立管在位狀態(tài)下立管卡子創(chuàng)新設(shè)計

何星，于銀海，黃昆，盧娓娓(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

海底管道是海上油氣田開采的油氣等介質(zhì)輸送的重要途徑，立管在海底管道輸送系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，立管的下部連接水平管道，上部與開采生產(chǎn)或處理設(shè)施連接，對于位于導管架平臺上的立管通常是通過立管卡子[1-4]與導管架結(jié)構(gòu)固定在一起，在保持立管在位和介質(zhì)輸送狀態(tài)下的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。目前立管卡子已有較為成熟的結(jié)構(gòu)形式，通常情況下根據(jù)立管規(guī)格對卡子尺寸進行調(diào)整即滿足設(shè)計使用需求。隨著油田生產(chǎn)年限的不斷增加，很多管道已經(jīng)達到運營期限，或者在運營期間因腐蝕和其他原因需要更換，以及為保障油田產(chǎn)量需要在運營平臺新鋪海底管道，因此后安裝立管和立管卡子海上安裝逐漸增多，根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)形式的不同和確保立管在導管架上合理布置，可能會導致通常的立管卡子設(shè)計形式無法滿足海上立管和卡子正常安裝需要。本文以渤海某油田海底管道更換項目為例，介紹了一種新型的立管卡子設(shè)計結(jié)構(gòu)，使立管安裝后再進行部分立管卡子的安裝成為了可能。

1 概述

渤海某油田擬在兩個在役平臺之間新鋪設(shè)一條混輸海底管道，并在兩側(cè)平臺導管架外側(cè)新增加立管及立管卡子，其中新鋪設(shè)海底管道一段的平臺周邊海床地形較為復(fù)雜，且該平臺導管架部分主結(jié)構(gòu)上存在長度較長的貫穿性裂紋，導致該平臺側(cè)新增加立管需要設(shè)計在導管架橫拉筋外側(cè)，由于油田所在水深接近30 m，新增立管需要通過4 個卡子固定，結(jié)合導管架結(jié)構(gòu)形式以及立管在運行狀態(tài)下的穩(wěn)定性要求，其中中間2 個平臺側(cè)卡子需要固定在導管架斜拉筋上，另外兩個固定在導管架主樁腿結(jié)構(gòu)上。立管及立管卡子布置如圖1 所示。

圖1 某平臺新增立管及卡子布置示意圖

該項目新鋪設(shè)海管為雙層保溫管，立管外徑711.2 mm，飛濺區(qū)氯丁橡膠防腐涂層13 mm，其他區(qū)域防腐涂層厚度4.2 mm。

由于平臺側(cè)立管卡子位于導管架不同的結(jié)構(gòu)上，導致環(huán)抱立管的卡子在環(huán)向成61°夾角，如圖2 所示，即中間的2#、3#卡子與水上1#卡子和最下方4#卡子在同軸心方向投影的開口朝向成61°夾角，從而導致了開口寬度僅643 mm，而考慮立管防腐層后的立管最小外徑為719.6 mm，無法按照通常先完成全部立管卡子安裝后再安裝立管的方法，進行立管安裝，因此擬對2#、3#立管卡子連接形式進行創(chuàng)新設(shè)計，確保在先安裝1#和4#立管卡子，然后立管安裝后，再安裝2#和3#立管卡子具備較好的可操作性。

圖2 立管卡子軸向投影示意圖

2 立管卡子創(chuàng)新設(shè)計方案

2.1 立管卡子結(jié)構(gòu)類型研究

立管卡子通常有陸地預(yù)安裝、預(yù)留對接法蘭和海上安裝幾種形式，如圖3 所示。陸地預(yù)安裝即立管卡子在導管架建造階段焊接在導管結(jié)構(gòu)上，隨著導管架一同完成海上安裝。預(yù)留對接法蘭的立管卡子，即將一片法蘭和連接軸在導管架建造階段焊接在導管架上，等后續(xù)海上立管安裝前，將立管側(cè)卡子與預(yù)留法蘭對接完成立管卡子安裝。海上后安裝即立管卡子整體結(jié)構(gòu)進行海上后安裝，將卡子的一側(cè)抱卡環(huán)抱固定在導管架相應(yīng)結(jié)構(gòu)上。

圖3 立管卡子常見結(jié)構(gòu)形式

2.2 立管卡子結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

本項目施工涉及導管架上未預(yù)留立管卡子安裝法蘭，因1#和4#卡子在立管安裝前進行安裝，因此水上1#立管卡子采用直接焊接在導管架樁腿上，4#立管卡子采用常規(guī)海上安裝形式。位于水下的2#、3#卡子如也采用與4#同類型的立管卡子，在立管已經(jīng)安裝的情況下，無法進行安裝，因此只能設(shè)計成分體結(jié)構(gòu)形式。

設(shè)計方案一：采用與常規(guī)海上安裝立管卡子類似結(jié)構(gòu)，在兩側(cè)卡子之間的連接軸處增加法蘭，如圖4 所示。立管側(cè)卡子和導管架側(cè)卡子可以分開安裝，然后在在中間處進行法蘭連接。該種設(shè)計方案對卡子的制作精度要求較高，容易造成中間對接法蘭螺孔錯位，或者法蘭間隙較大，影響安裝效率和效果。

圖4 常規(guī)卡子增加連接法蘭設(shè)計方案

設(shè)計方案二：為了便于水下安裝，降低水下安裝難度和工作量，卡子結(jié)構(gòu)采用分體設(shè)計(圖5)，在兩側(cè)卡子連接軸處額外增加一對中間抱卡焊接在導管架側(cè)抱卡結(jié)構(gòu)上，立管側(cè)卡子的連接軸進入中間抱卡后可軸向伸縮和旋轉(zhuǎn)，允許加工制作上有一定的誤差，能大大降低水下作業(yè)難度。

圖5 分體結(jié)構(gòu)卡子設(shè)計方案

根據(jù)以上兩種設(shè)計方案特點，為了減少水下作業(yè)難度，降低施工工期和成本，2#、3#卡子選用了設(shè)計方案二的形式。

3 海上安裝

按照設(shè)計方案二完成立管卡子制作后，進行海上安裝。為確保立管側(cè)卡子一次安裝到位，避免來回調(diào)整導致立管表面防腐涂層受損，采取先安裝導管架側(cè)抱卡，然后再進行立管側(cè)抱卡的安裝。具體流程包括：(1)導管架斜拉筋處抱卡安裝位置海生物清理，清理范圍比抱卡長度擴大0.5～1 m，滿足安裝過程中調(diào)整需求；(2)對導管架側(cè)抱卡配吊扣，通過卷揚機和倒鏈，將抱卡下放至安裝位置附近，潛水員通過導向把導管架側(cè)抱卡扣在安裝位置，安裝螺栓進行初步固定；(3)對立管側(cè)卡子配吊扣，通過卷揚機和倒鏈將卡子下放至安裝位置附近，潛水調(diào)整卡子開口方向環(huán)抱在立管上，并使立管側(cè)卡子連接軸進入中間抱卡，作業(yè)過程中可對導管架側(cè)抱卡進行適當調(diào)整；(4)導管架側(cè)抱卡、中間抱卡和立管側(cè)卡子的螺栓依次擰緊。

按照以上方式實現(xiàn)了立管在位狀態(tài)下立管卡子的分塊安裝，并將2#、3#立管卡子安裝推遲到管道投產(chǎn)后進行，節(jié)省了前期工作時間，保證管道的提前投產(chǎn)。

4 結(jié)語

立管卡子作為海上油氣田海底管道系統(tǒng)立管固定的普通結(jié)構(gòu)形式，已具有較為成熟的設(shè)計形式，但海上油田開發(fā)建設(shè)過程中根據(jù)導管架結(jié)構(gòu)形式和立管布置以及海上安裝的需要，也可能需要進行結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化設(shè)計，本文創(chuàng)新設(shè)計的立管卡子較常規(guī)立管卡子不同點在于：采用分體設(shè)計，增加一對中間抱卡，實現(xiàn)立管在位下進行立管卡子安裝，并允許一側(cè)卡子調(diào)整軸線方向從而便于安裝。該創(chuàng)新設(shè)計可為以后類似立管及卡子安裝工程提供借鑒。