深水导管架建造难点分析及建议资料.docx
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深水导管架建造难点分析及建议资料
题目1：
深水导管架建造难点分析及建议
摘要：
本文从实际出发，结合番禺30-1导管架的建造，对比了深水导管架与浅水导管架在建造中的不同，对深水导管架建造中的难点进行了一一分析，并提出了解决方案和建议。
包括方案选择及场地准备，建造尺寸控制，风荷载对建造的影响，管线系统的安装及调试、牵引装船滑道准备等。
正文：
一、概述
根据国内目前导管架建造现状，一般将水深在50米以下称之为浅水导管架，从50米到200米称之为较深水导管架，200米以上称之为深水导管架，虽然称之为深水导管架，但并不是真正意义上的深水，国际上一般将水深超过500米才定义为深水，目前国际上最深的导管架也只有300多米，国内最深的导管架已达216m水深。
深水导管架的主要特点为高、大、重，结构复杂，质量要求高，在建造期间大型吊装作业多，高空作业量大，与浅水导管架相比，建造时主要不同体现在以下几个方面：
1.建造方式：
超过四十米的导管架一般采用卧式建造的形式，浅水导管架一般采用立式建造的形式。
2.深水导管架一般采用了裙桩的形式，裙桩套筒上下需要安装卡桩器和封隔器，深水导管架需要安装大量的管线，且在建造完成后，需要对各种类型管线进行相应的调试和试压工作，以保证海上安装工作的顺利进行。
建造时对裙桩套筒要求较高，需要进行通径实验。
3.深水导管架由于重量较重，当起重船能力无法满足导管架吊装下水要求时，需要采用滑移下水的安装形式，而这种形式的一个很大特点便是在导管架中间增加了一个下水桁架部分，采用与导管连为一体的连续滑靴，摒弃了浅水导管架使用多个单独滑靴的形式。
4.深水导管架导管腿为密封腿，内有水密隔板，将导管腿分为多个舱室，且舱室均为封闭，需要进行压力实验，浅水导管架导管腿为贯通将来打桩，导管腿有折弯，浅水无折弯
二、深水导管架建造的主要难点及解决方案和建议
如上所述，深水导管架与浅水导管架在建造中有很多不同，其建造的主要难点是尺寸增大，高空作业增多，精度不易控制，质量要求高，管线系统复杂且调试试压作业增多，而对于整个建造过程来讲，选择一个合理的建造方案关系到整个导管架建造的质量、进度和成本等多项因素。
1.总体建造方案的选择及场地准备
在总体建造方案的选择中，需要考虑到许多因素，包括：
1）场地及设备资源限制；
场地能力包括滑道自身的承载力，滑道之间的宽度，滑块的高度及承载力；
码头的能力包括码头及航道的水深；
设备能力包括卷板机的卷制能力，大型吊机的吊装能力等
这些资源作为项目的成本之一，直接关系到方案的选择方向。
2）建造的质量和精度控制；
深水大型导管架的主要特点为高、大、重，结构复杂，质量要求高，尽量减少超高空作业量，有助于提高质量和工作效率。
3）材料及设备的到货情况
国内钢材市场紧缺，采办周期较长，且到货顺序经常无法满足现场施工要求，在制定方案时需要考虑前期材料采办情况；由于目前很多设备需要进口，因此需要在项目之初就作好采办计划，考虑到采办周期及通关等因素的影响。
根据吊装方式的不同，深水导管架总体建造方案主要分为三种：
完全rollup；完全上扣片；部分rollup。
此三种方案的主要优缺点：
1）完全rollup
图片
将整个导管架分为四个框架结构，分别在滑道两侧预制之后，以一端导管腿作为旋转轴，使用履带吊、铰车、拖拉绳等进行翻身吊装作业，最终将导管架合拢。
此种建造形式的主要优点为：
大量的超高空组对、焊接等作业在低空完成，能够增加作业的安全性，提高建造质量，有利于导管架整体尺寸精度的控制。
缺点为：
一次性使用大型履带吊的台数较多，对资源要求较高，
2）完全上扣片
将整个导管架按照水平片、花片、立片的形式分成许多零散小片，分别预制并进行安装。
优点：
作业面广，施工可调节性大，受材料到货因素影响较小
吊机作业分散，且对吊机能力及数量要求不高
缺点：
超高空作业量大，整体尺寸精度不易控制
3）部分rollup
将整个导管架一部分采用rollup的吊装形式，另外一部分则分为零散单片单独进行吊装，其中较常用的是将中心桁架部分采用rollup的吊装形式，两侧结构则采用传统方式进行立扣片作业。
优点：
两种方式结合作业，可以充分利用吊机资源
缺点：
超高空作业量仍然较大，整体尺寸精度不易控制
Rollup吊装方法伴随着导管架水深的增加而产生，适用于100-300米水深大型导管架建造，目前国内已成功的应用于青岛场地建设项目番禺30-1导管架中心桁架结构的建造，吊装组合体重约2729t，长约163m，前端轴间高度约21m，后端轴间高度约为42m。
Rollup吊装建造形式的主要优点如下：
1）采用直接兜拉节点拉筋的吊点形式，减少了吊点的制造、焊接及切除工作量；
2）减少了一半的超高空作业量，增加了作业的安全性；
3）大部分焊接作业在低空完成，提高了建造质量；
4）导管的组对接长均在低空完成，有利于控制导管架的整体精度；
5）使用一侧导管作为旋转轴，吊机只承担了整片结构约一半的重量，且旋转轴不离地，大大降低了吊装的风险。
rollup吊装建造形式在提高效率的同时，也受到一系列因素的制约：
1）因为主结构及附件均在低空组对安装，因此要求材料到货要非常充分及时，否则很可能会因为中间某个很小的部分材料未到货而延误整体的进度；
2）因为一次性使用大型吊机的台数多，且占用吊机和铰车的时间长，这就要求工机具及设备使用作好计划，将其他需要用到大型吊机和铰车的作业错开；
3）旋转轴侧导管的椭圆度、直线度等制造精度要求更高；
Rollup由于是多台吊机联合作业，不确定因素较多，要求吊装方案设计要非常详尽而周密，在吊装计算和吊装方案制定的过程中，需要考虑了以下几点：
1）荷载类型的确定
计算荷载主要分为三部分：
主结构重力、附件重力和风荷载。
a）在组合片预制过程中，因为主结构组成的框架较大且比较完整，所以很多附件可以在低空直接安装上。
在吊装计算时，就不能将其作为一个简单的系数，而应该作为单独的荷载。
b）风荷载在很多的吊装计算中是被忽略的，但在rollup过程中由于单片或组合片面积较大，其受到的风荷载不容忽视，且在翻身吊装过程中，随着其与风荷载接触的面积越来越大，其受到的侧向力也是越来越大。
2）动载系数的选取
在模型计算中，动载系数的选取需要综合考虑相关规范要求及场地实际施工情况，根据规范，陆地吊装动载系数可选取1.05-1.30，考虑到rollup这种吊装形式较新颖，对于实施起来的困难缺乏充分的了解和准备，可以适当增大系数到1.25，随着应用次数的增多及经验的积累，最终可确定一个较为合适的系数。
3）杆件强度的校核
通过软件计算，对于不满足强度的杆件，采取增加临时支撑的方式进行加强。
4）吊点类型的选取及校核
Rollup翻身吊装采用吊装带绕过导管兜节点拉筋的方法，因为吊装带重量轻，与结构的接触面积大，对结构的伤害小，操作方便。
图6吊点形式
对于吊点区域需要进行强度校核，若强度不满足吊装要求，需要通过增加加强环等方式对吊点进行局部加强。
5）滑靴及导管的临时支撑
为防止在翻身过程中滑靴发生侧向移动和导管滑出滑靴，在滑靴及导管内外两侧增加牛腿作为其侧向支撑，同时在导管的前后段也增加牛腿防止其前后移动。
图7导管侧向支撑
6）吊机利用率的限制
综合考虑以往吊装要求及国外的相关经验，建议所有吊机的最大利用率均不超过75%。
组合片翻身吊装中吊机及拖拉绳示意图见下。
图8吊机位置示意图
在导管架上滑道之前，需要进行一系列的场地准备工作，包括场地能力的校核，对于场地沉降，进行场地承载力和沉降量的试验，通过堆载一定重量的重物，测试一段时间内场地的沉降情况，利用所得数值用于指导现场垫墩预留沉降量的数值。
2.建造尺寸控制
深水导管架结构复杂，节点多，尺寸及重量大，即使卧式建造其高度也可达到60-90米，如像浅水导管架建造时人爬到高空去丈量尺寸，既不安全，也不能保证尺寸控制要求。
九十年代初赤湾深水导管架建造场地首先布设了控制网，但是自己不能独立进行建造尺寸控制作业，而是花费大量外汇聘请外国专家，在其指导下进行工作，有关核心技术对我保密。
为此，中海石油平台制造公司与天津大学于1994年在国内首次开展“局部基准网误差分析方法的研究及软件开发”项目研究，研究成果达到国外同类研究的先进水平。
原课题研究至今已有12年，相应成果仅限于赤湾场地网点布置，软件的支持系统基于当时的计算技术水平，因此具有一定的局限性。
而且软件是在dos软件支持下开发的，而现在需要在windows环境下操作。
解决方案：
1）、对于大型导管架的建造，很多国外公司都是控制网来进行尺寸控制，如公司与麦德默合作的HZ21-1、HZ26-1、XJ24-3、XJ30-2导管架，还有PL19-3业主聘请的第三方，即澳大利亚的FUGRO公司也是该方法进行复查的。
另外在很多涉外项目的业主技术规格书中，也都提出过用三维坐标的方法对结构物进行尺寸控制，如惠州项目、MODEC项目、澳大利亚镍矿项目。
用坐标控制网对工程结构的尺寸控制可以实现由以前的局部控制转为对结构物的整体控制，这样的好处是：
使整体结构处于这个坐标系之中，通过各个测量控制站点，我们可以测量结构物上各个位置的三维坐标值，尤其在过程控制方面有不可取代的优势,在建造过程中,经过精确测量,把被测点具体三维偏差及时反馈给施工部门,方便于调整，能够准确有效的指导场地施工；而用控制网进行尺寸控制的模式能大大减少测量人员的高空作业量同时能够提高测量精度，保证尺寸控制要求。
控制站点介绍
a）在PY30-1项目中布设了9个控制站点，标准站点：
共2个。
该类型点布置位置远离导管架建造场地，不直接参加建造尺寸控制网的平差，仅作为对其它网点进行校准的标准站点。
标准站点选址原则：
在远离施工现场的后方沉降滑移变形较小的位置。
其余站点为建造控制网点。
b）青岛场地大型导管架尺寸控制网站点均分为地下、地上两部分。
地下部分为固定点，地上部分可随意安装和拆除。
地下部分的站点混凝土测量墩应能承受20t履带吊车的空载碾压。
尽量减小地面场地沉降对站点的影响。
下图是控制站点的结构型式
ThefigurebelowiscontrolstationarrangementdiagramofPY30-1Jacketadopted
下面是PY30-1导管架所用控制站点布置图
ThelocationofstationandPY30-1Jacketmodelmatchfigure
站点位置与PY30-1导管架模型匹配图
2）、随着测绘设备的更新与完善,全站仪普遍支持与计算机接口.这种技术能够解决计算机与全站仪测量数据的通讯,在此基础上实现我们常用测量软件调用所需的测量数据，减少测量数据的读取、手工纪录与手工输入的误差。
实现了测量数字化，自动化。
运用系统工程思想，应用现代精密工程测量理论，结合可视化技术与计算机图形图像技术，与天津大学合作开发出从控制网的布设到监控建造全过程的系统软件，并建立起测量技术与尺寸控制系统管理规程，这在国内尚属首次，在国外也不多见。
经软件分析出的站点坐标值
★这个系统软件包括：
控制网平差软件、三角交会计算软件、最佳圆心坐标计算软件、同心度分析计算软件、切线平距测量计算软件。
①控制网平差软件：
由于测量存在系统误差和偶然误差，常规下我们不能赋予控制网中各个站点准确的三维坐标，通过对各个站点之间的边角测量，通过误差处理软件（控制网平差软件）可以赋予各个控制站点准确地三维坐标。
②三角交会计算软件：
首先在控制网下，仪器架设在多个控制站点，通过测量结构物上的被测点（目标点）的水平角和仰角，通过三角交会计算软件就可得出被测点的三维坐标（主要用于高空目标点的三位坐标测量以弥补无棱镜模式的不足）。
③最佳圆心坐标计算软件：
通过测量管子圆周上的多个点，通过误差处理可以计算出管子的圆心坐标。
（此项对于主要用于井口片的地面预制与空间井口同心坐标的测量海上切桩和导管架尺寸复查）
④同心度分析计算软件：
在业主的技术规格书中，一般对于井口、群桩导向、裙装套筒都有同心度的要求，如每一个井口不能偏离最佳直线多少，按照每个井口相对于理论状态下的偏差或每个井口的圆心坐标，通过同心度分析软件可分析出每个井口相对于最佳直线的偏差，检查是否满足规范的要求。
⑤切线平距测量计算软件：
通过测量垂直立柱的左切线水平角、右切线水平角、中间任意一点水平角及水平距离就可以计算出立柱圆心的平面坐标。
这个主要用于测量组块的底部尺寸。
总结如下：
1）.应用此项目的成果测量的尺寸得到了业主/DNV的签字认可；
2）.摆脱了以往建造导管架爬到高空进行测量即不安全也不能保证精
度的被动局面；
3）.摆脱了以往类似HZ26-1等深水导管架建造聘请外籍专家进行尺寸
控制的被动局面；
4）.由于该项目的研发成功使PY30-1导管架尺寸控制得以正常进行，
5）.从尺寸控制上保证了PY30-1的建造工期；
6）.部分软件功能实现了像澳大利亚FUGRO公司对导管架进行尺寸复
查的功能；
7）.在海总首次建立大型导管架尺寸控制与管理系统。
3.风荷载对建造的影响
深水导管架与浅水导管架的区别不仅仅是高度的差别，随着高度的增加建造方式需要改进，建造周期会相应的增长，建造的难度也会有所增加，青岛地处北温带季风区域，由于海洋环境的直接调节，受来自洋面上的东南季风及海流、水团的影响，故又具有显著的海洋性气候特点，冬季风大持续时间较长，有时还有台风。
因此在建造过程中，某些立片上的杆件，特别是悬臂梁（一端固定一端自由的杆件），很可能发生风致振动，即涡激振动（英文简称VIV），强烈的风振很快就能引起杆件端点处应力集中部位的疲劳裂纹。
通过对涡激振动机理的分析可得出以下结论：
1〉杆的长度越长越容易共振，
2〉杆的弯曲刚度越大的杆，越难共振；
3〉杆的两端约束对共振风速的影响很大，约束越强，杆就越难共振。
解决方案和建议：
由以上结论，我们可以总结出要减少发生涡激振动的方法：
a）用临时支撑连接可能发生振动的杆件的自由端到其他杆件上（临时支撑的选取：
临时支撑通常为管材，选取临时支撑时要考虑临时支撑要有足够的抗压强度及稳性，临时支撑与主结构接触的地方要用圆弧版，使主结构面受力，避免伤害主结构）；
b）用钢丝绳连接杆件自由端与地锚以固定杆件（加强杆端约束）；
c）有些重要杆件无法增加其自振频率，应在杆件上采取装涡流干扰器等抑振措施。
例如，给杆件缠绕绷绳，（在赤湾场地建造时就是采取这种措施）。
d）还可考虑挂沙袋来增加重量（提高杆件自身自振频率，增大稳性参数Ks）；
e）国外有些项目采取的措施是在杆件上装上名为“狗骨头——DogBone”的减震装置（见下图），有风时会产生有利干扰，使杆件周围的流场紊乱，呈无规则性，达不到产生共振的基础。
可以考虑的措施：
可考虑的措施
优点
缺点
加临时支撑
在场地建造过程中不仅能起到避免杆件发生涡激振动，还能在立片过程中防止某些杆件变形
海上安装前需切割打磨，费工费时，
缠绕绷绳
经济实惠
海上安装前需拆卸，非常不方便
挂沙袋
在场地建造期间可重复利用，比较经济适用。
海运工况下不能使用
装Dog-bone减震装置
方便、省事，不用拆卸
需一定的资金投入
4.管线系统的安装及调试
1）封隔器、卡桩器、的控制管线的安装及调试：
封隔器、卡桩器的控制管线主要是由直径1/2、3/8寸的不锈钢管线组成，管内是非油性液压油和压缩氮气。
由于卡桩器、封隔器分别位于裙桩的上部和下部，控制盘往往在导管架的顶部，所以控制管线跨度非常大，管线的布置也就非常重要。
如果固定在导管腿外部（例如文昌导管架123m水深），在导管架下水时易被损坏。
如果铺设在导管腿内部（例如番禺30-1导管架216ｍ水深），就必须穿过水密隔板，这样控制管线的分段就比较多，现场接头也比较多，发生泄漏的可能性就比较大，尤其是封隔器的控制管线。
在番禺30-1项目封隔器调试过程中我们一共发现了70多处漏点，大大影响了调试工作的顺利进行。
HZ25-1导管架项目控制管线铺设在导管腿外部，调试过程中漏点非常少。
因此建议深水导管架项目如果强度能够满足下水要求尽量将控制管线铺设在导管腿外部。
2）泥浆、放空管线的安装及试压：
深水导管架导管腿内部有压载仓，其作用是导管腿下水后起调平作用，压舱舱通过放空管线与大气连通。
泥浆管线的作用是连接裙装和灌浆机，一共分为三级，一、二级灌浆口在导管架顶部，三级灌浆口在裙装附近。
泥浆、放空管线都是由2”SCH80的碳钢管线组成，分部在导管腿内侧。
泥浆、放空管线是通过Ｔ型支架固定在导管腿上，由于每段导管腿的直径以及壁厚不同支架的高度以及定位的基准线也会发生改变，尤其是在大小口处，番禺30-1项目中就出现支架不在同一条直线上等问题，在以后的深水导管架建造过程中要注意。
在管线的试压过程过程中，如果外界温度过低需要提前准备防冻液，温度如果低于或接近零度时吹扫和试压必须全部使用防冻液，场地需要做好废液的回收准备。
防冻液与水的混合比例可适防冻液规格以及温度而且确定。
如果有可能尽量合理安排管线的安装及试压时间，尽量避免冬天进行操作。
3）压力舱室的保压及监控：
深水导管架各腿内的压载舱的密闭性非常重要，关系到下水后导管架自扶正的角度。
导管架建造完工后将压载舱充入0.17kpa的压缩空气，并对其进行监控直至下水。
放空管线与压载舱连通，压力表就安装在放空管线管汇区。
根据一般的深水导管架的装船方案，导管架上船就位固定后，顶部会探出船尾。
由于脚手架拆除以后监测人员无法到达压力表位置进行监测，所以必须考虑使用监控设备代替人工监测。
监控探头将压力表显示画面转化成电信号，通过信号线传输到视频采集卡上，通过电脑还原电信号在显示器上显示画面。
达到监测人员在船甲板上就能检测压力表的目的。
番禺30-1项目就采用上述方法进行监控虽然达到了理想效果但是也存在一些不足，电子设备的变压器在海上航行过程中的稳定不好，在以后的项目中要选用防水、防雾、防震的设备并尽量减少变压器的数量。
5.牵引装船滑道准备
随着导管架吨位的增大，原有的以固结混凝土连接的滑块已经不能满足大吨位导管架拖拉装船的作业要求，
1）拖船向上浮动时滑块工况分析
拖拉装船时，在拖船的挤压力和摩擦力作用下，码头前沿滑块与滑道之间的固结混凝土受到很大的张力作用，极易张裂，裂纹是一种张开型裂纹，在较小的张力作用下，裂纹就会迅速扩展，直到滑块自身重力几乎将摩擦力抵消完为止。
由于滑块是通过混凝土固结在一起的，不能保证上下两层滑块端面的共面性，另外船体晃动会产生非均布力，会出现以下三种工况：
a）船体传递过来的压力和摩擦力只作用在上层滑块上，促使上层滑块与下层滑块之间的固结混凝土张裂，上层滑块脱离下层滑块，随船体一起晃动；
b）压力和摩擦力只作用在下层滑块上，导致下层滑块与滑道之间的固结混凝土发生断裂，下层滑块脱离滑道，上下两层滑块一起随船体晃动；
c）两层滑块都受到压力和摩擦力的作用，上下两层滑块均发生了脱离，这是上述两种工况的中间状态。
2）拖船上浮时滑块荷载分析
拖船上浮时，由于船体的上浮、左右晃动以及钢丝绳的拉力等作用，滑块主要受到四种荷载的作用（如图3所示）：
a）拖船挤压力
拖拉时，液压千斤顶克服滑块与滑靴之间的摩擦力，拖拽导管架在滑块上滑移前进，滑块与滑靴之间的摩擦系数为0.2，动载荷系数为1.25，所以每侧滑块所受压力为：
b）拖船摩擦力
由于风、浪、流以及船行波等载荷的影响，船体会上下浮动，也会左右晃动，因此船体对滑块的摩擦力可分为竖直方向和水平方向两种，从船的运动规律和固定情况分析，船体对滑块的摩擦力主要为上下浮动力，滑块与拖船之间的摩擦系数为0.25，因此竖直方向最大摩擦力为：
图3船体向上浮动时载荷图
由于锚和缆绳的固定作用，船的左右晃动力远远小于上下浮动力，因此假定水平方向最大摩擦力为490kN。
c）滑块自重
最前端滑块为全钢结构，密度为7.85t/m3，重为60t；其他滑块为钢筋混凝土结构，密度为2.6t/m3。
3）拖船上浮时滑块计算
a）工况1
滑块重力抵消向上的摩擦力的长度为：
经计算当拖船的作用力只作用在上层滑块时，上层滑块会脱离下层滑块随船体一起随意晃动。
b）工况2
上下两层滑块的总线密度为25.35t/m。
滑块重力抵消向上的摩擦力的长度为：
经计算当拖船的作用力只作用在下层滑块时，两层滑块可以依靠自身的重力使得位移量很小。
由此，若将上下滑块固定到一起，前后滑块也固定到一起，那么滑块即使与滑道发生脱离，滑块也会依靠自身的重力抵消船体向上的摩擦力。
4）拖船下浮时滑块工况荷载分析
同样，当拖船下浮时也会产生向下的4900kN摩擦力。
由平衡条件得：
所以，重力抵消向下摩擦力的长度为
=3.45m<5.75m，所以第一个滑块（长5.75m）仅靠重力就可以抵消向下的摩擦力。
综上所述，为了阻止滑块随拖船一起晃动，应上下滑块固定到一起，前后滑块也固定到一起，滑块与滑道也固定到一起。
牛腿布置范围为：
下层滑块0~23.1m，上层滑块0~76.3m。
5）最前端滑块加固及分析
最前端滑块对所有滑块的固定有着决定性的因素，若第一个滑块与滑道完好地粘接到一起，那么所有滑块就不会随船体一起晃动了。
经计算滑道等效应力
2.901MPa>2.2MPa（C35混凝土的抗拉强度），因此滑块仅靠混凝土与滑道粘接已经不能满足大吨位导管架平台拖拉装船的作业要求，需要加固牛腿。
加固牛腿之后滑道的等效应力
1.913MPa<2.2MPa，可见，牛腿的加固使得固结混凝土不会发生断裂。
6）上下滑块的固结分析
为了防止上层滑块脱离下层滑块而独自晃动，上下滑块的连接力应大于下层滑块重力和固定力之和。
因此，上层每个滑块所要承受的竖向拉力为：
1746.6kN+19.11t/m×9.8kN/t×6.4m=2080.58kN
每个滑块布置4对牛腿，因此每个牛腿（即TYPE3型牛腿）承受260kN的竖向力（TYPE4型牛腿跨前后两个滑块的端部，所以载荷为TYPE3型牛腿的两倍）。
三、深水导管架在国内的发展展望
目前国际上建造安装的深水导管架基本都在上个世纪九十年代，而国内深水导管架设计建造才刚刚起步，作为从浅水向深水的一个过渡阶段，在这个过程中，需要我们积累大量的经验。
伴随着东海、南海越来越多油气田的勘探、开采，中国的海洋石油业正蓬勃发展起来，追赶着世界的脚步前进。
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