王浩宇，王　杨，黄山田，刘顺庆，LEE James.海洋石油工程股份有限公司安装公司，天津0046.中海油安全技术服务有限公司，天津00456.海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津0045



软性气囊在浅水导管架安装领域应用的关键技术研究及工程应用

王浩宇1，王杨2，黄山田1，刘顺庆1，LEE James3
1.海洋石油工程股份有限公司安装公司，天津300461
2.中海油安全技术服务有限公司，天津300456
3.海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津300452

摘要：如何节约浅水导管架安装过程中使用大型浮吊资源，降低海上安装成本，优化资源配置，已成为日益迫切的问题。在海况相对稳定的浅水区，利用可回收软性气囊提供的廉价浮力，借助于半潜式的下水方案，可达到降低浮吊钩头力，减轻或摆脱浅水导管架海上安装对大型浮吊的依赖，降低海上施工成本的目的。结合锦州25- 1南项目CEPF导管架的海上安装方案并通过理论分析，介绍了采用软性气囊助浮进行海上安装浅水导管架的技术。CEPF导管架安装的工程实践成功地验证了气囊布置、固定、保压、助浮和拆除等方面的可靠性，有效地降低了钩头力，可显著降低海上施工安装成本。

关键词：浅水导管架；海上安装；软性气囊；助浮

根据党的十八大提出的建设海洋强国战略，中国海洋工程资源正在向更加复杂的深海海域优化配置。如何节约使用浅水导管架安装过程中的大型浮吊资源，降低海上安装成本，优化资源配置，对传统的浅水导管架安装方案提出了更高的要求，也越来越受到海洋工程施工队伍的重视。

针对日益增长的油气需求，海洋平台的规模也越来越大。以近期完工的锦州25- 1南项目为例，该项目共有4座导管架平台，其中质量超过2 000 t的有3座，分别采用了“蓝疆号”和“华西5000”大型浮吊进行吊装作业。采用大型浮吊不仅增加了海上安装的成本，而且挤占了深海项目的资源配置。为此，开发新型的浅水导管架安装方案势在必行。本项目采用软性气囊技术，研发了一种应用软性气囊提供廉价浮力，配合小浮吊来安装浅水导管架的施工工艺，从而解决了浅水导管架安装流程中大型浮吊资源的占用问题。结合锦州25- 1南CEPF导管架的海上安装，介绍了该方案在降低浮吊钩头力上的验证结果。

1　气囊助浮安装导管架方案的优势

气囊助浮［1- 3］安装导管架既缓解了目前大型浮吊的资源调配压力，又降低了海上大型船舶安装的费用，传统吊装与气囊助浮安装导管架对比见图1。

图1　传统吊装与气囊助浮安装导管架对比

气囊助浮安装方案的主要优点：

（1）用小型浮吊取代大型浮吊进行作业，降低了施工成本。

（2）廉价的软性气囊替代了昂贵的钢性浮筒。软性气囊净浮力大（每吨气囊可产生250kN净浮力），质量轻，放气后可折叠，便于运输、安装和拆除，并可重复使用［4］；而钢性浮筒的净浮力小（每吨浮筒只产生20 kN净浮力），且焊接、切割量大，回收占用驳船空间，通常是一次性使用。

（3）导管架坐底重力因采用气囊而减小，可优化防尘板的大小，降低防尘板质量和建造费用。

（4）借助气囊的充、放气控制系统和对气囊组的定点充、放气，实现导管架坐底平整度的调整。

（5）利用气囊调整导管架浮心相对于重心的位置，使导管架入水后倾角达到最小。

2　气囊助浮安装导管架的关键技术

由于采用气囊助浮安装导管架还没有成熟的经验可以借鉴，在整个安装过程中，面临着诸多难点，这需要用创新的理念和方法来加以解决。

（1）安装过程中气囊参数的选取。气囊虽然已经是较为成熟的产品，但在导管架安装中大规模应用还是首次，其作业环境相对于码头和船坞要恶劣得多。如何选取气囊的安全系数，成为了该方案顺利实施的首要关键点。考虑到从拖拉装船、焊接固定、运输至现场到最终安装的过程一般需要20 d左右，为保证导管架的入水浮力，要求气囊囊体能保证20 d压降不大于5％。图2为某厂气囊的气密性试验结果。对于气囊的耐水压性，要求气囊的耐压安全系数不得小于3倍的设计工作压力［5］，见表1。

（2）气囊的布置及固定。由于气囊不是钢性结构，无法进行焊接，因此如何固定气囊成为该安装方案所面临的新问题。课题组根据气囊充气膨胀的特性，在导管架的防沉板上设计了“门”字框架，利用气囊充气后膨胀的预紧力，顶死、卡紧“门”字框架，从而达到固定气囊的目的，见图3。

图2　某厂气囊气密性试验结果

表1　某厂气囊耐压能力试验结果

图3　气囊固定示意

根据不同区域导管架的水深情况，计算气囊所在位置产生的水压，使气囊充气的内压大于就位时的外部水压，这样就可保证气囊不被压缩。另外，气囊在水下产生的巨大浮力，使其牢牢顶住“门”字框架的上梁，从而也产生巨大的摩擦力，保证气囊在水下不会发生位移。

（3）气囊的拆除与回收。导管架安装就位后，对气囊进行放气作业，由于水压作用，气囊的放气速率会快于空气中的放气速率。放气后的气囊由于自重会沉在水下。气囊囊体为挂胶的锦纶材质，不能安装吊点结构，为了便于拆除，课题组设计了整体式网套，并在网套的一端预先连接索具，引至导管架顶部，见图4。当气囊放气结束后直接拖拽拆除索具，即可将网套中的气囊拆除。

图4　气囊拆除装置示意

（4）气囊的充、放气系统。为了便于气囊的充放气，课题组设计了两个充、放气点。一个设置在气囊囊体端部的应急充、放气接口，主要用于气囊压力检验及下水前的补气作业；另一个通过管道引至导管架顶端走道控制面板处的充、放气口，用于导管架下水后的充气调平及放气作业，见图5。

图5　气囊充、放气系统示意

3　气囊助浮技术在锦州25- 1南CEPF导管架安装中的应用

锦州25- 1南CEPF导管架位于渤海北部辽东湾中部海域，水深23.9 m。导管架质量2 365.96 t，有8个主腿，为浮托组块预留了大槽口。在气囊辅助导管架下水前，先对气囊的耐压性、气密性、气囊绑扎固定、气囊充放气系统和气囊的拆除进行了验证，为后续的半潜安装作业奠定基础。

该导管架防尘板上共布置了24个φ2 m×20 m的气囊，共提供净浮力13 680 kN，分为6组，每组4个，见图6。此次导管架安装的主作业船为“华西5000”，由于本次不验证驳船半潜作业，故起吊环节与传统吊装方式基本一致。在导管架下水后，观测浮吊钩头力的变化，以检验气囊在完全入水后是否能够提供设计浮力，从而有效降低浮吊钩头力。

图6　CEPF导管架气囊布置示意

3.1导管架吊装前准备

CEPF导管架从青岛海工场地拖拉至“海洋石油229”号驳船并焊接固定，于5 d后运输至渤海施工现场。“海洋石油229”靠泊“华西5000”后，课题组对气囊的固定形式及囊内气压进行了检测，发现该气囊固定形式牢固可靠，在驳船运输途中，气囊与“门”字框架贴合紧密，未发生相对移动；气囊内压保压性能良好，未发生泄压漏气情况，气压表显示与出港时的状态一致，均为1.5个大气压（152 kPa）。

3.2导管架吊装就位过程中气囊的功能验证

由于气囊是首次大规模应用于导管架下水就位作业，因此在气囊提供理论值为13 680 kN的较大浮力之后，浮吊的钩头力会降低，为确保海上施工万无一失，课题组对在气囊浮力影响下的导管架进行了一系列的分析，通过计算，确定带气囊的导管架座底稳性满足规范要求［6］，见表2。

表2　CEPF气囊导管架座底稳性计算结果

其防尘板杆件的UC值（Unity Check即单元应力校核值，为工作应力与许用应力的比值）也均小于1.0，见表3。

课题组还对CEPF气囊导管架进行了敏感性分析，见图7。无气囊时，导管架最大横摇角为1.2°，有气囊时，导管架最大横摇角为1.76°。导管架下放过程中的倾斜角和横摇角都有所增大，但仍处于可接受范围内［7］。

表3　防尘板杆件的UC值计算结果

图7　导管架横摇角对比

对布置气囊后的CEPF导管架进行分析计算表明，导管架可以正常下放就位。

在现场施工过程中，导管架起吊后缓慢入水，气囊完全入水后，钩头力由23 400kN降至3 870kN，该状态下钩头力的理论计算值为6 642.1 kN（导管架自身结构也会产生浮力），实际钩头力比理论计算值偏小，分析其原因主要是气囊为非刚性结构，在工作压力下，囊体因充气而略有膨胀，导致浮力增大。

3.3气囊的放气与拆除

CEPF导管架插完首节桩后，打开导管架顶端走廊上的控制面板，待气囊充分放气后，分别用吊机和拖轮两种方式拖拽气囊组的拆除索具进行拆除方式的对比。对比发现，虽然气囊放气后呈疲软状态，但拖轮绞车倾斜缆绳的拖拽力约为80 kN左右，而吊机的垂直起吊力约为150 kN，因此，在后续的气囊拆除过程中，若没有导向结构，那么采用拖轮绞车拖拽拆除气囊更优于吊机拆除。

4　结束语

利用可重复使用的软性气囊提供廉价浮力，降低导管架安装所需的浮吊钩头力，不仅可在海况相对稳定的浅水区为导管架安装提供一种新型的作业方式，更可缓解浅水导管架安装对于大型浮吊船的依赖。通过采用这种安装方式，节约了海上施工成本，优化了船舶资源，降低了安装费用。本课题组依托锦州25- 1南CEPF导管架的海上安装作业，初步验证了该施工方案中气囊的耐压性、绑扎固定效果、充放气系统及拆除技术的可靠性，为后续的气囊助浮半潜安装大型导管架作业奠定了理论和实践基础。

参考文献

［1］孙菊香.船舶气囊下水技术综述［J］.中国修船，2010，23（6）：42- 46.

［2］刘正善，唐晓虎，李林林，等.气囊助浮方法在沉箱溜放、拖运中的应用［J］.水道港口，2007，28（2）：143- 145.

［3］辛晓辉，张孝卫，刘玉玺，等.气囊助浮大型导管架下水可行性研究［J］.石油工程建设，2014，40（5）：26- 30.

［4］ISO 14409- 2011，Ships and marine technology - Ship launching air bags［S］.

［5］吴剑国，孙燕，马剑，等.气囊下水的安全性研究［J］.造船技术，2010（4）：7- 9.

［6］0028/ND 2013，Guidelines for Steel Jacket Transportation & Installation［S］.

［7］海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程设计指南：海洋石油工程安装设计［M］.石油工业出版社，2007.

Gordian Technique Research and Engineering Application of Flexible Air- bags in Shallow Water Jacket Installation

WANG Haoyu1，WANG Yang2，HUANG Shantian1，LIU Shunqing1，LEE James3
1. Offshore Oil Engineering Co.，Ltd. Installation Company，Tianjin 300461，China 2. CNOOC Safety &Technology Services Co.，Ltd.，Tianjin 300456，China
3. Offshore Oil Engineering Co.，Ltd. Engineering Company，Tianjin 300452，China

Abstract：Application of recoverable flexible air- bags that could reduce crane hook load in flat shallow water will definitely minimize the dependence on large floating cranes，reduce cost of offshore jacket installation and benefit general combinatorial optimization of vessel arrangement/management. With theoretical analysis and JZ25- 1S CEPF jacket installation project，application of flexible air- bags during jacket offshore installation is introduced. During CEPF jacket installation，the reliability of air- bags in fields regarding air- bag arrangement，fixing，pressure- holding，floating and removal has been successfully verified and application of air- bags is proved as a practical and effective method to reduce the hook load，which undoubtedly lays sound foundation for further research and technology popularization.

Keywords：shallow water jacket；offshore installation；flexible air- bag；floating

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.003

作者简介：

王浩宇（1985-），男，河北沧州人，工程师，2011年毕业于中国石油大学（华东）动力工程及工程热物理专业，硕士，现从事海洋工程结构安装设计研究工作。

Email：wanghy3@mail.cooec.com.cn

收稿日期：2015- 12- 20