香港海域大尺寸整体立管安装技术方案实施

户凯,李建楠,洪帅,谭博,刘凯,李振海

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

整体立管是采用焊接的方式将海洋平台立管和膨胀弯预制成的整体[1]。整体立管与平管和平台工艺管线连接也采用焊接的形式,从而可避免使用法兰连接带来的泄漏风险。立管和膨胀弯单独安装时,立管和膨胀弯采用法兰连接的方式,立管可提前预安装到导管架上或者采用后安装的方式,膨胀弯再与之连接[2]。相比于立管和膨胀弯单独安装,整体立管由于尺寸较大,海上安装时整体立管测量、预制、舷侧海管组对等技术难度较大。整体立管安装时必须精准地安装到导管架上立管管卡内,并保证管卡能够顺利关闭,安装精度要求较高。针对香港海域某新建海上液化天然气接收站项目中所需安装的30 in大尺寸整体立管,分别从整体立管测量、海上预制、吊装、舷侧对接及下放就位等过程提出相应的措施。

1 工程概述

为支持香港政府环保目标,增加天然气发电比例,2021年香港海域新建某海上液化天然气接收站,接收站由9座导管架组成,通过新建2条规格分别为20 in和30 in的海底管道连接2个陆地电厂。液化天然气运输船(LNGC)靠泊接收站后,通过停靠在接收站另一侧的浮式储存汽化装置(FSRU)将液化天然气汽化,再通过海底管道输送到陆地电厂。2条整体立管将两条海管与接收站平台工艺管线采用焊接方式连接,其中1条30 in整体立管,受接收站设计位置变化影响,整体立管长度增加,总长度达到86.853 m。接收站附近水深为17.9 m。

30 in整体立管按结构尺寸分为7段,具体参数见表1。

表1 30 in整体立管参数

在陆地将立管和膨胀弯分开预制,便于海上运输,运到现场后,膨胀弯还要增加一根调整管,调整管长度根据现场整体立管测量结果来确定。与整体立管对接的平管海管规格为OD762 mm×WT19.1 mm,防腐涂层为4.2 mm 3LPE,水泥配重层厚度为80 mm。整体立管和平管海管钢级均为X65。

该立管为三维Z形,总长度为86.853 m,中间段直线距离为52.077 m,总质量为67.6 t。整体立管路由见图1。

图1 30 in整体立管路由

海上安装时,甲板有限空间布置、整体起吊、舷侧对接、下放就位等都有较高的难度。安装精度也有较高的要求,要保证立管能进入导管架上的水下和水上两个管卡内且保证管卡能够关闭。

该整体立管采用舷侧安装方法,施工船舶为海洋石油202起重铺管船,总长168.3 m、型宽46.0 m、型深13.5 m、最大吃水9 m。在海洋石油202船左舷增设3个舷吊,用于已铺平管段的提升和下放。舷吊系统主要由A字架和绞车组成。3个舷吊分别为舷吊A1、B1和C1,每个舷吊配备1台绞车。绞车最大允许载荷分别为舷吊A1为250 kN、舷吊B1为450 kN、舷吊C1为450 kN。

2 安装技术方案

2.1 安装前准备工作

根据计算分析,为了能够顺利起平管,平管段弃管时要在作业线海管上绑扎浮筒,共需绑扎浮筒14个,单个浮筒可提供15 kN浮力。浮筒与海管绑扎固定使用了尼龙打包带,打包带可使用棘轮进行收紧操作方便,每个浮筒使用5条尼龙打包带将浮筒和海管固定。除了绑扎浮筒外,还要在距离管端不同距离处绑扎3条额定载荷400 kN环形吊带,吊带长度为10 m,用于起平管时与3个舷吊连接。弃管管头处水泥配重层要提前敲除一段距离,保证舷侧海管组对时有足够的空间放置舷侧海管组对装置。

依托海洋石油202船完成整体立管安装,施工前制定大尺寸整体立管的安装流程:①船舶在设计位置抛锚就位;②潜水员下水检查海管路由、浮筒以及管卡打开的状态;③潜水员进行水下测量;④甲板进行整体立管预制;⑤潜水员将舷吊索具与海管上绑扎的吊带连接;⑥利用舷吊根据计算分析起平管;⑦将舷侧对接平台折叠;⑧海管封头切割;⑨起吊整体立管至左舷,与平管组对、焊接、检验、节点涂敷;⑩展开舷侧对接平台;根据计算分析将整体立管下放至海底并就位到管卡内;关闭管卡并紧固螺栓,解开连接索具,拆除浮筒和立管斜撑杆。

海洋石油202船按设计位置在导管架一侧抛锚就位,见图2。

图2 海洋石油202船抛锚就位

整体立管预制前,需要对水下预放置整体立管的位置进行精确测量,来确定预制长度。测量如果出现较大误差,就会导致整体立管预制长度不准确,最终会导致整体立管无法放入管卡内。平管铺设时在管端不同距离位置安装了2个测量杆,导管架底部也有2个基点。潜水员水下测量出测量杆和基点之间的距离和角度。另外,海管上也提前安装了定位信标。通过潜水员测量和定位信标测量,参考海管多波束扫测结果,采用多种方式相互校验,测量出海管上2个测量杆和导管架基点的距离和角度,根据测量数据得出最终的膨胀弯上调整管的切割长度。

整体立管安装前导管架上水上和水下2个管卡要提前打开。海洋石油202船左舷提前安装舷侧对接平台并将对接平台展开。海管组对、焊接、检验,以用及节点涂覆均在舷侧对接平台完成。舷侧对接平台采用可折叠的形式,在海管提升和下放时,平台处于展开状态,即展开成180°,在使用对接平台时,平台折叠成90°。

2.2 甲板预制

膨胀弯上调整管切割长度确定后,在甲板将分段的整体立管预制成一个整体。由于海洋石油202船甲板可利用空间有限,使用全站仪对甲板上可摆放整体立管的位置进行测量并标记。

由于整体立管为三维Z形,甲板摆放时需要将立管段保持站立状态,因此需要对立管段进行支撑。考虑到整体立管安放到甲板后,用于安放支撑架的空间有限,现场制作简易立管支撑架,见图3。

图3 立管支撑架

在立管顶部使用牵引钢丝绳进行固定,从而保证整体立管稳固摆放在甲板上。整体立管在甲板摆放位置确定后,分段的整体立管在完成焊接、检验和节点涂覆后陆续预制成一个整体。由于整体立管中间52 m长的直管段并不是垂直于导管架的,与导管架下面横梁夹角为68.8°,立管段在安装时应是倾斜状态,倾斜角度为2.38°,这样才能保证立管能够进去导管架上的管卡内。预制时立管段是竖直站立状态,无法倾斜,于是将整体立管另一端膨胀弯端翘起同样角度,这样在整体立管起吊时立管段就会是倾斜状态。

2.3 起平管

利用OrcaFlex软件对起平管过程进行计算分析[3],结果见表2。

表2 已铺海管起平管过程计算分析结果

起平管分9个步骤完成,最终位置管端距离水面高度为1.8 m。3个舷吊中舷吊B1受力最大为307 kN,舷吊绞车工作载荷也满足要求。起平管前,潜水员下水连接舷吊索具和平管海管上绑扎的吊带。利用舷吊系统对平管海管进行提升,提升过程中3个舷吊相互配合,注意观察绞车张力大小和绞车缆绳收放长度。平管提升到位后,折叠舷侧对接平台,在对接平台上切割海管封头,然后处理和检验坡口。

2.4 舷侧对接

对于大尺寸整体立管吊装,要合理使用和布置索具。为了便于舷侧对接时海管组对,在吊装索具选择上使用了钢丝绳加手拉葫芦的组合方式,通过手拉葫芦调整整个索具长度。整体立管吊装索具布置见图4。

图4 整体立管吊装示意

在钢丝绳2和钢丝绳4下方与整体立管连接处分别使用手拉葫芦。在立管顶部提前焊好带吊耳的盲板,索具直接连到吊耳上,从而避免了索具捆扎在立管段上出现滑动的风险,也避免了使用吊装管卡。为了防止吊装过程中整体立管发生变形,在整体立管2个弯头位置各安装1个斜撑杆。

整体立管吊装由海洋石油202船主吊机中吊重能力为350 t的吊钩完成,由主甲板起吊至左舷与已回收海管进行舷侧对接。整体立管起吊后吊高58.5 m,对应最大吊机旋转半径为64.3 m,而海洋石油202船主吊机底座中心距离整体立管重心水平距离为52.5 m,距离导管架最近距离为75.5 m。350吨吊钩满足整体立管吊装和下放时的旋转半径和吊高要求,但无法到达导管架上方,因此,导管架上一些人员和工机具吊装需要在船舶就位前完成。

利用OrcaFlex软件对整体立管吊装进行计算分析,结果见表3。

表3 整体立管起吊受力分析结果

根据计算结果,吊装索具中钢丝绳3与整体立管连接的吊点处产生的应变最大为0.060%,满足规范DNVGL-ST-F101中的强度要求。根据计算得出的各钢丝绳受力情况,对整体立管吊装索具进行选型[4]。对整体立管起吊时的弯矩进行分析,结果见图5,在钢丝绳3位置和立管段底部弯头处弯矩较大。

图5 整体立管吊装弯矩分析

整体立管体型较大,吊装作业选择在良好的海况下进行。整体立管一旦从甲板起吊,将很难再放到甲板重新固定,所以舷外对接至关重要。舷侧对接时海管组对难度最大,容易受到潮汐、波浪和海流的影响。常规海管组对卡子难以克服两侧对接管线的相对晃动,所以对传统海管组对卡子进行升级改造,设计一种新型舷侧海管组对装置,见图6。

图6 海管组对装置对比

该装置两端采用喇叭口设计并有足够的长度,增加了与两侧管线接触面积及夹持力,可有效降低组对时两侧管线晃动带来的影响,提高组对成功率及施工效率。海管组对完成后,继续在舷侧对接平台上进行焊接、检验和节点涂覆。

2.5 整体立管下放就位

舷侧完成焊接、检验和节点涂覆后,整体立管和平管成为一个整体,展开舷侧对接平台,开始进行整体立管下放。利用OrcaFlex软件按照图7所示的模型对整体立管下放过程进行模拟计算分析,结果见表4。根据计算结果,分11个步骤下放整体立管,下放过程中吊机始终受力最大,并且随着平管缓慢下放到海床,吊机受力逐渐减小。整体立管下放就位后,关闭导管架上的2个管卡并紧固螺栓。

图7 整体立管下放过程模拟

表4 整体立管下放过程计算分析结果

3 工程实施

2021年6月3日—17日海洋石油202船完成了该大尺寸整体立管的海上安装,用时15 d,其中有4天因海上天气原因现场待机,实际纯工期仅11 d。根据大尺寸整体立管安装设计方案,最终成功将总长度86.853 m的三维Z形大尺寸整体立管精准地安装就位到导管架上的管卡内。

为了提高海上施工效率和安全性,整体立管海上安装时以下几点应当注意。

1)工程施工前,主作业船就位时,移船过程中应当注意工作锚锚缆位置,锚缆移动时不应从海管绑扎浮筒位置处穿过,避免浮筒绑扎带断裂造成浮筒失效。导管架上立管管卡长时间位于水面,会附着较多海生物,施工前应安排潜水员进行清理。

2)舷侧对接时,新型舷侧海管组对装置要提前安装到平管管端,整体立管起吊后,膨胀弯端直接插入组对装置内,然后紧固装置两侧螺栓,从而将两侧海管固定住,这样才能保证组对过程高效完成。

3)舷侧对接完成后,整体立管和平管成为一个整体,海洋石油202船主吊机和舷吊配合,缓慢下放。为了方便调整立管段与导管架上管卡的距离,在立管段提前绑扎了一根牵引缆绳,通过船上绞盘控制缆绳收放。整体立管下放到位前,为保证立管段能够准确地进入管卡内,潜水员下水做好准备,在立管段快进入水下管卡时,观察整体立管与水下管卡相对位置。整体立管与水上管卡相对位置由水手在导管架上进行观察。通过主吊机、舷吊以及立管段上的牵引缆绳相互配合,确保立管都能进入水下和水上管卡内。潜水员和水手使用手扳葫芦等工具辅助将立管与管卡贴紧,确保管卡能正常关闭。立管放置到位后,潜水员关闭水下管卡并紧固螺栓,导管架上的水手关闭水上管卡并紧固螺栓。这个过程应当注意观察立管段与导管架上结构物相对距离,避免发生碰撞,破坏立管段的防腐涂层。

4)导管架上的水上和水下2个管卡关闭后,吊装索具、立管斜撑杆和浮筒需要潜水员配合进行回收。海管上浮筒的回收采用潜水员水下割断尼龙打包带的方式将浮筒释放到水面,由拖轮或者其他小型船只收集并送至主作业船回收。潜水员割断尼龙打包带前应确定附近船只与浮筒出水点保持安全距离。