯和配重结构整体模拟分析，如图9所示，经强度校核该膨胀弯和配重结构整体的吊装强度满足DNVGL-ST-F101规范要求。

图9 增加配重后膨胀弯的吊装模型

3.2 实施过程

3.2.1 准备工作

根据膨胀弯的设计路由，潜水员带信标沿膨胀弯路由探摸海底情况，如有影响膨胀弯安装的障碍物，则进行清理；如有可能造成膨胀弯较大悬空的坑道，则使用沙袋进行填平。在膨胀弯吊装下水前，船上的施工辅助人员先将膨胀弯法兰面和垫圈槽清理干净，并选择一个表面完好的垫圈在垫圈槽内进行匹配度试验，确认匹配完好后对垫圈槽涂抹黄油；再将连接法兰的螺栓绑扎在膨胀弯法兰附近，调整好螺母的位置以节省潜水员水下工作时间。此后，施工定位人员将膨胀弯的设计路由导入到定位软件中，并在膨胀弯两端的法兰附近固定信标，以便施工人员能够准确了解膨胀弯在水下的位置。

3.2.2 增加配重结构

准备1根H300×300×10×15型钢，12 m长在其一端焊接一个盲法兰，使用螺栓将该配重结构的盲法兰与膨胀弯平管端的法兰连接固定。再根据膨胀弯和配重结构整体的吊装图，对膨胀弯和配重结构进行配扣与调平。然后在膨胀弯和配重结构两端各系1根牵引绳，以便施工人员调整膨胀弯在水下的位置。

3.2.3 水下安装

浮吊缓慢将膨胀弯和配重结构整体吊装下水，当吊至距离泥面5 m左右位置处，在膨胀弯上信标的指引下，转动或平移膨胀弯使其位置与设计路由大致相符。潜水员到达立管法兰附近，观察膨胀弯立管端法兰与立管法兰的相对位置，并指挥吊机调整膨胀弯的位置和角度，使其达到法兰对接的要求。潜水员先在法兰面的3、6、9点位置安装螺栓，再用棘轮扳手对螺栓加力以使2法兰面靠近并保持平行。当2法兰面间距约为50 mm时，潜水员将垫圈安装至垫圈槽内，并使用棘轮扳手对已安装的螺栓紧固至垫圈被夹紧。此后安装其余的螺栓，并使用棘轮扳手加力，当所有螺栓加力1遍后，使用游标卡尺测量法兰间距，如果间隙不均匀则应使用棘轮扳手进行调整，并重新测量间距直至法兰间距偏差小于2 mm；当棘轮扳手加力至加不动且法兰间隙均匀时，潜水员水下安装液压拉伸器，按照拉伸程序对所有螺栓进行拉伸紧固。最后，潜水员将配重结构回收至主作业船甲板。

4 结论

采用增加配重法的技术方案，实现了膨胀弯重心位置的外移，在未更换浮吊资源的前提下，成功解决了浮吊吊机臂与飞机甲板相互干涉的技术难题，并于2020年3月顺利完成了渤中19-6气田WHPA平台混输海底管道首节膨胀弯的后安装作业，有效节省了项目成本和工期。

1)5种膨胀弯后安装的技术方案都存在各自的技术优势，在今后的膨胀弯后安装项目中应根据每个项目的实际情况做出选择。

2)增加配重法不局限于只在膨胀弯后安装项目中应用，在立管、立管卡子、立管保护架、靠船件等结构物后安装项目中，若遇到组块结构物干涉浮吊吊机臂时，都可以尝试应用增加配重法的技术方案。

3)增加配重法中的配重结构不局限于是杆件结构，根据每个项目的具体需求，配重结构可以是小的配重块，也可以是大的结构物。

4)增加配重法中配重结构与后安装结构物之间的连接固定有多种方式，既可以采用法兰和螺栓连接固定，也可以根据采用绑扎固定或焊接固定。