曹德明 宋青武 王 超 王凱華

1. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451;2. 中海福陸重工有限公司, 廣東 珠海 519000

0 前言

導管架平臺是淺水、較深水(一般不超過300 m)海洋工程開發(fā)中應用最廣泛的平臺形式,重量從幾百噸發(fā)展到幾千噸甚至上萬噸[1-3]。導管架平臺技術成熟、工程成本相對于可移動式平臺低,由導管架、鋼樁、上部組塊、生活樓、鉆機模塊、火炬臂等組成,其中導管架是平臺固定的基礎,起著承上啟下的作用,主體是鋼質桁架結構,由導管腿和橫向、斜向的拉筋通過焊接組成,鋼樁通過裙裝套筒或導管腿打入,承受平臺荷載并傳遞到主著力層上。作為支撐結構,導管架能否按時順利完成海上安裝工作,對于后續(xù)鉆井作業(yè)、組塊安裝以及平臺投產起著關鍵性作用。在海洋工程施工過程中,存在著影響施工進度與建造質量的許多不確定因素[4-5]。導管架海上安裝受各種條件制約,是一項高風險綜合施工項目[6-7]。導管架和鋼樁在陸地專門的預制場地完成建造后,由駁船運輸至海上施工現(xiàn)場,由主作業(yè)船(浮吊)按照固定的施工步驟進行安裝作業(yè)。

1 傳統(tǒng)導管架海上安裝方法

在已安裝的導管架中,四腿導管架和八腿導管架較常見。淺水導管架和較深水導管架海上方法略有差異,下文以較深水導管架海上安裝為例對傳統(tǒng)導管架海上安裝方法進行分析。

較深水導管架海上安裝一般步驟見圖1。

圖1 較深水導管架海上安裝一般步驟示意圖

1.1 施工準備

在導管架下水工作正式啟動前,應完成各項施工準備工作,包括海底地貌預調查，作業(yè)船舶就位，設備使用等。

導管架下水前的海底地貌預調查一般分兩個階段[8]:施工前90 d進行水深測量和旁側聲納測量，主作業(yè)船抵達現(xiàn)場后進行ROV(水下機器人)調查,調查結果作為安裝方案設計的基礎。調查內容包括導管架就位區(qū)域海底地形地貌特征，海床是否平整，有無鉆井船留下的腳印，已鋪設海管海纜的實際路由，海底障礙物分布等。如在調查階段發(fā)現(xiàn)有影響導管架安裝的事項存在,則需提前進行相關處理。對于滑移下水的導管架,還應對濕拖路徑進行路由和水深調查,確認周圍無大型障礙物,同時確保導管架下水處水深滿足導管架下水的最低要求。

主作業(yè)船抵達現(xiàn)場后按照安裝設計確定的拋錨就位方案進行就位工作,一般情況下至少要拋8個工作錨(船艏船艉各4個),拋出的錨纜長度不得少于10倍水深,拋錨時須注意避讓海底已有海管海纜設施,拋錨完成后應進行錨機拉力試驗,防止出現(xiàn)溜錨。

導管架安裝作業(yè)過程中使用的設備主要包括2臺ROV(工作型和觀察型各1臺)、空潛設備、打樁錘(1備1用)、吊樁器、調平器、灌漿機、動力站、焊接/檢驗設備等,在主作業(yè)船甲板上布置并確保處于可用狀態(tài)。對于采用滑移下水的導管架,其下水駁船甲板應布置好相應的下水輔助設備,包括調載系統(tǒng)、助推系統(tǒng)(絞車系統(tǒng)、液壓推進器)等。鋼樁駁船甲板應布置好起樁設備,包括翻樁器、扁嘴鉤等。另外,主作業(yè)船、駁船和拖輪均應配備足夠且保持通暢的通訊設備,便于各施工單位、各船舶溝通聯(lián)系,確保整個海上安裝船隊協(xié)同作業(yè)。

1.2 導管架下水扶正就位

導管架下水方式包括滑移下水和吊裝下水兩種。吊裝下水主要依靠主作業(yè)船的起重能力,按照安裝設計要求的索具掛扣方案,直接吊起導管架放入水中坐底就位?；葡滤ㄟ^調載不斷增大駁船尾傾,將駁船調載至設計滑移下水角度,使導管架依靠自身重力作用直接從駁船上滑移入水,入水后漂浮在水面上,由拖輪濕拖導管架至設計就位區(qū)域,通過向導管(包括底部浮筒)內注水使導管架由水平狀態(tài)轉為直立狀態(tài),直至取得足夠坐底重量,再利用主作業(yè)船將導管架準確坐落于設計的海床位置上。一般情況下導管架從船艉劃入水中,導管架的重量、重心以及導管腿分艙等都將對導管架扶正穩(wěn)性產生很大影響[9-10]。如導管架解除固定并調載到設計下水角度后導管架未按設計方案移動,可啟動助推系統(tǒng)。

滑移下水方式扶正導管架所用的力僅為導管架重量的五分之一到十分之一[11],很大程度上減輕了導管架安裝對主作業(yè)船起重能力的依賴,大大提升了現(xiàn)有起重船的利用率,同時也對現(xiàn)場作業(yè)氣候窗提出了更高要求,需選擇適宜的天氣及海況進行下水作業(yè),一般要求連續(xù)具備作業(yè)的天氣窗口不少于72 h。

1.3 鋼樁插打

打樁的施工質量直接影響平臺的壽命和耐久性[12]。對于淺水導管架(如渤海海域),鋼樁一般直接從導管腿內打入,不設計裙裝套筒,但需要進行接樁工作。在東海及南海較深水海域,導管架結構形式多采用水下群樁形式[13],鋼樁往往是整根從群樁套筒內打入,導管架通過群樁套筒將平臺荷載傳遞到鋼樁。主作業(yè)船吊起鋼樁上起樁通道,鋼樁翻身吊起至豎立狀態(tài),插入裙裝套筒中,使用打樁錘將鋼樁錘擊至設計深度,打樁過程使用2臺ROV設備全程水下監(jiān)控。

1.4 調平及灌漿、收尾

導管架的水平度直接關系到導管架安裝的成功與否。如果導管架的水平度不能滿足要求,將對后續(xù)的鉆完井作業(yè)、組塊安裝、組塊設備的正常使用產生嚴重影響。導管架完成鋼樁打樁后,使用全站儀等設備進行水平度測量,如水平度超出技術規(guī)格書所設定的5‰誤差允許范圍[14],則按照預定的調平程序采用浮吊或專用調平設備進行調平作業(yè)。導管架調平一般要經過數次才能完成[15]。

鋼樁全部打入后進行灌漿作業(yè),使用主作業(yè)船上的灌漿機對裙裝套筒或導管腿與鋼樁之間的縫隙灌注高強度水泥漿,使兩者牢固連接為整體,加強了平臺的整體性,使平臺的各種荷載均勻傳遞到各鋼樁上。導管架安裝收尾作業(yè)包括浮筒、索具平臺、扶正吊點、注水管線和灌漿管線的拆除等,以及靠船件、欄桿走道、航標燈的安裝等。

2 雙主作業(yè)船協(xié)同配合作業(yè)新模式

雙主作業(yè)船協(xié)同配合作業(yè)模式是指由2條作業(yè)船船配合進行導管架安裝作業(yè),主要體現(xiàn)在鋼樁插打階段和收尾階段。在鋼樁插打階段,由1條主作業(yè)船負責進行鋼樁的起樁和插樁作業(yè),1條主作業(yè)船負責進行打樁,插樁、打樁作業(yè)同步進行。在收尾階段由1條主作業(yè)船進行灌漿作業(yè),1條主作業(yè)船進行附件的拆除和安裝工作。雙船聯(lián)合施工可有效縮短導管架海上安裝施工工期,對導管架安裝工期有嚴格要求或處于臺風多發(fā)季節(jié)的項目具有很好的應用價值。

下面以較深水導管架安裝(4腿12群樁、滑移下水)為例,對雙主作業(yè)船模式下導管架安裝效率和所需船天投入進行對比分析。

2.1 效率分析

表1和表2分別為傳統(tǒng)作業(yè)模式和雙主作業(yè)船模式下導管架安裝各個步驟所需工期和邏輯關系,圖2和圖3分別為對應的時標網絡圖。時標網絡圖是網絡計劃技術的一種,形象地把整個工程形象進度用網絡圖標書出來,容易從圖上分析出各種時間參數,明確關鍵線路和關鍵工作,能夠快速確定項目的總實耗時間[16-19]。

兩種模式下導管架安裝凈工期分別為18 d和12 d,雙主作業(yè)船作業(yè)模式預計可提高導管架安裝效率約33%。

表1 傳統(tǒng)作業(yè)模式下導管架安裝工期劃分

工作內容代號緊前作業(yè)邏輯關系工期/d主作業(yè)船拋錨就位、預調查A——1導管架下水扶正就位BAFS=02插4根主樁CBFS=02打4根主樁DCFS=02插前4根輔樁EDFS=02打前4根輔樁FEFS=02插后4根輔樁GFFS=02打后4根輔樁HGFS=02灌漿及收尾IHFS=03

圖2 傳統(tǒng)作業(yè)模式下導管架安裝時標網絡圖

表2 雙主作業(yè)船模式下導管架安裝工期劃分

工作內容代號緊前作業(yè)邏輯關系工期/d主作業(yè)船拋錨就位、預調查A——1導管架下水扶正就位BAFS=02插樁CBFS=06打樁DCSS=16灌漿EDFS=02附件拆除及安裝FDFS=02

圖3 雙主作業(yè)船模式下導管架安裝時標網絡圖

2.2 船天投入分析

表3和表4分別為兩種模式下導管架安裝所需各類船舶的船天投入分別為93個和89個,船天投入基本持平,但考慮到主作業(yè)船日費率較高且需額外增加一次動復員工作,雙主作業(yè)船模式下船舶費用投入較傳統(tǒng)模式高。

表3 傳統(tǒng)模式下導管架安裝船天投入

船舶投入船天/d主作業(yè)船18主作業(yè)船配套拖輪18導管架駁船3導管架駁船配套拖輪3鋼樁駁船15鋼樁駁船配套拖輪15下水輔助拖輪3交通支持船18合計93

表4 雙主作業(yè)船模式下導管架安裝船天投入

船舶投入船天/d主作業(yè)船112主作業(yè)船1配套拖輪12主作業(yè)船212主作業(yè)船2配套拖輪12導管架駁船3導管架駁船配套拖輪3鋼樁駁船10鋼樁駁船配套拖輪10下水輔助拖輪3交通支持船12合計89

3 工程實踐

某已建成完工平臺導管架為4腿12裙樁較深水導管架,水深約97 m,鋼樁直徑84英寸(1英寸=25.4 mm),鋼樁設計入泥深度77 m,導管架水平層5層,工作點標高11.5 m,設計壽命25 a。

進行平臺海上安裝施工尤其要關注重大作業(yè)的工作窗口[20]。2014年，該導管架在海上安裝期間,正值大潮汛,受周期14～16 s的東向長波涌以及間歇性大雨的影響,且進入臺風多發(fā)季,現(xiàn)場海況惡劣,作業(yè)窗口十分緊張。為提高海上施工效率,確保導管架按時順利完成海上安裝,確定采用雙主作業(yè)船聯(lián)合施工方案,主方案由主作業(yè)船A(錨系起重船)完成導管架滑移下水、注水扶正和坐底就位后,主作業(yè)船B(動力定位起重鋪管船)投入，負責進行導管架鋼樁起插樁工作,主作業(yè)船A與其同步進行打樁。動力定位起重鋪管船具有自航能力、安裝過程無需拋錨和拖輪協(xié)助、機動性好、精就位能力強等優(yōu)勢,可以抵抗更大的作業(yè)海況,但船舶費用較錨系船高且存在動力定位失效的風險,錨系起重船進行導管架海上安裝技術成熟,船舶費用相對較低,但需要拖輪協(xié)助進行拋錨就位作業(yè),對現(xiàn)場海況和海底已有設施狀態(tài)要求相對較高。該方案充分考慮了雙主作業(yè)船的特點,實現(xiàn)導管架下水就位、插樁準備以及鋼樁插打作業(yè)同時進行的流水線作業(yè),大大提高了安裝效率。該方案在2條主作業(yè)船上分別配備了M-800和M-1200打樁錘,兩錘互為備用,如1錘出現(xiàn)設備故障,另外1錘可以隨時投入,在插樁較快情況下,兩錘也可同時參與到打樁作業(yè)中,提高施工效率。同時重點針對現(xiàn)場施工天氣窗口及地質影響等因素，制定了不同的雙船配合方案,現(xiàn)場作業(yè)時根據實際情況靈活選取。

表5 雙主作業(yè)船配合施工作業(yè)用時情況

日期主作業(yè)船A主作業(yè)船B工作內容工作時間/h待機時間/h工作內容工作時間/h待機時間/h2014-08-11注水扶正,切除吊點,剪切濕拖240A 2-1主樁起樁工作準備2402014-08-12起M-800錘進行主樁A 2-1打樁作業(yè),至入泥50 m213完成主樁A 2-1及B 2-1的插樁作業(yè)2402014-08-13完成主樁B 2-1初打作業(yè),入泥至25 m;完成主樁B 1-1插樁作業(yè)。240鋼樁駁船離駁,倒駁ROV設備9.514.52014-08-14完成主樁B 1-1初打作業(yè),至水下25 m;受海況影響鋼樁駁船離駁177現(xiàn)場抗風待命0242014-08-15恢復導管架欄桿915起M-1200錘進行主樁A 2-1打樁作業(yè)3.520.52014-08-16完成主樁A 1-1起插樁及初打作業(yè),至入泥25 m;完成導管架水平度測量,卡死主樁;完成A 2-2插樁作業(yè)240完成主樁A 2-1、B 2-1、B 1-1及A 1-1的打樁作業(yè)2402014-08-17起樁準備工作,海況惡化,鋼樁駁船離駁618現(xiàn)場抗風待命0242014-08-18恢復導管架欄桿,移錨調整艏向177完成B 2-2的插樁作業(yè)12122014-08-19完成A 2-2、B 2-2初打作業(yè),至入泥18 m;完成B 1-2插樁作業(yè)240預掛鋼樁平吊索具,為主作業(yè)船A起樁作業(yè)做準備工作完成A 2-2、B 2-2打樁作業(yè)2402014-08-20完成B 1-3的插樁作業(yè);完成B 1-2及B 1-3的初打作業(yè),分別至入泥16 m和18 m240完成B 1-2及B 1-3的打樁作業(yè)2402014-08-21完成B 2-3、A 2-3、A 1-3及A 1-2的起插樁及初打作業(yè)240開始A 1-2的打樁作業(yè)2402014-08-22倒駁設備、收尾準備240完成B 2-3、A 2-3、A 1-3及A 1-2的打樁作業(yè),完成B 1-1、B 2-2、B 3-3灌漿作業(yè)2402014-08-23切割浮筒、開始切割灌漿管線240完成剩余套筒灌漿作業(yè)2402014-08-24完成附件切割、散件安裝工作,進行后調查工作240倒駁設備2402014-08-25完成后調查工作,起錨復員240復員240

2014年8月10日，雙主作業(yè)船陸續(xù)抵達施工現(xiàn)場,按照既定方案開展施工,克服現(xiàn)場風力和涌浪較大的困難,于8月24日順利完成導管架海上安裝工作,實際工期約15 d,有效縮短了導管架安裝工期,為后續(xù)類似項目的海上安裝提供了新思路。表5為雙船配合作業(yè)用時情況。

4 結論

雙主作業(yè)船模式進行導管架海上安裝對于海上施工窗口窄的項目其有重要意義,但由于增加1條主作業(yè)船和配套拖輪的動復員和施工,施工成本較傳統(tǒng)施工會有所增加,這也是該模式進一步推廣的主要制約因素。雙主作業(yè)船進行導管架安裝,提高安裝效率的關鍵在于兩條主作業(yè)船的配合程度。不同的主作業(yè)船,其性能差別很大,可施工環(huán)境工況也不同,如何做好兩條主作業(yè)船的協(xié)同配合,最大程度實現(xiàn)工期和成本節(jié)約,是該模式進一步推廣的關鍵。應在安裝設計階段,充分考慮兩條作業(yè)船的特點,合理安排聯(lián)合作業(yè)方案,作業(yè)團隊提前進行相應的演練工作,確保施工過程中兩條主作業(yè)船及時、順暢的溝通,并在現(xiàn)場及時根據海況情況,調整作業(yè)順序,在可作業(yè)時間窗口持續(xù)高效施工。

本文通過對導管架傳統(tǒng)作業(yè)模式和雙船作業(yè)模式的詳細分析,對工期和船天投入進行對比分析,明確雙船作業(yè)模式在工期上具有明顯優(yōu)勢,表明該模式具有一定的實用性,為海洋平臺導管架安裝模式提供了參考和依據。在后續(xù)研究中,應重點針對雙船配合方案進行系統(tǒng)研究以提高施工效率,進一步提升推廣價值。