深水半潛式平臺(tái)立管提升系統(tǒng)建造安裝技術(shù)

李長(zhǎng)亮， 李振鵬， 劉 超， 陳 果， 張偉男

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266555)

0 引 言

“深海一號(hào)”能源站是我國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)建造的全球首座十萬(wàn)噸級(jí)深水半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)，位于海南島東南部陵水海域，作業(yè)水深約為1 400 m，由上部組塊和下部船體兩部分組成，共有6條海管與陸地終端相連，需要通過(guò)能源站自身攜帶的立管提升系統(tǒng)完成最后的連接工作。立管提升系統(tǒng)需要在海管安裝前完成提拉模塊、滑輪、走道、照明、安全、液壓等子系統(tǒng)的建造、安裝及調(diào)試工作，并在海管連接調(diào)試完成之后拆除[1-3]。

國(guó)內(nèi)針對(duì)立管提升系統(tǒng)已經(jīng)開展了很多前期工作，對(duì)其性能、安裝過(guò)程等都進(jìn)行了有針對(duì)性的研究分析[4-8]，由于立管提升系統(tǒng)不參與平臺(tái)的生產(chǎn)，其設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立，要做到單獨(dú)使用，方便拆除，無(wú)法與平臺(tái)其他系統(tǒng)優(yōu)化排布；同時(shí)，為完成海上立管提升工作，其主要構(gòu)件設(shè)計(jì)分布于船體中間區(qū)域上部組塊，建造施工多為舷外及懸空作業(yè)，不同于普通的平臺(tái)系統(tǒng)[3-4]。本文針對(duì)上述特點(diǎn)，對(duì)立管提升系統(tǒng)各子系統(tǒng)的建造提出了解決方案，為保障海上立管提升工作順利開展提供了技術(shù)支撐。

1 立管提升系統(tǒng)組成

“深海一號(hào)”能源站通過(guò)水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行油氣開采，經(jīng)西側(cè)2根、南側(cè)3根海管輸送至能源站平臺(tái)，平臺(tái)進(jìn)行油氣處理后通過(guò)北側(cè)18″海管外輸至崖城及香港陸地終端，海管在平臺(tái)上的分布如圖1所示，立管提升系統(tǒng)在平臺(tái)上的分布如圖2所示。

圖1 “深海一號(hào)”能源站海管分布圖Fig.1 Distribution of submarine pipes of the energy station of “Deep Sea No.1”

圖2 “深海一號(hào)”能源站立管提升系統(tǒng)構(gòu)件平臺(tái)分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of component platform distribution of the riser lifting system of the energy station of “Deep Sea No.1”

平臺(tái)的立管提升需要從平臺(tái)上下放提升錨鏈和輔助牽引纜，通過(guò)輔助工作船將提升錨鏈和輔助牽引纜轉(zhuǎn)移至立管鋪設(shè)船上，在鋪設(shè)船上完成提升錨鏈與立管拖拉頭連接后，采用鋪設(shè)船上的收放絞車緩慢下放立管至設(shè)定水深，同時(shí)在平臺(tái)上回收提升錨鏈，直至超過(guò)立管懸掛裝置，潛水員下水連接輔助牽引纜和立管拖拉頭，采用輔助牽引纜將船體內(nèi)側(cè)牽引立管拖拉頭至立管懸掛裝置上方，緩慢下放提升錨鏈，將立管頭下放至立管懸掛裝置內(nèi)，然后拆除提升錨鏈、輔助牽引纜以及立管拖拉頭，完成立管提升就位。

為完成立管提升工作，“深海一號(hào)”能源站立管提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)了平臺(tái)南側(cè)及北側(cè)2個(gè)提升模塊、組塊下部及船體上部滑輪系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和生命保障系統(tǒng)，主要構(gòu)件分布在上部組塊與下部船體之間，系統(tǒng)概況如圖3所示。

圖3 “深海一號(hào)”能源站立管提升系統(tǒng)三維分布圖Fig.3 3D diagram of the riser lifting system of the energy station of “Deep Sea No.1”

1.1 上部組塊南北兩側(cè)提升模塊

能源站上部組塊南北2側(cè)各有一個(gè)提升模塊。南側(cè)模塊重578 t，配備1臺(tái)450 t主絞車，2臺(tái)100 t輔助絞車，用于南側(cè)3根立管的提升，輔助西側(cè)立管的提升，并為北側(cè)立管提升提供橫向就位牽引；北側(cè)模塊重357 t，配備1臺(tái)798 t鏈?zhǔn)浇g車，用于南側(cè)1根立管的提升。

1.2 上部組塊底層甲板下滑輪及通道

能源站上部組塊底層甲板下部有1個(gè)主滑輪、2個(gè)輔助滑輪作為提升模塊鋼絲繩導(dǎo)向，鋼絲繩通過(guò)位于上部組塊頂層主甲板的導(dǎo)纜絞車，穿過(guò)主甲板和生產(chǎn)甲板與船體旁通上滑輪相連；沿鋼絲繩路徑分布8個(gè)操作平臺(tái)，總重約150 t，方便立管提升過(guò)程中操作人員使用。

1.3 船體旁通上吊耳及滑輪

船體旁通上共有11組吊耳及滑輪，用于提升模塊鋼絲繩導(dǎo)向。

1.4 液壓系統(tǒng)

南側(cè)提升模塊有3″、2″、1/2″共3根液壓管線與船體液壓動(dòng)力單元(HPU)連接(圖4)，北側(cè)提升模塊有3″、2″共2根液壓管線與船體HPU連接(圖5)，南側(cè)提升模塊與北側(cè)提升模塊間有3根1/2″液壓管線連接，南側(cè)提升模塊與西側(cè)絞車有3根1/2″液壓管線連接。以上共11根液壓管線總長(zhǎng)約1 200 m。

圖4 南側(cè)提升模塊Fig.4 South lifting module

圖5 北側(cè)提升模塊Fig.5 North lifting module

1.5 照明及安全系統(tǒng)

在南、北側(cè)提升模塊及生產(chǎn)甲板底部通道上分布284盞照明燈具；提升模塊及通道立柱上有300余個(gè)安全帶掛扣用吊耳及生命線安裝用吊耳。

2 立管提升系統(tǒng)安裝方案

“深海一號(hào)”上部組塊在海洋石油工程青島場(chǎng)地滑道上建造，總裝完成后拖拉裝船，在煙臺(tái)來(lái)福士場(chǎng)地與下部船體進(jìn)行大合攏作業(yè)及后續(xù)完善工作，考慮到上部組塊與船體大合攏之后無(wú)法借助大型設(shè)備輔助大滑輪的安裝，在青島場(chǎng)地總裝階段必須通過(guò)工裝把大滑輪固定在上部組塊底部，待大合攏完成后滑移就位。

上部組塊與船體采用吊裝方式大合攏，通過(guò)煙臺(tái)來(lái)福士場(chǎng)地泰山吊提升上部組塊，船體在船塢中精確坐底，泰山吊下放上部組塊，與船體完成合攏[3]。南、北側(cè)提升模塊及4個(gè)生產(chǎn)甲板下部通道大合攏干涉區(qū)域內(nèi)，南、北側(cè)提升模塊、大滑輪和受干涉影響的4個(gè)通道必須在上部組塊與船體大合攏之后完成安裝，涉及反底懸空作業(yè)，必須提前做好施工規(guī)劃和準(zhǔn)備，以確保大合攏之后立管提升工作順利完成。

大滑輪滑移工裝及組塊底部通道的建造安裝是整個(gè)立管提升系統(tǒng)安裝的重大難點(diǎn)，結(jié)合立管提升系統(tǒng)各子系統(tǒng)工作量情況，采取最大化地面預(yù)制、最大化低空安裝、最小化反底懸空施工的原則，盡量提高生產(chǎn)效率、降低安全風(fēng)險(xiǎn)，各子系統(tǒng)具體方案如下文所述。

2.1 上部組塊南北兩側(cè)提升模塊的安裝

南、北側(cè)提升模塊在外場(chǎng)完成預(yù)制后采用船體浮吊方式與上部組塊總裝，提升模塊上部通過(guò)銷軸與上部組塊連接，下部通過(guò)螺栓固定。為保證提升模塊安裝過(guò)程中能夠順利與上部組塊完成對(duì)接，需要注意上部組塊上銷軸和螺栓孔的定位精度，可以在提升模塊建造完成后測(cè)量銷軸孔的定位尺寸，銷軸的安裝和螺栓孔按照提升模塊銷軸孔尺寸來(lái)定位；提升模塊和上部組塊上的螺栓孔板可以一起進(jìn)行機(jī)加工開孔，保證螺栓能順利穿過(guò)，然后分別把螺栓孔板焊接到提升模塊和上部組塊上。做完上述工作后就可以吊裝提升模塊。

2.1.1 提升模塊吊裝場(chǎng)地要求及注意事項(xiàng)

(1) 碼頭需要有足夠的水深，滿足平臺(tái)、運(yùn)輸駁船、浮吊的吃水要求。

(2) 碼頭需要有數(shù)量足夠的帶纜樁，滿足平臺(tái)、運(yùn)輸駁船、浮吊的帶纜要求。

(3) 碼頭位置要求有足夠的場(chǎng)地，以便于進(jìn)行吊裝前索具的更換。

(4) 碼頭附近要有足夠的海域空間，便于浮吊的拋錨作業(yè)。

(5) 吊裝作業(yè)前，可能與鋼絲繩、吊機(jī)扒桿相碰撞的腳手架、舾裝等不能安裝，與鋼絲繩接觸的位置要提前進(jìn)行保護(hù)。

(6) 吊機(jī)吊離支撐物0.3 m左右后應(yīng)停留約1 min，對(duì)吊索、卡環(huán)及吊機(jī)等的狀態(tài)進(jìn)行觀察，確認(rèn)無(wú)異常后方可繼續(xù)吊裝作業(yè)。

(7) 吊裝現(xiàn)場(chǎng)的天氣狀況符合作業(yè)要求(風(fēng)力小于6級(jí)、浪高小于0.5 m，能見度大于200 m、無(wú)間歇性大風(fēng))。

2.1.2 吊裝步驟

(1) 浮吊在索具更換區(qū)進(jìn)行吊裝前準(zhǔn)備，帶纜、更換索具、檢查浮吊工況等作業(yè)，提升模塊由運(yùn)輸駁船運(yùn)輸?shù)綀?chǎng)，駁船停靠在碼頭。

(2) 起吊前吊裝指揮應(yīng)檢查索具，并確保沒(méi)有其他松動(dòng)的構(gòu)件，安全部門設(shè)置吊裝警戒線，并阻止所有無(wú)關(guān)人員進(jìn)入吊裝區(qū)域。

(3) 吊機(jī)慢慢起吊，當(dāng)?shù)蹼x支撐物0.3 m左右時(shí),應(yīng)停留約1 min，對(duì)被吊物、吊索及吊機(jī)等的狀態(tài)進(jìn)行觀察，確認(rèn)無(wú)異常后方可繼續(xù)吊裝作業(yè)。

(4) 移動(dòng)浮吊將提升模塊吊裝到平臺(tái)指定的安裝位置，然后使用手拉葫蘆、倒鏈或者牽引繩等輔助完成最終的精確就位。

(5) 在松開鋼絲繩前，應(yīng)檢查并確認(rèn)提升模塊的安裝位置是否正確，在確認(rèn)提升模塊安裝定位到平臺(tái)后，松開索具，并移走吊車。

2.2 生產(chǎn)甲板下部滑輪及通道的安裝

考慮到大滑輪無(wú)法在上部組塊總裝場(chǎng)地完成就位，而大合攏后又無(wú)法在模塊底部進(jìn)行吊裝作業(yè)，這就需要將大滑輪提前固定在模塊底部，在不影響上部組塊與船體大合攏的情況下盡量降低工作風(fēng)險(xiǎn)?？傮w思路是在上部組塊總裝場(chǎng)地預(yù)制大滑輪底座，與大滑輪焊接在一起，預(yù)制大滑輪滑移工裝及大滑輪臨時(shí)固定平臺(tái)，將大滑輪和底座整體吊裝至大滑輪滑移工裝上，滑移工裝吊裝至大滑輪臨時(shí)固定平臺(tái)，以上總重量約為38 t，三維視圖如圖6所示；滑輪臨時(shí)固定平臺(tái)通過(guò)立柱與上部組塊大梁焊接懸掛在模塊下方，上部組塊與船體大合攏后完善大滑輪滑移工裝下方滑移路徑，大滑輪滑移工裝通過(guò)滾輪小車滑移至大滑輪就位位置下方，通過(guò)倒鏈將大滑輪工裝整體提升至就位位置，焊接固定大滑輪，具體步驟如下：

圖6 大滑輪滑移工裝及臨時(shí)固定平臺(tái)三維視圖Fig.6 3D view of large pulley sliding tooling and temporary fixed platform

(1) 在預(yù)制好的大滑輪底座上焊接翻身吊點(diǎn)，將底座焊接在大滑輪上。

(2) 預(yù)制大滑輪滑移工裝，將大滑輪及底座翻身吊裝至大滑輪滑移工裝上，并通過(guò)筋板焊接固定。

(3) 運(yùn)輸滑移工裝至上部組塊臨時(shí)就位位置下方，通過(guò)手拉葫蘆將滑移工作提升至就位位置，提升過(guò)程須保證滑移平臺(tái)水平，防止滑移平臺(tái)傾斜。

(4) 將滑移平臺(tái)焊接在上部組塊大梁上，拆除用于提升滑移平臺(tái)的手拉葫蘆，把大合攏后需要完善滑移平臺(tái)的桿件備料至滑移平臺(tái)上。

(5) 在上部組塊與船體大合攏完成后，完善大滑輪附近立管提升系統(tǒng)操作通道，搭設(shè)腳手架，完善大滑輪滑移平臺(tái)通路。

(6) 焊接大滑輪滑移工裝滑移和提升需要的手拉葫蘆掛點(diǎn)，移除大滑輪滑移工裝行進(jìn)路線前端的限位固定筋板并打磨平整。

(7) 布置手拉葫蘆，將大滑輪滑移工裝滑移并提升至就位位置。

(8) 焊接固定大滑輪并測(cè)量就位精度，切除大滑輪滑移工裝與大滑輪之間的連接筋板，將滑移工裝下放至滑移平臺(tái)。

(9) 分段拆除大滑輪滑移工裝及滑移平臺(tái)，通過(guò)上部組塊甲板開孔位置逐步倒出，此工作量較大，由人力完成耗時(shí)漫長(zhǎng)，可以考慮以安裝倒運(yùn)絞車的方式完成。

上部組塊底部通道的建造安裝分兩部分進(jìn)行：

(1) 對(duì)于不影響上部組塊與船體大合攏的通道平臺(tái)，提前預(yù)制完成，通過(guò)手拉葫蘆提升就位，借助上部組塊場(chǎng)地建造階段的腳手架完成立柱焊接及油漆修補(bǔ)。

(2) 對(duì)于影響上部組塊與船體大合攏的通道平臺(tái)，提前預(yù)制完成，將平臺(tái)提升至就位點(diǎn)附近，避開大合攏干涉區(qū)。通過(guò)臨時(shí)結(jié)構(gòu)固定與組塊底部，待大合攏完成后，搭設(shè)腳手架，將通道平臺(tái)下放至就位點(diǎn)，完成立柱的焊接及油漆修補(bǔ)。需要特別注意的是，腳手架搭設(shè)要緊密配合通道平臺(tái)的就位焊接工作，由于是反底懸空作業(yè)，施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高，不可交叉作業(yè)。通道平臺(tái)下放、焊接、補(bǔ)漆作業(yè)必須在腳手架搭設(shè)完成后展開，每個(gè)通道平臺(tái)安裝要依次完成下放用腳手架搭設(shè)、下放、下放用腳手架拆除、調(diào)整、下放就位、下放焊接用腳手架拆除、焊接用腳手架搭設(shè)、焊接、補(bǔ)漆、焊接用腳手架拆除整個(gè)施工周期，周期一般為1個(gè)月左右。

2.3 船體旁通上吊耳及滑輪的安裝

船體旁通上的吊耳及滑輪不受上部組塊和船體大合攏的影響，且大合攏之后船體旁通會(huì)在海平面以下，常規(guī)方法無(wú)法施工，所以必須在船體總裝階段完成安裝。吊耳最好在船體分段建造階段就完成安裝，這樣可以避免總裝后再安裝可能出現(xiàn)的船體內(nèi)部補(bǔ)漆問(wèn)題，滑輪安裝不需要焊接，但是要注意固定，避免在船體濕拖過(guò)程造成移位或損壞。

2.4 液壓系統(tǒng)管線的安裝

立管提升系統(tǒng)絞車的動(dòng)力來(lái)源與液壓系統(tǒng)，所有液壓軟管的安裝需要等上部組塊與船體大合攏完成后進(jìn)行，液壓軟管一般分段到貨，需要先進(jìn)行串油清潔，達(dá)到NAS8的清潔度要求，清潔完成后需要注意管端封堵保護(hù)，防止管線安裝過(guò)程中油品落入海中造成污染。安裝完成后通過(guò)船體HPU進(jìn)行試壓及調(diào)試，沒(méi)有問(wèn)題之后進(jìn)行臨時(shí)固定，需要對(duì)在甲板面上的管線進(jìn)行防護(hù)，保證在海上立管提升作業(yè)之前不被損壞。

2.4 照明及安全系統(tǒng)的安裝

可以在上部組塊總裝時(shí)安裝部分照明燈具的支架，等上部組塊底部的通道完善之后進(jìn)行燈具安裝和電纜敷設(shè)。

安全用吊點(diǎn)最好隨上部組塊底部通道桿件一起預(yù)制涂裝，這樣可以大大減少大合攏后甲板反底工作量。

2.5 其他輔助系統(tǒng)的安裝

(1) 絞車用鋼絲繩穿線需要提前考慮。由于這個(gè)工作只能在大合攏完成之后進(jìn)行，生產(chǎn)甲板底部距離海面有近50 m的高度，合攏后施工難度大，最好在上部組塊總裝階段完成，可以在滑輪和上部組塊底部通道位置預(yù)敷設(shè)繩索，待大合攏完成后通過(guò)預(yù)敷設(shè)的繩索將鋼絲繩串引到所需位置。

(2) 立管提升系統(tǒng)調(diào)試期間需要的臨時(shí)絞車及吊點(diǎn)的安裝，需要與調(diào)試部門做好溝通協(xié)調(diào)，按照立管提升系統(tǒng)調(diào)試要求逐步完善。

(3) 在立管提升系統(tǒng)安裝、調(diào)試、作業(yè)期間臨時(shí)在組塊上開的甲板孔、臨時(shí)吊點(diǎn)、絞車等結(jié)構(gòu)，需要在立管提升完成后恢復(fù)。

(4) 南、北側(cè)提升模塊在立管提升完成后拆除用的吊裝框架、撐桿及榭架，這部分工作不在主線上，預(yù)制涂裝完畢后交付給生產(chǎn)方即可。

3 結(jié) 語(yǔ)

立管提升系統(tǒng)對(duì)于船體和組塊建造來(lái)說(shuō)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，但是由于在大合攏之后工作難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、工期緊迫，會(huì)成為整個(gè)項(xiàng)目后期的主線工程，因此務(wù)必需要提前規(guī)劃，在項(xiàng)目初期就成立專門組織機(jī)構(gòu)，做好預(yù)制、總裝、調(diào)試、安裝、業(yè)主及廠家等相關(guān)部門單位的溝通協(xié)調(diào)，準(zhǔn)備好相關(guān)資源，遇到問(wèn)題時(shí)群策群力，確保算無(wú)遺策、萬(wàn)無(wú)一失。立管提升系統(tǒng)作為該類型平臺(tái)上的重要功能系統(tǒng)，通過(guò)國(guó)內(nèi)首次建造實(shí)踐，證明了在大量舷外、反底懸空作業(yè)的情況下，整套建造安裝技術(shù)是可行的，安全風(fēng)險(xiǎn)是可控的。其成功實(shí)施對(duì)后續(xù)類似構(gòu)件的安裝有重要的參考意義，也為后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化、安裝方案水平提升等方面指出了一個(gè)方向。