林天威，胡 智

（深圳赤灣勝寶旺工程有限公司，廣東 深圳 518068）

0 引言

作為2022 年度央企十大國之重器之一，?；惶枌Ч芗艿淖鳂I(yè)水深達到281 m，是亞洲第一深水導管架[1]。該導管架為四腿導管架，由四條導管腿及其底部的裙樁將上部模塊的載荷傳遞到海底，由水平片和花片結(jié)構(gòu)將四條導管腿連成一體。為了滿足臥式建造、滑移裝船和下水作業(yè)的載荷傳遞需要，在兩條相鄰導管腿之間設置兩條平行的下水腿；依靠下水腿向?qū)Ч芗軆?nèi)部構(gòu)建一個長方體形狀的下水桁架；下水桁架又通過細長拉筋與另外兩條導管腿相連接。這種四腿導管架的構(gòu)造在國際上有過不少應用，其中最著名的是作業(yè)水深排名全球前三的導管架：作業(yè)水深412米的Bullwinkle 導管架[2]、作業(yè)水深396 m 的Pompano 導管架和作業(yè)水深361 m 的Coelacanth 導管架，這三座導管架均位于墨西哥灣。另，孟加拉灣Zawtika油田的多個導管架也采用了這種構(gòu)造，其作業(yè)水深在160 m 以內(nèi)。國內(nèi)深水油氣平臺采用這種構(gòu)造尚未見報道。相對于其他常見類型的導管架構(gòu)造，這種導管架設計桿件稀疏，因而剛度較小，局部結(jié)構(gòu)完整性較差，難以按常規(guī)方法細分為便于轉(zhuǎn)運和吊裝的結(jié)構(gòu)單元，給建造設計和施工帶來諸多挑戰(zhàn)。本文針對在總裝過程的關(guān)鍵步驟，采取合理的合并和拆分策略，使得導管架總裝能夠安全、高效地完成，為同類深水四腿導管架的扣片建造提供參考。

1 旋轉(zhuǎn)法與扣片法

在導管架建造歷史上，發(fā)展前期常用旋轉(zhuǎn)法進行總裝，旋轉(zhuǎn)法的優(yōu)點是將盡可能多的結(jié)構(gòu)安裝工作量放在地面或者低空完成，減少高空工作量[3]。前文所述的以Bullwinkle 導管架為代表的墨西哥灣3 個深水四腿導管架建造都采用了旋轉(zhuǎn)法[4]。隨著起重機械朝著大型化方向發(fā)展，扣片法逐漸成為導管架總裝的主流方法。?；惶枌Ч芗芙ㄔ旆桨刚撟C前期，曾探討過旋轉(zhuǎn)法和扣片法的適用性。旋轉(zhuǎn)法與扣片法各有優(yōu)劣，須綜合考慮高空作業(yè)量、占地面積、起重設備需求、尺寸控制、施工經(jīng)驗等方面因素，做出選擇。由于建造場地現(xiàn)有空間無法滿足?；惶枌Ч芗苄D(zhuǎn)法的占地面積要求，且限于滑道位置無法擴展場地，再考慮設備需求和施工經(jīng)驗的顯著差異，經(jīng)專家會論證，加工設計團隊決定選用扣片法。在總裝方法的選擇中，可用占地面積的限制，起到了一票否決的決定性作用。在扣片法總裝的基礎(chǔ)上分析解決了一系列結(jié)構(gòu)總裝問題。兩種方法對比見表1。

表1 旋轉(zhuǎn)法與扣片法要素對比

2 水平層W 片

?；惶枌Ч芗艿南滤旒芘cA4/B4 導管腿的連接桿件稀疏且跨度較大。其中的7HU 和5HU 水平片部分，難以成片安裝。散件無所依托，無法安裝，更無法保證尺寸精度。經(jīng)研究，加工設計團隊提出了W片的設想，將扣片上的水平桿件劃入水平片，采用臨時拉筋將水平片拉筋連成上部封口的W 片，見圖1。2 個W 片分別重達186 t 和309 t。經(jīng)計算校核，W 片在吊裝載荷作用下的強度和變形都滿足要求。這2 個結(jié)構(gòu)片的吊裝分別使用了五臺吊機。起吊時五臺吊機聯(lián)合作業(yè)，以彌補結(jié)構(gòu)平面外剛度不足，降低應力和變形。起立后，撤除三臺吊機，用剩余的兩臺主吊機完成結(jié)構(gòu)片的移位、就位和輔助安裝。2020 年12 月9日，7HU 水平層W 片成功吊裝就位。2021 年3 月22日，5HU 水平層W 片成功吊裝就位。由于W 片就位后，平面外缺少支撐，方案設計中還配備了攬風繩，將W 片頂端與現(xiàn)有的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)相連接，以抵抗面外受風。實際實施效果良好，未發(fā)生大變形。W 片是本項目首次提出并實施的非常規(guī)結(jié)構(gòu)片，其成功安裝，大大提振了建造團隊的信心和士氣。

圖1 W 片方案及實施

3 籃狀結(jié)構(gòu)

?；惶枌Ч芗苓B接下水桁架與外桁架的1HU和2HU 拉筋，難以成片安裝。如圖2 所示，一個方法是各自增加上下兩根臨時拉筋，形成A 形片分別安裝。這種方法安裝后，結(jié)構(gòu)完整性差，需要采用攬風繩限制變形抵抗強風。經(jīng)研究，把這2 個A 形片與其下方的下水桁架扣片一起預制，用外桁架扣片上的縱向拉筋把2 個A 形片連成一體，形成本項目重量最大的吊裝單元：籃狀結(jié)構(gòu)?；@狀結(jié)構(gòu)為本項目首創(chuàng)的結(jié)構(gòu)吊裝單元，其構(gòu)造兼具結(jié)構(gòu)完整性和吊裝穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)重達572 t 但4 臺吊機即可完成吊裝。大大提高了安裝效率且消除了后續(xù)迎風受損的風險。該吊裝作業(yè)使用了兩臺1600 t 級吊機和兩臺750 t 級吊機。從2021 年4 月1 日吊裝就位到2021 年9 月28 日鄰近結(jié)構(gòu)就位并與之相連接，在未使用攬風繩的情況下，籃狀結(jié)構(gòu)在百米高空挺立了半年之久。期間經(jīng)歷了多次臺風考驗，變形仍在許用公差范圍內(nèi)。

圖2 籃狀結(jié)構(gòu)方案及實施

4 立體桁架

海基一號導管架小頭Row2 桁架結(jié)構(gòu)和Row3 桁架結(jié)構(gòu)，原計劃按2 個扣片、4 個十字花片和若干散件的形式吊裝。經(jīng)深入研究其結(jié)構(gòu)特性，將重量介于幾噸至100 余噸的14 個桿狀結(jié)構(gòu)或平面結(jié)構(gòu)組成了重達321 t 的Row2 立體桁架和重達342 t 的Row3立體桁架結(jié)構(gòu)，大幅提高吊裝作業(yè)的集約度，減少了高空工作量和吊機資源耗費。合并之前，高空安裝作業(yè)預計需要用到32 個吊機臺班，合并后高空安裝作業(yè)只需要16 個吊機臺班。由于該結(jié)構(gòu)位于導管架的飛濺區(qū)附近，部分結(jié)構(gòu)需要涂裝，組成立體桁架整體吊裝也大幅減少了高空補漆的工作量，從而也顯著減少室外打砂涂裝給環(huán)境帶來的污染。

5 叉狀結(jié)構(gòu)

?；惶枌Ч芗艿娜箻短淄才c下水桁架之間的連接結(jié)構(gòu)，桿件分布在2 個正交平面上，按常規(guī)做法是散件安裝或者分為2 個平面結(jié)構(gòu)分別吊裝。但這兩種方法的高空工作量太大，尺寸控制難度高。經(jīng)詳細研究構(gòu)造特性、吊機需求及安裝效率等因素，創(chuàng)造性地將2 個正交平面結(jié)構(gòu)組成空間結(jié)構(gòu)。由于形似餐具叉子，稱為叉狀結(jié)構(gòu)。叉狀結(jié)構(gòu)的方法大大縮減了高空工作量、建造工期和作業(yè)風險。同時，叉狀結(jié)構(gòu)的吊裝難度和復雜度較常規(guī)吊裝要高。常規(guī)吊裝一般只要求被吊結(jié)構(gòu)沿著一根軸線旋轉(zhuǎn)一定角度，而叉狀結(jié)構(gòu)吊裝，需要先在四臺吊機協(xié)作下沿著一根軸線旋轉(zhuǎn)90°，撤離其中一臺吊機，再沿著另一根軸線旋轉(zhuǎn)45°。相比于常規(guī)吊裝，叉狀結(jié)構(gòu)吊裝多了一次旋轉(zhuǎn)，吊裝指揮難度、吊機協(xié)作精度都達到了新高度。2021 年10月，2 個叉狀結(jié)構(gòu)吊裝到位，見圖3。叉狀結(jié)構(gòu)成功安裝，給后續(xù)的高空裙樁套筒安裝掃清了障礙。

圖3 叉狀結(jié)構(gòu)方案及實施

6 裙樁套筒

?；惶枌Ч芗艿乃臈l導管腿底端有四組裙樁套筒結(jié)構(gòu)，每組裙樁套筒包含3 個套筒、一段導管腿及連接結(jié)構(gòu)。建造姿態(tài)下，有兩組裙樁套筒在地面直接組裝。另兩組裙樁套筒則須在地面組裝好之后，吊裝到高空就位。高空兩組裙樁套筒的單重為650 t，最高點達到了110 m，超出了現(xiàn)有吊裝資源的能力。經(jīng)研究，根據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點，將每組高空裙樁套筒分為上下兩部分分別吊裝。上部包括2 個套筒及連接結(jié)構(gòu)，重量為280 t；下部包括一段導管腿和一個套筒及連接結(jié)構(gòu)，重量為370 t。為保證高空安裝精度，上下兩部分在地面組裝成一體，分界線處僅作臨時連接。完成所有焊接和相關(guān)試驗之后，在分界線處分拆上下兩部分，將裙樁套筒的上部吊離并臨時放置在支撐結(jié)構(gòu)上。先用三臺吊機將裙樁套筒下部結(jié)構(gòu)吊運至高空安裝，然后用兩臺吊機將上部結(jié)構(gòu)吊裝到其上方就位。2021 年11 月份，兩組高空裙樁套筒完成安裝。

7 大跨度扣片

?；惶枌Ч芗芸燮琑4C25，重達1361 t，尺寸達到95 m × 71 m，最長桿件達到107 m。吊裝難度極大。經(jīng)分析該結(jié)構(gòu)整片吊裝強度不足，可能導致局部失效斷裂，變形巨大無法組對。在幾何中心附近增加吊點，可以解決吊裝強度和變形問題，但沒有合適的吊機提供足夠的負荷能力和作業(yè)半徑。驚人的重量意味著苛刻的吊裝資源需求，建造場地現(xiàn)有的吊機和索具都無法滿足該結(jié)構(gòu)片的吊裝作業(yè)需求。超大的跨度使得預制擺片占地太大，加劇作業(yè)空間緊張程度。綜合考慮到結(jié)構(gòu)強度、吊裝變形、機具資源，占地面積等諸多因素，決定不再成片，按散件吊裝?？紤]到同樣的因素，扣片R4C57 和R4C79 均按散件吊裝，大片拆分為散件吊裝，使得此部分結(jié)構(gòu)所耗費的吊機臺班大大增加，相應的工期也大大延長。該結(jié)構(gòu)整片吊裝與散件吊裝的強度、變形、吊機分載、占地面積、吊機臺班和工期等參數(shù)對比見表2。

表2 整片吊裝與散件吊裝比較

本結(jié)構(gòu)安裝方法的決策過程中，吊裝結(jié)構(gòu)強度是一票否決的決定性的因素。這是起重設備資源限制結(jié)構(gòu)吊裝向高向大發(fā)展的典型案例?？紤]到結(jié)構(gòu)重量和尺寸，預計需要跨度120 m，高度150 m，起重能力2000 t 以上的龍門吊，完成如此規(guī)模的扣片整體吊裝作業(yè)。

8 結(jié)語

?；惶枌Ч芗苁菄鴥?nèi)首個作業(yè)水深超過200 m的導管架。有別于國外同類構(gòu)造的深水導管架的旋轉(zhuǎn)法，海基一號采用扣片法建造深水四腿導管架，無先例可參考。從上述案例可知，根據(jù)結(jié)構(gòu)特性，考慮施工條件的約束，有的結(jié)構(gòu)需要合并，有的結(jié)構(gòu)需要拆分。加工設計團隊經(jīng)過深入研究，根據(jù)導管架的構(gòu)造特性，制定了合理的總裝方法，并以堅實的理論論證和豐富的施工經(jīng)驗，贏得了專家會認可。其中W 片、籃狀結(jié)構(gòu)和叉狀結(jié)構(gòu)均為導管架建造史上首次提出的創(chuàng)新方法。這些結(jié)構(gòu)的成功安裝，解決了?；惶枌Ч芗芙ㄔ熘械年P(guān)鍵難題。（見圖4）?；惶枌Ч芗苡?022 年3 月15 日順利裝船交付，為后續(xù)同類深水四腿導管架的扣片建造方法開了先河。此類導管架的大跨度扣片在吊裝載荷作用下的應力和變形如何控制，如何整片吊裝，有待進一步研究。

圖4 完工上船的?；惶枌Ч芗?/p>