摘 要：以南海某导管架的设计和海上安装施工为例，对单扒杆双钩扶正技术进行系统总结和提炼，对实现该导管架翻身扶正方案所必须满足的各项指标及要求进行全方位阐述，分析其优缺点，希望给以后类似导管架的设计和海上安装提供参考和借鉴。
关键词：导管架海上安装;单扒杆双钩;优化设计
0 引 言
在中国近海海域油气田开发中，导管架平台是应用最广泛的生产平台开发模式之一。目前，国内导管架平台的建造、安装技术日趋成熟。陆地建造阶段，结合海上浮吊资源的吊高要求和导管架自身的高度、质量，选择立式建造或卧式建造等方式。对应海上安装时，通常安装方案为平吊下水、滑移下水[1-3]。对于卧式建造的较深水导管架，在导管架下水后，须通过扶正再坐底就位，通常所采用的扶正方式为单钩注水扶正，即在主作业浮吊船的单钩辅助下，按设计步骤往导管架注水舱室中注入海水，调整导管架浮态，使其从水平漂浮状态慢慢扶正到竖直状态的施工过程。单钩注水扶正要求导管架本身具有10%以上的储备浮力，变相增加了导管架体积和质量。
南海某油气田开发项目结合其平台导管架的特点，应用单扒杆双钩扶正技术(见图1)，此技术方案避免注水扶正过程对于导管架储备浮力的要求，从而减少导管架主体结构质量，降低建造投资成本，为此类导管架的设计和海上安装提供新的思路。
1 单扒杆双钩扶正技术关键参数校核
单扒杆双钩扶正是指通过使用主作业浮吊船单扒杆上的主钩和副钩双钩联动，在水中调整导管架从水平漂浮至竖直状态的技术。为保证扶正作业的安全可行性，须对导管架扶正过程进行整体分析，并对导管架各个浮态下(倾 斜 角 度 不 同)各 主 要 参 数 进 行 计 算 校核，以确保各参数满足施工要求。
1.1 结构空间干涉校核
在整个导管架扶正分析过程中，需合理选取导管架水中的位置和对应倾斜角度，使得整个过程中导管架本身结构与主作业船体结构及海床之间互不干涉，且留有足够的安全距离。重点关注的因素如下：
(1)主作业浮吊船吊机限制高度校核。吊机限制高度校核是吊装作业最基本也是最主要的校核之一。在导管架扶正过程中，浮吊船主钩缓慢下降，副钩配合同步上升，其倾斜角度相应发生变化，同时适当地调整导管架入水深度，以保证吊机限制高度满足导管架吊装高度要求，结构物与起重船扒杆之间的净间距不小于3m。
(2)与主作业船体安全间距限制。在导管架扶正过程中，底部防沉板朝向浮吊船船首，顶部水平层朝向开阔海域。随着导管架浮态调整与浮吊船扒杆的调整，再考虑风、浪、流等环境载荷的联合作用，导管架底部防沉板与船首结构的距离也会随之实时变化。需综合考虑各条件影响，适当选取对应导管架倾斜角度时导管架的位置及水深，以保证与主作业船之间的安全距离不小于3m。
(3)与海床之间的底部间隙要求。在导管架扶正过程中，随着导管架浮态逐步转为竖直状态，以及水中位置调整下放，导管架结构与海床间距会逐渐减小。综合考虑扶正分析全过程，选取合适的吊装索具长度，以保证导管架与海床之间的底部间隙满足安全距离要求，考虑海床变化与障碍物间距要求，建议在扶正过程中与海床最小间距不小于5m。
1.2 结构受力分析校核
在导管架扶正分析过程中，需在静态和动态两种情况下，对导管架结构强度、吊点及索具强度、导管架结构稳性进行整体分析校核，以满足相关规范要求。在通常情况下，动态分析简化为增加动力放大因数，此处要求与常规导管架海上吊装作业要求基本一致，可参考 APIRP2A-WSD2000。
(1)导管架结构强度校核。在导管架扶正过程中，每一倾斜角度时，需综合考虑环境荷载，按 API要求选取计算动载因数，对导管架结构受力进行分析校核，其结果应满足：实际应力δ < 许用应力[δ]。
(2)吊点及索具强度校核。吊点设计荷载需考虑动载系数，且各应力(吊点孔的挤压应力;吊点孔的剪切应力、吊点孔的极限拉伸应力、吊点孔的拉伸应力、眼板与板方向的焊缝强度、最弱断面复合应力、与主结构连接断面的复合应力)需小于许用应力要求。
(3)导管架结构稳性校核。导管架初稳心高是导管架浮态的关键参数。为保证扶正作业的安全，合理布置扶正吊点的角度，需分别对扶正过程中导管架的纵向初稳心高hGM纵 和横向初稳心高hGM横 进行校核：hGM纵 ≥1m;hGM横 ≥1m。
2 单扒杆双钩扶正技术的应用
下面通过该南海油气田项目导管架海上的施工应用情况，具体介绍此技术方案设计时如何选取各参数，以及其海上安装的实施步骤。
2.1 导管架主要参数
导管架为4腿4裙装结构，主要参数如下：顶部水平层尺寸为12.270m×12.375m;底部水平层尺寸为25.000m×30.075m;设计水深为62.3m;导管架垂向高度为76.8m;导管架主结构质量为893.67t;导管架吊装总质量为1752.40t;导管架总浮力为1296.10t;组块吊装质量为1104.32t。
对比质量与浮力 数 据 可 知：若采用常规单钩注水扶正技术，为 满 足 10% 剩 余 浮 力 要 求，需 增 加 浮 力456.3t，约为主结构质量的0.51倍。此时单纯地增加浮筒不能满足结构强度和浮力要求，需整体扩大导管架主腿和拉筋尺寸，粗略估算需增加的钢材总质量至少500t。
2.2 导管架扶正计算
根据导管架详细设计图纸，在SACS软件中建立导管架扶正过程力学计算模型(见图2)，各杆件和节点根据 API工作应力设计要求校核。模型选取的坐标原点为海图基准面处导管架水平面的几何中心点，x 轴指向平台东，y轴指向平台北，z轴竖直向上。
通过模型转换，将计算模型导入MOSES软件中，并定义导管架扶正旋转点。在SACS模型中旋转点坐标为(12.182m，-0.084m，-17.000m)，即 MOSES模型原点。根据该导管架实 际 情 况，定 义 导 管 腿、拉 筋、裙 桩 套筒、立管为 密 封 舱 室，参 与 提 供 浮 力;而 电 缆护管、牺牲阳极、登船平台等附件不参与提供浮力。如此，得到 MOSES模型如图3所示。
MOSES模型定 义 完 成 后，加 载 环 境 力，通过下 方 主 钩，提 升 副 钩，调 整 导 管 架 纵 倾角度。使导管架以 MOSES模型坐标原点为旋转中 心，从 平 躺 状 态(纵 倾 角 为 0°)，逐 渐扶正为 直 立 状 态 (纵 倾 角 度 为 90°)，如 图 4所示。
通 过 模 拟 计 算，在 各 个 纵 倾 角 (各 事 件中)时整个导管架扶正过程的主钩荷载、副钩荷载、导管架纵倾角和横倾角与海床距离、各索具张力变化曲线如图5～图8所示。
在整个双钩扶正过程中，由表2和表3可知：主钩最大钩头荷载为479t，最大索具张力为209t，最大钩头高度为65.19m;副钩最大钩头荷载为369t，最大索具张力为138t，最大钩头高度为89.46m;导管架与海床的最小间距为7.32m;导管架与浮吊船之间的最小间距为6.782m。
再将上述的8个工况中索具荷载情况输入 SACS计算模型中，校核各杆件和节点受力情况，如图9所示。
表4为节点信息，对于个别节点 UC值大于1.0，分析结果是可以接受的，在设计上增加加强环对节点结构做了加强。
2.3 浮吊船吊装能力校核及索具选择
浮吊船的最大吊重为7500t，主钩最大起升高度为110m，副钩最大起升高度为135m。结合导管架扶正计算主要工况结果，对比浮吊船吊装能力曲线，综合分析吊装过程的受力情况和空间干涉校核。
导管架在竖直状态时垂向总高为76.8m，对 应 取 浮 吊 船 扒 杆 幅 度80m 时 进 行 校 核。各 相 关 数 据 如表5、图10、图11所示，满足扶正计算中对应的高度和钩头荷载要求。
2.4 应用经验及总结
本项目导管架海上安装过程相对较为顺利，但仍有亟待改进之处。
(1)吊装索具繁多。导管架扶正过程共用到钢丝索具8条，控制缆绳7条。作业涉及主钩、副钩联合动作，需实时监控扒杆幅度、钩头吨位变化，观察测量纵倾角度，使导管架在满足吊机吊重和各吊装间距要求下缓慢扶正。扶正作业指挥、操作难度大。
(2)作业环境条件要求严格。在导管架扶正过程中，导管架本身与船体间距、纵向倾角和横向倾角受环境影响较大，作业最大浪高2.4m，有义波高1.5m，流速小于0.5kn。东方海域流速快，流向多变。导管架准备扶正时，正好遇上流向变化，水下机器人观察导管架与船体间距在2.8m 左右，现场待机1h，流速减小后，顺利完成扶正作业。
3 结 语
本项目导管架海上单扒杆双钩扶正技术方案，优化了导管架详细设计方案，减少导管架主体结构质量约500t，节省了建造投资成本。综合考虑海上作业过程风险控制，合理设计海上扶正过程，安全、顺利地完成海上安装工作，其对以后相似水深、同样类型导管架的设计和安装具有借鉴和参考意义。
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