萬秀林， 王瑞平， 魏玉壘， 曹 揚(yáng)

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266520)

0 引 言

立管是海上油氣生產(chǎn)平臺連接海底生產(chǎn)井口的重要系統(tǒng)，在油氣田開發(fā)工程中起到極其重要的作用。相對于固定式平臺，半潛式生產(chǎn)平臺的立管系統(tǒng)設(shè)計條件更加苛刻、性能要求更高，在此條件下衍生出更復(fù)雜的系統(tǒng)組成及建造策劃難點(diǎn)。

半潛式生產(chǎn)平臺的立管通過柔性接頭接入平臺后[1]，以柔性接頭為界面，在船體浮筒頂部及立柱外部的延伸，稱為“船體立管”系統(tǒng)。船體立管與水下立管同宗同源，在管線材質(zhì)、壓力等級、涂覆工藝等方面，設(shè)計要求基本一致，同時還需考慮與半潛式生產(chǎn)平臺上的各類工藝設(shè)備及附屬結(jié)構(gòu)的建造安裝過程協(xié)同處理，總體建造工藝較為復(fù)雜。

在國內(nèi)以往研究文獻(xiàn)中，多數(shù)是水下立管系統(tǒng)方面有關(guān)動力分析[2]、強(qiáng)度及疲勞分析等基礎(chǔ)研究[3]。在施工層面，在陵水17-2項(xiàng)目之前，國內(nèi)尚無深水半潛式生產(chǎn)平臺的實(shí)施，因此立管建造安裝的研究一直在固定式平臺方向[4-5]。

本文依托陵水17-2項(xiàng)目的建造實(shí)施過程，將半潛式生產(chǎn)平臺船體立管系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、總體建造工藝、施工關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性歸納整合，為未來深水浮式生產(chǎn)裝置立管系統(tǒng)的建造提供參考。

1 船體立管系統(tǒng)的組成

船體立管系統(tǒng)界面多，跨多個專業(yè)，包括船體立管管線、立管卡子及結(jié)構(gòu)支撐、立管接收器、水下安全隔離閥及控制系統(tǒng)、立管監(jiān)測系統(tǒng)、防墜物及防碰撞保護(hù)框架等。

1.1 船體立管管線

船體立管管線，根據(jù)其功能，可以分為生產(chǎn)管、產(chǎn)出油外輸管、產(chǎn)出氣外輸管、生產(chǎn)輔助立管等。

陵水17-2項(xiàng)目船體立管管線共有6根(見圖1和表1)，包括2根12.75寸生產(chǎn)管、2根10.75寸生產(chǎn)管、1根18寸天然氣外輸管，以及1根乙二醇注入管。同時，考慮到未來氣田擴(kuò)容的需要，平臺設(shè)計預(yù)留了2根未來生產(chǎn)立管。另外需要說明的是，陵水17-2平臺產(chǎn)出凝析油直接儲存在船體內(nèi)部的凝析油儲存艙，并通過穿梭油輪完成外輸任務(wù)，因此平臺未設(shè)置產(chǎn)出油外輸管。

表1 船體立管管線清單Tab.1 List of hull riser piping

圖1 船體立管管線布置圖Fig.1 Layout of hull riser piping

1.2 立管卡子及結(jié)構(gòu)支撐

船體立管管線通過結(jié)構(gòu)卡子及支撐連接至船體外板進(jìn)行固定。與固定式平臺的立管卡子[5]類似，半潛式生產(chǎn)平臺的立管卡子及結(jié)構(gòu)支撐可分為導(dǎo)向抱卡型和錨固懸掛型兩類(見圖2)。

圖2 船體立管卡子及結(jié)構(gòu)支撐示意圖Fig.2 Schematic diagram of hull riser clamps and foundation

立管結(jié)構(gòu)支撐的典型形式即導(dǎo)向抱卡型，一般包括基座、下鞍座及上鞍座三部分?；c船體焊接，上、下鞍座成卡子狀，環(huán)抱船體立管后，與基座通過螺栓連接。

船體立管頂部的支撐結(jié)構(gòu)為錨固懸掛型，除基座、鞍座外，還會設(shè)置錨固套筒與立管進(jìn)行焊接，錨固套筒外部設(shè)計有懸掛支撐結(jié)構(gòu)，通過抱卡與基座通過螺栓固定。

立管卡子內(nèi)部設(shè)置氯丁橡膠(見圖3)，確保船體立管表面的防腐涂層不被磨損破壞。同時，立管卡子內(nèi)徑(含氯丁橡膠)一般會比立管外徑(含涂覆層)大6～10 mm，即每側(cè)有3～5 mm間隙。

圖3 立管卡子氯丁橡膠Fig.3 Riser clamp and neoprene

1.3 立管接收器及支撐結(jié)構(gòu)

立管接收器及支撐結(jié)構(gòu)是用于半潛式生產(chǎn)平臺立管回接至船體的關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)，由立管接收器(receptacle)、支撐結(jié)構(gòu)(porch)、柔性接頭組成(見圖4)。立管接收器一般設(shè)計有“籃子”狀開口，立管回接至船體時，通過將立管頂部的柔性接頭懸掛放置在立管接收器的開口內(nèi)部，柔性接頭頂部連接船體立管管線，實(shí)現(xiàn)與平臺工藝處理設(shè)備的連通。

圖4 立管接收器及支撐結(jié)構(gòu)Fig.4 Riser receptacle and porch

1.4 水下安全隔離閥及控制系統(tǒng)

水下安全隔離閥(SSIV)是用于立管系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)或泄漏等極端情況時，及時切斷平臺與水下立管的連通，隔離并確保生產(chǎn)平臺和人員安全的重要控制設(shè)備[6]。其控制系統(tǒng)一般包括臍帶纜上部終端TUTA、臍帶纜、X臍帶纜下部終端UTA、液電飛線，控制系統(tǒng)附件包括臍帶纜護(hù)管J-tube及基座、飛線保護(hù)盒、SSIV操作平臺等。

考慮火災(zāi)對閥門的影響，SSIV一般設(shè)置在水下。陵水項(xiàng)目在項(xiàng)目初期通過分析SSIV在不同設(shè)計位置的安全性和工程可實(shí)施性[7]，將SSIV布置在船體浮筒頂部。因此，SSIV及其臍帶纜控制系統(tǒng)均需要在船體浮筒頂部完成路徑布置及結(jié)構(gòu)基座設(shè)計(見圖5)。

圖5 SSIV及臍帶纜控制系統(tǒng)Fig.5 SSIV and umbilical system

1.5 立管監(jiān)測系統(tǒng)

立管監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)控外輸立管的應(yīng)力、疲勞、VIV/VIM等數(shù)據(jù)。其控制系統(tǒng)在平臺中控室，通過設(shè)置在船體上的監(jiān)測電纜護(hù)管及電纜固定卡子，延伸至外輸立管管體外側(cè)，甚至水底。系統(tǒng)組成主要包括控制系統(tǒng)、電纜、監(jiān)控應(yīng)變片等。如圖6所示，其中水下電纜及水下接線箱屬于船體建造施工范圍。

圖6 立管監(jiān)測系統(tǒng)布置Fig.6 Layout of SCR monitoring system

1.6 防落物及防碰撞保護(hù)框架

防落物及防碰撞保護(hù)框架一般用于保護(hù)半潛式生產(chǎn)的船體立管或水下安全隔離閥等重要設(shè)備，不受海面及水下異物或墜物帶來的碰撞損壞。按種類分為防落物保護(hù)框架、防碰撞保護(hù)框架。

此類保護(hù)框架一般設(shè)計為4腿或6腿，為可拆卸設(shè)計形式。底部基座與船體焊接，基座與保護(hù)框架的支腿采用螺栓連接。支腿上會設(shè)計用于接收碰撞能量的緩沖筒。如圖7所示，從左至右依次為立管防碰撞保護(hù)框架、SSIV防落物保護(hù)罩、立管防落物保護(hù)罩。

2 建造安裝工藝流程

2.1 分段預(yù)制階段相關(guān)基座的施工

從第1節(jié)可以看出，在整個船體立管系統(tǒng)中，每一項(xiàng)內(nèi)容均需要設(shè)置基座與船體外板進(jìn)行焊接連接，至少包括：

(1) 立管基座。

(2) SSIV基座。

(3) SSIV控制臍帶纜護(hù)管支架。

圖7 防落物及防碰撞保護(hù)框架Fig.7 Riser guard/drop objects protection guard/SSIV protection frame

(4) SSIV控制臍帶纜相關(guān)附件基座。

(5) 立管接收器。

(6) 立管防撞保護(hù)架基座。

(7) 水下隔離閥防落物保護(hù)架基座。

(8) 立管外輸監(jiān)測系統(tǒng)電纜卡子基座。

上述基座，均應(yīng)屬于船體建造分段預(yù)制及預(yù)舾裝階段完成的施工項(xiàng)。在船體生產(chǎn)設(shè)計時應(yīng)通盤考慮，將相關(guān)系統(tǒng)的基座加入分段生產(chǎn)設(shè)計三維模型中，在分段級別完成建模及出圖，進(jìn)而保證此類大量基座在分段預(yù)制階段能夠完成焊接。否則，如果后續(xù)在船體分段總裝搭載階段再完成此類基座的焊接，一方面，施工條件將會變得更加艱難，由平面工位變成了現(xiàn)場高空工位；另一方面，也是更為重要的，此類基座所在位置，大部分位于船體浮筒頂部，而浮筒是船體壓載艙所在地。如此大量基座焊接，會造成大面積油漆損壞，將會對壓載艙油漆壽命、船體PSPC標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，乃至整個平臺的防腐壽命造成不可估量的損失。

2.2 船體立管預(yù)制

2.2.1 預(yù)制前準(zhǔn)備

立管預(yù)制需要準(zhǔn)備圖紙、程序、材料、場地設(shè)備并進(jìn)行技術(shù)交底。

2.2.2 下料、坡口準(zhǔn)備

(1) 立管下料應(yīng)在車間或在有防護(hù)的棚子內(nèi)進(jìn)行。

(2) 下料應(yīng)在專用平臺或?qū)Ｓ锰ゾ呱线M(jìn)行。

(3) 下料前，應(yīng)仔細(xì)檢查材料，不能使用的部分應(yīng)切除。

(4) 切割下料應(yīng)根據(jù)圖紙進(jìn)行，并標(biāo)記下料信息。

(5) 切割后端面應(yīng)清理干凈，防止油漆、雜物、熔渣、氧化物、油品等污染。

(6) 立管坡口應(yīng)在坡口加工設(shè)備上進(jìn)行加工，坡口加工后，應(yīng)進(jìn)行保護(hù)。

2.2.3 組對

立管組對在坡口加工完成后進(jìn)行，要求如下：

(1) 組對前，應(yīng)用手工或機(jī)械的方法清理管內(nèi)外表面，在坡口處應(yīng)清理掉油漆、熔渣、氧化皮、油污等其他雜質(zhì)。

(2) 組對應(yīng)在專用的胎具上進(jìn)行。

(3) 不應(yīng)強(qiáng)力組對立管，不應(yīng)用機(jī)械方法矯正。

(4) 組對完成不能及時焊接的管口，應(yīng)做好保護(hù)。

(5) 立管管口組對錯邊量推薦如下： 按照API1104要求，外壁錯邊量≤3 mm，內(nèi)壁錯口應(yīng)盡量減小，保證根部焊接及通徑質(zhì)量；直線度控制在長度的0.1%以內(nèi)。

2.2.4 焊接

焊接應(yīng)由具備合格資質(zhì)的焊工，按照批準(zhǔn)的焊接工藝進(jìn)行。

2.3 船體立管系統(tǒng)的安裝

船體立管系統(tǒng)的安裝，多數(shù)發(fā)生在船體總裝搭載階段，一般是在船體主結(jié)構(gòu)封頂完成之后。此階段的主要工作是立管及相關(guān)設(shè)備的安裝。包括第1節(jié)中提到的所有功能設(shè)備及系統(tǒng)。在考慮建造策略及工藝流程時，船體立管系統(tǒng)內(nèi)部有兩類安裝順序原則須特別關(guān)注：

(1) 空間先后原則。

此原則是指，船體立管系統(tǒng)的各單項(xiàng)需遵循由里到外，由下到上的大原則。例如，立管保護(hù)罩、SSIV防落物保護(hù)框架，均需在立管及水下隔離閥安裝完成之后才可以安裝就位。

(2) 工藝順序原則。

此原則是指船體立管系統(tǒng)的各單項(xiàng)需遵循所涉及的船體立管工藝流程及設(shè)備特性。例如，由于SSIV水下隔離閥的安全要求極高，其壓力及功能驗(yàn)證都在工廠內(nèi)早已試驗(yàn)完成。而船體立管的通徑、試壓則是在施工場地的條件下對立管建造過程的驗(yàn)證。這2種情況決定了半潛式生產(chǎn)平臺的SSIV安裝，建議在船體立管安裝結(jié)束并完成通徑、試壓、清潔等工作后，最后進(jìn)行SSIV精就位安裝，并最終與船體立管進(jìn)行焊接。

2.4 船體立管系統(tǒng)整體建造工藝流程

船體立管系統(tǒng)的整體建造工藝流程，需要將船體預(yù)制階段、船體總裝階段及舾裝完善階段等主建造流程與船體立管系統(tǒng)中的各單項(xiàng)的建造特點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。需重點(diǎn)考慮以下兩點(diǎn)：

(1) 要充分識別半潛平臺的立管系統(tǒng)中需要與船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接的基座、支架信息，確保船體分段一體化預(yù)制的完整性。

(2) 舾裝完善階段的流程，需要根據(jù)各單項(xiàng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分識別空間先后原則及工藝順序原則。

在陵水17-2項(xiàng)目中，圍繞船體主建造流程，船體立管系統(tǒng)各子版塊的邏輯關(guān)系及整體建造工藝流程如圖8所示。

圖8 船體立管系統(tǒng)整體建造工藝流程圖Fig.8 Flowchart of construction process of hull riser system

3 施工關(guān)鍵要素

依托在陵水17-2項(xiàng)目建造過程中遇到的問題，本節(jié)梳理在船體立管系統(tǒng)的預(yù)制及安裝過程的施工關(guān)鍵點(diǎn)。

(1) 在總裝條件允許的情況下，盡量建造船體立管管線的總裝焊口數(shù)量。

預(yù)制單管長度盡量達(dá)到2～3根原料管，即24～36 m。相比預(yù)制焊口，總裝焊口的施工難度包括工位不便、焊接沖氬難度大(管材涉及復(fù)合材料)、節(jié)點(diǎn)涂覆設(shè)備高空操作難度大等。

(2) 各類基座的螺栓開孔，需考慮跨分段就位偏差和螺栓孔形式。

上文提到，多數(shù)船體立管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)支撐由基座及鞍座組成。由于船體立管系統(tǒng)空間跨度極大，立管、臍帶纜護(hù)管等長直結(jié)構(gòu)跨越多個分段，為保證在總裝搭載階段此類結(jié)構(gòu)物的安裝能順利完成，基座螺栓孔建議設(shè)置為“長圓孔+圓孔”的形式(見圖9)，可以滿足立管系統(tǒng)存在微小偏差下的安裝。

(3) 各類系統(tǒng)安裝完成后的海運(yùn)固定。

半潛式生產(chǎn)平臺建造調(diào)試完成后，相較于常見的大型半潛駁干拖運(yùn)輸，有部分項(xiàng)目會選擇濕拖。而濕拖過程的吃水深度決定了半潛式生產(chǎn)平臺船體浮筒頂部的立管系統(tǒng)及附件，需要進(jìn)行特定的濕拖海運(yùn)固定。此類固定加強(qiáng)，多以綁扎、緊固、增加保護(hù)罩等形式體現(xiàn)(見圖10)。

圖9 立管基座與卡子的螺栓開孔Fig.9 Slot bolt holes for riser support and clamps

(a) SSIV保護(hù)罩海固鋼絲繩

(b) 飛線槽海固加強(qiáng)角鋼

(c) UTA海固保護(hù)罩

4 結(jié) 語

半潛式生產(chǎn)平臺作為一種極其重要的浮式生產(chǎn)裝備，依靠其在深水海洋石油領(lǐng)域多年的項(xiàng)目開發(fā)及生產(chǎn)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，在當(dāng)前及未來一段時間內(nèi)都將是深水油氣開發(fā)的重要選項(xiàng)。對此類平臺持續(xù)深入地開展建造技術(shù)研究，有助于提高我國浮式生產(chǎn)裝置的建造水準(zhǔn)。

通過對陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺船體立管系統(tǒng)進(jìn)行專業(yè)化研究梳理，將工程項(xiàng)目中多項(xiàng)環(huán)環(huán)相扣、互相關(guān)聯(lián)的施工關(guān)鍵項(xiàng)有機(jī)地串聯(lián)了起來。特別是對船體立管系統(tǒng)整體建造安裝工藝流程的梳理，將對半潛式生產(chǎn)平臺這種新興深水開發(fā)項(xiàng)目的建造實(shí)施起到積極的推動作用。