海基一号导管架总装方法选择与实践

林天威，胡 智

（深圳赤湾胜宝旺工程有限公司，广东 深圳 518068）

0 引言

作为2022 年度央企十大国之重器之一，海基一号导管架的作业水深达到281 m，是亚洲第一深水导管架[1]。该导管架为四腿导管架，由四条导管腿及其底部的裙桩将上部模块的载荷传递到海底，由水平片和花片结构将四条导管腿连成一体。为了满足卧式建造、滑移装船和下水作业的载荷传递需要，在两条相邻导管腿之间设置两条平行的下水腿；依靠下水腿向导管架内部构建一个长方体形状的下水桁架；下水桁架又通过细长拉筋与另外两条导管腿相连接。这种四腿导管架的构造在国际上有过不少应用，其中最著名的是作业水深排名全球前三的导管架：作业水深412米的Bullwinkle 导管架[2]、作业水深396 m 的Pompano 导管架和作业水深361 m 的Coelacanth 导管架，这三座导管架均位于墨西哥湾。另，孟加拉湾Zawtika油田的多个导管架也采用了这种构造，其作业水深在160 m 以内。国内深水油气平台采用这种构造尚未见报道。相对于其他常见类型的导管架构造，这种导管架设计杆件稀疏，因而刚度较小，局部结构完整性较差，难以按常规方法细分为便于转运和吊装的结构单元，给建造设计和施工带来诸多挑战。本文针对在总装过程的关键步骤，采取合理的合并和拆分策略，使得导管架总装能够安全、高效地完成，为同类深水四腿导管架的扣片建造提供参考。

1 旋转法与扣片法

在导管架建造历史上，发展前期常用旋转法进行总装，旋转法的优点是将尽可能多的结构安装工作量放在地面或者低空完成，减少高空工作量[3]。前文所述的以Bullwinkle 导管架为代表的墨西哥湾3 个深水四腿导管架建造都采用了旋转法[4]。随着起重机械朝着大型化方向发展，扣片法逐渐成为导管架总装的主流方法。海基一号导管架建造方案论证前期，曾探讨过旋转法和扣片法的适用性。旋转法与扣片法各有优劣，须综合考虑高空作业量、占地面积、起重设备需求、尺寸控制、施工经验等方面因素，做出选择。由于建造场地现有空间无法满足海基一号导管架旋转法的占地面积要求，且限于滑道位置无法扩展场地，再考虑设备需求和施工经验的显著差异，经专家会论证，加工设计团队决定选用扣片法。在总装方法的选择中，可用占地面积的限制，起到了一票否决的决定性作用。在扣片法总装的基础上分析解决了一系列结构总装问题。两种方法对比见表1。

表1 旋转法与扣片法要素对比

2 水平层W 片

海基一号导管架的下水桁架与A4/B4 导管腿的连接杆件稀疏且跨度较大。其中的7HU 和5HU 水平片部分，难以成片安装。散件无所依托，无法安装，更无法保证尺寸精度。经研究，加工设计团队提出了W片的设想，将扣片上的水平杆件划入水平片，采用临时拉筋将水平片拉筋连成上部封口的W 片，见图1。2 个W 片分别重达186 t 和309 t。经计算校核，W 片在吊装载荷作用下的强度和变形都满足要求。这2 个结构片的吊装分别使用了五台吊机。起吊时五台吊机联合作业，以弥补结构平面外刚度不足，降低应力和变形。起立后，撤除三台吊机，用剩余的两台主吊机完成结构片的移位、就位和辅助安装。2020 年12 月9日，7HU 水平层W 片成功吊装就位。2021 年3 月22日，5HU 水平层W 片成功吊装就位。由于W 片就位后，平面外缺少支撑，方案设计中还配备了揽风绳，将W 片顶端与现有的稳固结构相连接，以抵抗面外受风。实际实施效果良好，未发生大变形。W 片是本项目首次提出并实施的非常规结构片，其成功安装，大大提振了建造团队的信心和士气。

图1 W 片方案及实施

3 篮状结构

海基一号导管架连接下水桁架与外桁架的1HU和2HU 拉筋，难以成片安装。如图2 所示，一个方法是各自增加上下两根临时拉筋，形成A 形片分别安装。这种方法安装后，结构完整性差，需要采用揽风绳限制变形抵抗强风。经研究，把这2 个A 形片与其下方的下水桁架扣片一起预制，用外桁架扣片上的纵向拉筋把2 个A 形片连成一体，形成本项目重量最大的吊装单元：篮状结构。篮状结构为本项目首创的结构吊装单元，其构造兼具结构完整性和吊装稳定性。该结构重达572 t 但4 台吊机即可完成吊装。大大提高了安装效率且消除了后续迎风受损的风险。该吊装作业使用了两台1600 t 级吊机和两台750 t 级吊机。从2021 年4 月1 日吊装就位到2021 年9 月28 日邻近结构就位并与之相连接，在未使用揽风绳的情况下，篮状结构在百米高空挺立了半年之久。期间经历了多次台风考验，变形仍在许用公差范围内。

图2 篮状结构方案及实施

4 立体桁架

海基一号导管架小头Row2 桁架结构和Row3 桁架结构，原计划按2 个扣片、4 个十字花片和若干散件的形式吊装。经深入研究其结构特性，将重量介于几吨至100 余吨的14 个杆状结构或平面结构组成了重达321 t 的Row2 立体桁架和重达342 t 的Row3立体桁架结构，大幅提高吊装作业的集约度，减少了高空工作量和吊机资源耗费。合并之前，高空安装作业预计需要用到32 个吊机台班，合并后高空安装作业只需要16 个吊机台班。由于该结构位于导管架的飞溅区附近，部分结构需要涂装，组成立体桁架整体吊装也大幅减少了高空补漆的工作量，从而也显著减少室外打砂涂装给环境带来的污染。

5 叉状结构

海基一号导管架的裙桩套筒与下水桁架之间的连接结构，杆件分布在2 个正交平面上，按常规做法是散件安装或者分为2 个平面结构分别吊装。但这两种方法的高空工作量太大，尺寸控制难度高。经详细研究构造特性、吊机需求及安装效率等因素，创造性地将2 个正交平面结构组成空间结构。由于形似餐具叉子，称为叉状结构。叉状结构的方法大大缩减了高空工作量、建造工期和作业风险。同时，叉状结构的吊装难度和复杂度较常规吊装要高。常规吊装一般只要求被吊结构沿着一根轴线旋转一定角度，而叉状结构吊装，需要先在四台吊机协作下沿着一根轴线旋转90°，撤离其中一台吊机，再沿着另一根轴线旋转45°。相比于常规吊装，叉状结构吊装多了一次旋转，吊装指挥难度、吊机协作精度都达到了新高度。2021 年10月，2 个叉状结构吊装到位，见图3。叉状结构成功安装，给后续的高空裙桩套筒安装扫清了障碍。

图3 叉状结构方案及实施

6 裙桩套筒

海基一号导管架的四条导管腿底端有四组裙桩套筒结构，每组裙桩套筒包含3 个套筒、一段导管腿及连接结构。建造姿态下，有两组裙桩套筒在地面直接组装。另两组裙桩套筒则须在地面组装好之后，吊装到高空就位。高空两组裙桩套筒的单重为650 t，最高点达到了110 m，超出了现有吊装资源的能力。经研究，根据结构的构造特点，将每组高空裙桩套筒分为上下两部分分别吊装。上部包括2 个套筒及连接结构，重量为280 t；下部包括一段导管腿和一个套筒及连接结构，重量为370 t。为保证高空安装精度，上下两部分在地面组装成一体，分界线处仅作临时连接。完成所有焊接和相关试验之后，在分界线处分拆上下两部分，将裙桩套筒的上部吊离并临时放置在支撑结构上。先用三台吊机将裙桩套筒下部结构吊运至高空安装，然后用两台吊机将上部结构吊装到其上方就位。2021 年11 月份，两组高空裙桩套筒完成安装。

7 大跨度扣片

海基一号导管架扣片R4C25，重达1361 t，尺寸达到95 m × 71 m，最长杆件达到107 m。吊装难度极大。经分析该结构整片吊装强度不足，可能导致局部失效断裂，变形巨大无法组对。在几何中心附近增加吊点，可以解决吊装强度和变形问题，但没有合适的吊机提供足够的负荷能力和作业半径。惊人的重量意味着苛刻的吊装资源需求，建造场地现有的吊机和索具都无法满足该结构片的吊装作业需求。超大的跨度使得预制摆片占地太大，加剧作业空间紧张程度。综合考虑到结构强度、吊装变形、机具资源，占地面积等诸多因素，决定不再成片，按散件吊装。考虑到同样的因素，扣片R4C57 和R4C79 均按散件吊装，大片拆分为散件吊装，使得此部分结构所耗费的吊机台班大大增加，相应的工期也大大延长。该结构整片吊装与散件吊装的强度、变形、吊机分载、占地面积、吊机台班和工期等参数对比见表2。

表2 整片吊装与散件吊装比较

本结构安装方法的决策过程中，吊装结构强度是一票否决的决定性的因素。这是起重设备资源限制结构吊装向高向大发展的典型案例。考虑到结构重量和尺寸，预计需要跨度120 m，高度150 m，起重能力2000 t 以上的龙门吊，完成如此规模的扣片整体吊装作业。

8 结语

海基一号导管架是国内首个作业水深超过200 m的导管架。有别于国外同类构造的深水导管架的旋转法，海基一号采用扣片法建造深水四腿导管架，无先例可参考。从上述案例可知，根据结构特性，考虑施工条件的约束，有的结构需要合并，有的结构需要拆分。加工设计团队经过深入研究，根据导管架的构造特性，制定了合理的总装方法，并以坚实的理论论证和丰富的施工经验，赢得了专家会认可。其中W 片、篮状结构和叉状结构均为导管架建造史上首次提出的创新方法。这些结构的成功安装，解决了海基一号导管架建造中的关键难题。（见图4）海基一号导管架于2022 年3 月15 日顺利装船交付，为后续同类深水四腿导管架的扣片建造方法开了先河。此类导管架的大跨度扣片在吊装载荷作用下的应力和变形如何控制，如何整片吊装，有待进一步研究。

图4 完工上船的海基一号导管架