崖城13-4气田开发项目立管、脐带缆护管安装及海管交叉段预处理工程技术

2012-07-09交通运输部上海打捞局金桐君

航海 2012年2期

文/交通运输部上海打捞局金桐君

由中海石油有限公司湛江分公司和上海打捞局签订的崖城 13-4气田开发项目立管、脐带缆护管安装及海管交叉段预处理工程从2011年7月11日动员开始到2011年12月2日复原结束，前后历经 3662个小时，取得了圆满的成功。崖城 13-4项目是上海打捞局承接的又一项具有很高难度的综合性总包合同，对打捞局提升自身工程，管理水平，积累更多的海工从业经历，提升打捞局的海洋工程资历，树立打捞局在中国海工界的口碑具有十分重要的意义。整个工程的成功实施是整个打捞局工程船队甚至是打捞局总局协调合作、克服各种艰难困苦的结果，对整个崖城13-4工程进行回顾、梳理、总结，吸取有益的经验，具有非常重要的现实意义。

1.工程介绍

本工程需要开发的崖城 13-4气田位于正在生产的崖城13-1 气田东北方、海南省三亚市西南方的南海北部海域。气田由主体区和南高点组成。主体区距三亚市约 72km。主体区和南高点距崖城 13-1 气田分别约为 19.6km 和13.0km。

气田位置在东经 109° 04’～ 109° 11’，北纬17°37’～17°38’。崖城13-4 气田所处海域属热带气候，最高气温36°C，最低气温14°C。气田范围内气候和海况均受热带风暴、台风和季风的影响。气田所处海域水深为81.3m～89.6m。

崖城 13-4气田是边际油气田，开发思路是依托崖城13-1气田现有的海上生产设施进行开发，利用远程控制的地下采油系统对13-4气田主体区和南高点的气田进行开发。13-4开采出来的油气经过跨接管和海管传输到 13-1气田已有平台上面进行初步的加工处理，然后再传输到南山终端进行最后的处理。

按照崖城13-4气田开发项目的总体布局，崖城13-4气田开发项目1期需要完成的主要工作内容为：

1) 海管交叉段保护架的安放；

2) 崖城 13-1井口平台 ROW1侧，ROW2侧两个靠船护栏的拆除，替代安装保护钢丝绳；

3) 崖城 13-1井口平台一根立管和一根脐带缆护管的安装；

2.安装方案比对确定

一个工程的特点，难点影响施工方案的选择以及在投标阶段业主对投标方案的评分。崖城 13-4气田开发项目具有如下特点：

a) 工期紧迫，既是政治责任也是经济开发的要求；

b) 频繁的吊装作业及泥浆排放作业对潜水造成很大的风险，方案制定要减少潜水作业量；

c) 正常生产、占完井和修井期间热工作业风险很高，考虑减少热工作业；

d) 井口平台裕量不多，考虑尽量减少对导管架的受力及对平台设备的依赖；

e) 方案制定尽量减少损坏海管的风险；

立管、脐带缆护管的安装方式有多种选择：大的分类有两类：

管卡，管子分开安装；管卡一体整体安装。以前类似工程都是采用第一种方法。采用第一种方法存在的最大难度在于管卡同心度不容易保证，也就是说没法保证管卡从上到下在一条直线上。不仅在水下不容易进行测量，而且水下调整难度也很大。管卡安装又有不同的方法。包括一次安装一个的逐个安装法和一次同时安装几个的样管安装法。平湖油气田新增立管的安装采用了一次安装3个管卡的样管安装法。

上海打捞局在这次立管脐带缆护管的安装工程当中采用了一种非常新颖的安装方式，管卡一体，整体安装的安装方法。这种方法在一开始选取的时候也考虑到了其优缺点、优势及风险，最终工程的成功说明这种新颖的安装方式完全是可行的。

具体来说这种安装方法如下所示：

所需要安装的一根立管和一根脐带缆护管水下长度为100m。将两根管子都分成比较均匀的两根，在陆地预制阶段都对接焊成一个整体。两根之间需要潜水员在水下使用法兰对接连接。使用管卡将立管和护管连接起来。注意管卡和两根管子组装的时候要参照导管架的制造图纸得出的管卡的相对位置和每个管卡大卡子部分的角度，保证精确度。由于管子被分成了两段，通过管卡和管子连成整体之后整个需要安装的结构分成了下段立管、脐带缆护管、管卡组合体（简称下段组合体）和上段立管、脐带缆护管、管卡组合体（简称上段组合体）。将上下段组合体分别吊上大力号，开赴现场进行海上施工。

采用这种整体安装的方法具有一定的风险：

a) 在陆地组装阶段将管卡和管子连成整体，如果在水下发生管卡相对位置及管卡大卡子角度不精确，下段组合体和上段组合体在水下不能和导管架桁架服帖的贴合的现象，这个时候会进退两难，水下进行管卡调整看上去不太可能，重新吊上来风险也很大。这个风险是整个工程不能承受的，一旦发生，整个工程就将失败。但是，工程师综合考虑导管架的制造误差、允许的定位误差，以及自身的定位能力，我们认为我们完全能够避免上面提高的最大风险。

b) 同时，采用这种安装方式也带来了吊装难度的增加。最大的难度在于上段组合体的起吊，扶正。上段组合体两根管子的长度达到50m，当中需要连接5个管卡，每个管卡重量达到 2吨以上，并且管子本身壁厚不是很大。立管的尺寸为：φ219×14.3，护管的尺寸为 φ323×15.9。属于非常薄的管子。整个工程需要对上段组合体进行平直起吊，水中扶正，难度非常大。

c) 第三个难度在于管子焊接的要求比较高。不仅要求在焊接前进行焊评，焊接工艺非常规范，焊接后要进行射线探伤。

但是同时采用这种整体安装的方法具有无可比拟的优势。采用整体安装的方式最大限度的将陆地上能完成的工作不带到海上去做。省略了在导管架上面逐个安装管卡的步骤，取而代之在陆地上就按照导管架的对应位置将管卡连接到立管和脐带缆护管上面。从而避免了水中管卡定位的最大难度，同时节省了大量水中安装管卡潜水时间。

3.工程回顾和难点

崖城一期工程按照实际施工内容先后完成了海管交叉段保护架安装；ROW1侧靠船护栏的拆除；ROW2侧靠船护栏的拆除；立管脐带缆护管下段组合体的安装；立管脐带缆护管上段组合体的安装；立管、脐带缆护管的法兰对接；立管的整体下放到位；脐带缆护管的整体下放到位；脐带缆护管短管的安装。

a) 海管交叉段保护架安装

崖城 13-4气田开发项目中新增铺设的海管有一处需要跟旧有海管交叉。为了保护交叉点处的新旧海管，防止海管之间的直接接触，需要新海管铺设之前先在交叉点处放置一个保护架。该保护架为总长 58米，宽度 8米的桁架结构，宽度方向当中腾空区域只不过4米跨度，需要将整个长58米的桁架结构吊装入水使旧海管整个落在 4米的空档之内。这一部分工作的难度在于如何平稳准确的将保护架安放到位，不碰触海底海管。从实际施工来看，这一部分工作完成得非常好。我们选择了一个风浪较小，海底水流较慢的时间窗口，避免桁架的升沉，规避海底水流对桁架的冲击，通过 4点起吊保护架入水同时连接两根牵引钢丝绳调整桁架的方向，在ROV和潜水员的监测下，顺利地将保护架安放到位。

b) 靠船护栏拆除

由于立管脐带缆护管的安装受到导管架上面已有靠船护栏的影响，需要在立管，脐带缆护管安装之前将崖城 13-1井口平台ROW1侧的靠船护栏拆除。为了平衡井口平台的受力，ROW2侧的靠船护栏也一并要拆除。实际施工方法如下：在拆除ROW1侧靠船护栏的时候。我们先安装好整个工程最重要的起吊设备，在井口平台中层甲板安装一台 5T气动卷扬机，其中动力气源需要通过大力号供应。在中层甲板的背面连接好 20吨的三门滑车，并且穿好吊索钢丝绳。这套三门滑车的起吊设备是整个立管，护管安装工程的最主要的起吊设备，它担负着将需要安装的设施转移进入井口平台内部以及将靠船护栏转移出井口平台内部的作用，这是一个过桥的装置，并且具有足够的起重能力。回到这一部分工作，我们在靠船护管拆除之前先在靠船护栏合适的位置朝不同方向连接好总共 5套索具，并且预紧索具。然后采用气割的方法将靠船护管和导管架的 4处连接进行割除。从割除脱开时候靠船护栏的状况来看，靠船护栏比较平稳没有发生大的晃动，崩裂现象，说明索具配备数量足够。然后通过配合松紧某些索具将靠船护栏转移出导管架内部，最终通过大力号上面的履带吊放置到大力号甲板上。

c) 陆地上立管，脐带缆护管上下段组合体组装

立管，脐带缆护管和管卡的陆地组装步骤是由本施工方案决定的，必须要在合适的码头边上进行管子的组焊，探伤，试压，管卡组装，管卡场地就位，管子起吊和管卡组装，最终吊装上大力号。

本工程对管子的焊接要求非常高，在焊接之前要进行非常严苛的焊接评定，只有通过了所有的焊评试验业主才认可对应焊接形式的焊接工艺和焊接工人。最终这个工程我们找了西安向阳航材股份有限公司来作为管子组焊的分包公司。这家公司能做符合业主要求的焊评试验，并且这个工程的部分管子加工也是由这家公司承接，由于选择了合格的焊接作业公司本工程的管子焊接工作进行的非常顺利。

同时，我们还找了非常专业的防腐热塑带分包和试压分包公司，这些公司的资质良好，专业一流，在自己承揽的工作当中都完成的非常出色。

在管子组焊，探伤，试压等一系列工序完成之后，就可以进行管子的组装了。先将在上海预制好的管卡单个进行组装。本次工程的管卡是一拖二的形式，一个管卡上面会连接一根立管和一根护管，内部采用卡子螺栓连接形式，具有可调节性。一个管卡分成 3个部分，每部分是一个卡子形式，分别用于连接导管架，立管，护管。卡子与卡子之间也是通过卡子螺栓连接起来。由于这次的管卡本身采用这种活络的形式，管卡本身的组装的工作量也非常大。我们调用了铲车，吊机，撬杠，榔头，葫芦等各种工具设备进行管卡的本身组装。管卡本身组装基本结束之后我们开始进行管卡在码头上面的就位。

i.管卡就位

首先通过业主提供的导管架结构图纸以及需要安装管卡的位置图得到管卡的相对位置以及管卡的朝向，在图纸上面画出管卡的准确位置。为了便于现场测量，我们采取管卡底部的顶角作为定位的参考点。在图纸上面得到管卡底部顶角的相对距离。然后接下来在现场定出所有管卡顶角的位置。具体的做法是：先在场地使用钢丝绳拉出一条直线，然后以这条直线作为参考在地面上找到每个特定管卡的位置并且做好标记。然后将管卡起吊使管卡底部顶角安放到做好标记的点上面。接下来转动调整每个管卡连接两根管子的卡子使连接同一根管卡的小卡子在同一条直线上，并且处于同一高度上。

ii.管子起吊和管卡连接

管卡在现场就位之后进行立管和脐带缆护管的起吊并且和管卡上面的小卡子进行连接。本工程管子的接长总长在 100米以上，如前面的阐述，处于强度的考虑管子比较均匀的分成了两段，每段在 50米左右。立管的尺寸为：φ219×14.3，护管的尺寸为 φ323×15.9。对于这种细长管子的起吊，需要选择比较稳妥的起吊方式保证管子具有足够的强度。我们在设计阶段采用有限元方法对管子起吊方式进行了有限元模拟计算，计算下来为了满足管子的强度起吊的时候至少要设置比较均匀的5个点进行起吊。实际施工时，我们制造了一根 15米长的吊梁，吊梁下面连接 6套索具对管子进行起吊。为了保持起吊的时候对起吊管子调平，我们在 4套索具下面还连接了手拉葫芦。通过这样的方式将立管和脐带缆护管吊到管卡上面连接紧固。这里面需要注意管子是具有方向性的，比如立管就是和与导管架垂直面成 67度的角度。我们采用将角度转换成距离进行定位。计算出 67度的角度对应的管子端部距离地面的距离。距离达到要求就说明角度达到了要求。

iii.下段组合体和上段组合体整体吊装上大力号

上下段组合体的起吊同样存在破坏管子强度的风险。我们同样进行了理论上的计算，采用6点比较均匀的起吊方法，并且吊点设置在管卡上面。在起吊过程当中需要连接好牵引绳索，防止管子起吊过程当中摆动。上下段组合体起吊上船之后进行组合体水下安装之前的准备工作：将管卡最底部的大卡子另外半片卡子连接好（码头上未连接），并且使用手拉葫芦连接好使卡子处于钝角的张开状态，这样的状态到了水当中卡子就能够靠自重合上去抱住导管架的管子上面。在中间几个管卡位置预埋几个未充气的空气浮带。

d) 上下段组合体海上安装

上下组合体陆地上组装结束之后大力号就可以在拖轮的拖带下开赴现场，到达现场之后在平台边上进行 8点抛锚布场。潜水员进行管子安装之前必要的准备工作，清除导管架上面管卡安装位置的海生物，割除对管卡安装有影响的阳极块。接下来在天气海况合适的情况下就可以进行管子组合体的起吊入水，水下扶正，平移就位，组合体安装。

i.平直起吊、水中扶正

管子组合体的平直起吊跟码头组装好之后的吊装上船形式相同，只是增加了一些准备工作的内容 :安装好了管卡抱导管架的另外半片卡子并且由手拉葫芦连接限位；组合体当中某些管卡上面预埋了 3吨能力的未充气的空气浮带。在组合体起吊之前预埋两根扶正钢丝绳和一套平移索具。在管子水平入水 15米之后。潜水员入水将预埋的浮袋充气，并且收紧扶正钢丝绳。等到浮袋和扶正钢丝绳受力之后，潜水员解脱回收起吊钢丝绳。通过配合收放扶正钢丝绳将管子组合体竖立起来。然后收紧平移索具将管子的重量完全转移到平移索具上面。潜水员入水将扶正钢丝和浮袋解脱回收。

ii.组合体平移进入导管架内部

管子组合体在扶正之后重量由大力号的吊机承担，而管子安装到位需要将管子平移 20多米进入导管架内部。我们将井口平台事先连接好的三门滑车通过索具和管子连接。慢慢地释放大力号吊机上面的钢丝绳，收紧三门滑车上面的索具。通过这种方式将管子平移进入导管家内部。并且另外还出两根牵引绳索和管子相连调整管子的方位。

iii.管卡安装

管子组合体就位之后潜水员入水将处于自然张开状态的大卡子合拢，将管子安装就位。

iv.上下管段法兰对接

上下段子组合体分别和导管架连接好之后，需要进行上下管子的法兰对接。由于事先就有意识的将上下管子定位成分开一段距离。在管子上端使用必要的索具拉住之后，潜水员将抱住上段管子的所有小卡子分别打开，慢慢下放上段管子到位，潜水员插入螺栓上紧螺母。

v.管子整体下放

由于一开始测量上面的偏差，在上下段组合体连成一个整体之后潜水员测量出来管子最下端离开泥面距离过大，需要对管子整体下移一定的距离。潜水员入水打开下段组合体上面抱管子的小卡子，将管子下放到位之后重新合拢卡子。完成管子和导管架的最终连接。

vi.剩余工作

已经安装的脐带缆护管不包含水面上面的一段护管，所以我们还需要起吊安装一段脐带缆护管短管和已经安装好的护管上端进行连接。这样，管子安装最终完成，对管子进行试压保压，通过试压并且得到业主认可。最后，潜水员入水恢复事先割除的一个阳极块；甲板组热人员在原来拆除的靠船护栏位置拉 4道警示钢丝绳，用于保护新安装的管子，同时对平台上面的加装设备进行拆除恢复平台甲板的原貌。

4.经验教训

本次新立管安装工程采用了一种完全不同于以往的方法，困难和风险是显而易见的，但是优势也非常明显。在施工之前，技术人员进行了全面的考虑，辨识各种存在的风险，大胆假设，小心求证，最终工程取得的成绩令人欣喜。为了在以后从事类似的工程的时候能够借鉴有益的经验，规避所犯的错误，辨识存在的风险，很有必要对本次工程的经验教训进行归纳整理。

a) 有益的经验：

i.三门滑车的应用

本次工程的主要作业内容：靠船护栏的拆除；立管、脐带缆护管的安装都是在井口平台内部进行，外部的起吊设备都没办法提供吊力。这个问题在方案设计阶段还存在幻想希望直接利用大力号上面的履带吊甚至是大力号吊机。但是等我们了解得更加细致并且考虑充分之后，我们放弃了这样的幻想。但是我们找到了更加有利的供力设备。我们在井口平台的中层甲板上面安放了一台 5吨能力的启动卷扬机，在背面烧制吊点连接 3门滑车，卷杨机的钢丝绳直接穿过中层甲板朝下连接 3门滑车。之后的施工证明这是一个非常有利的供力设备，因为这个吊力基座是在固定不动的平台上面，不会产生深沉的现象。这里面去要注意的是中层甲板的背部有很多工字梁，钢丝绳的走位不能碰到平台结构需要在图纸上面画出求证。除了 3门滑车的应用，我们还在平台甲板背面烧制了很多吊点，用于之后提升需要时提供吊点。

ii.吊装方法安全可靠

在施工方案设计阶段，我们一度很担心吊装的问题。原因前面也已经提及过。单根管子长度长达 50米，壁厚又非常薄。在两根管子和管卡连成一体之后，两根管子之间还要挂5个管卡，每个管卡重达2吨。管子组合体重达25吨，跨距又达到 50米，平直起吊就比较困难，更何况还需要将管子组合体从平直状态变成竖直状态。困难是很大的，也没有多少经验可以借鉴。但是我们相信我们的理论计算。我们对假设的起吊全过程进行了 ANSYS有限元模拟计算，并且选择的起吊方法尽量留足强度余量。经过计算我们得到管子的起吊设置比较均匀的 5个吊点就没有问题。管子组合体最好能够设置 6个吊点。并且吊点设置在管卡上面，从而最大限度的抵消管卡的集中载荷。实际操作也是这么做的，最终的结果非常让人满意。在水中扶正阶段，我们一开始想通过 4个钩子同步操作进行扶正过程。但是这个方法非常难于操作，海上施工对于操作精度要求高的方法最好不要选用，后来我们找到更加好的方法，我们将 5个吊点的中间 3个吊点（同时也是管卡的位置）分别连接了一个 3吨浮带。在水中充气提供浮力刚好代替中间的 3根吊索。这样，我们通过控制两边的两根索具将组合体竖立起来，非常安全简单地完成了管子扶正的过程。

iii.立管，护管的陆地组装中规中矩

应该说管子在陆地的组装精确对于整个工程至关重要。如果组装不正确，海上管子入水之后出现管卡和导管架不匹配的情况，则会进退两难，在水下半空调整管卡几乎不太可能，而回收的话等于是工程倒退并且回收比入水风险大很多。对于这个问题我们非常头疼，但是最终我们认为找到了一种比较可行的方法。我们的思路是先按照设计图纸得到管卡的相对位置，转化成管卡底部之间的相对距离。然后我们在码头现场拉挺一根钢丝绳作为一条实际的直线，通过量取垂直距离来定好管卡的底部 4个顶点的位置。接下来将管卡通过吊机吊到画好的轮廓位置。通过这样的方式来确定管卡的相对位置和角度精度能够控制在2cm以内。

b) 有待改进的地方

i.小卡子定位存在不足

从根源上来说，小卡子定位的问题一部分来源于管卡的预制不够精确，其主观原因是在本次工程当中，我们没有对管卡的预制投入足够的重视，造成后来一系列的问题。在现场我们定位好管卡底部大卡子的位置之后。我们要调整小卡子的高度和角度，使立管的小卡子和护管的小卡子处于一条直线上。但是现场的情况是我们没办法找准参考物进行量取，无奈之下，我们只能大致地判断基准点，有些甚至采用了目测的办法。这样管卡组装好了之后管子往上吊组装的时候不是很直，造成了一定的误差，对水中的安装增加了一定的难度，后来在管子下放阶段由于小卡子制造精度以及定位精度的问题使得管子的下放变得异常困难。甚至出现了卡死的现象。增加了大量的水下调整时间。

ii.导管架泥面复核发生了很大的误差。

采用管卡一体，整体安装的方法，管卡和管子在陆地上已经连接成一体，所以需要事先确定泥面的升沉情况，如果发生管子最下端低于泥面的现象，管子安装的时候就会戳到泥面以下，对管子造成损坏。所以需要在管子组装之前潜水员入水确认泥面的升沉现象，我们的做法是测量导管架最下面的斜筋交叉点离开泥面的距离从而确定泥面的升沉现象。测量结果得出泥面发生 60公分的淤积现象。这样我们管子组装阶段有意提高了 60cm。而最后水下安装的时候，我们发现测量有误差，又只能整体下放管子，造成了很大的返工工作量。如何确定泥面和导管架的相对位置关系在以后的工作当中需特别注意。

iii.其他值得注意的问题

在这个工程当中还出现很多小的问题，处理不好也会对工程造成很大的影响。

1.管卡定位的时候需要靠吊机或者铲车挪动位置；2.在管子竖直的时候发生了管卡沿着管子滑移的现象。3.精细的水下定位一定要由没有升沉的吊装设备支撑