CN103410133B - 利用气囊对深水导管架进行海上安装的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用气囊对深水导管架进行海上安装的方法，设有导管架，在导管架上部垂直安装有数个气囊组，导管架上还安装有充放气连接管，该充放气连接管的一端通过一个充放气软管与一个气囊组连接为一体；充放气连接管的另一端与安置在导管架顶部的液压控制系统相连接；通过上述连接构成一增加导管架净浮力的浮力结构。本发明能够将深水导管架中，位于波浪敏感区域杆件的直径设计到在导管架杆件建造中所允许的最小值，有效地的降低了导管架所承受的环境力，并从根本上降低了对导管架刚度的需求，导管架下水后，能够垂直自浮，不仅简化了导管架的安装工序，缩短导管架海上安装的施工工期，而且，降低了海上安装的成本。<!--1-->

Description

利用气囊对深水导管架进行海上安装的方法

技术领域

本发明涉及导管架，尤其涉及一种利用气囊产生的净浮力来对深水导管架进行海上安装的方法。属于海洋工程技术领域。

背景技术

随着我国海洋石油开发不断向深水领域的迈进，大型深水导管架得到了越来越广泛的应用。

目前，国内导管架水深已达200米。根据深水导管架的设计要求，导管架在安装过程中，必须设计成能自浮，通常，这种自浮状态是需要通过导管架自身的杆件所产生的浮力来完成。也就是说，导管架的浮力必须大于它的重量，这个大于的部分叫做储备浮力。它的定义如下：

(总浮力-总重量)/总浮力＝储备浮力(％)

根据相关设计规范要求，设计中最小储备浮力应大于12％。而导管架的设计主要是包括两个方面：一是：在位分析；即：在位分析是指导管架安装完成、平台投产运行后的受力状态模拟。在这种状态下，对浮力是没有要求的。二是：在位前分析；即：安装分析。在安装设计时，导管架不但要具备足够的浮力，而且，这些浮力需要有合适的分布，以使导管架在自浮时具备良好的浮态，并具有足够的稳性。

导管架通常是由圆柱型钢构件组成。为了使导管架具备足够的储备浮力，通常，采用增加杆件直径的方法达到增加总浮力目的。其主要原因是：这种方法，要比采用刚性浮筒来增加浮力的方法不仅便宜，而且，有利于导管架的安装。但采用增加杆件直径的方法，却给在位分析带来了非常不利的影响，其主要体现在以下两个方面：

1)直径的增加降低了杆件抗水压的能力，而杆件需要增加壁厚或加抗压环来满足设计要求，结果是增加了杆件的重量；

2)导管架在位时，易受到波浪力和流力的影响，而波浪力和流力是和杆件直径大小密切相关的。这些力主要集中在水线面以下几十米(波浪敏感区)范围内。如果能把位于波浪敏感区的杆件直径降低，便可以直接、有效地降低导管架所承受的环境力。而与此相矛盾的是：波浪敏感区正是在安装过程中，为获得良好漂浮性能和储备浮力，需要增加浮力的区域。这是一对矛盾，而解决这一对矛盾的最佳方案是：以导管架最佳在位状态设计为基础和目标，选择不同的安装方法使导管架能够安全、顺利的完成海上安装。

杆件直径(D)/杆件壁厚(t)的比值是衡量杆件能否产生净浮力的一个重要参数。当D/t＝30时，杆件所产生的净浮力＝0.0；当D/t小于30时，杆件所产生的净浮力是负值；当D/t大于30时，杆件所产生的净浮力是正值。在传统的设计理念和设计方法中，在波浪敏感区D/t值的选取，通常都在30-60范围之间。

根据圆柱体杆件在波浪下受力的经典计算公式(MorrisonEquation)：

F＝1/2*Cd*ρ*D*V²+Cm*ρ*∏/4*D²*a

其中：F＝杆件在单位长度上受到的波浪力

1/2*Cd*ρ*D*V²＝杆件受到的拖曳力；Cd＝拖曳力系数；D＝杆件的直径；V＝流速；ρ为质量比重。

Cm*ρ*∏/4*D²*a＝杆件受到的惯性力；Cm＝惯性力系数；D＝杆件的直径；a＝水质点的加速度；∏为圆周率。

从以上的计算公式可以看出，拖曳力和杆件直径成线性关系，惯性力和杆件直径成平方关系。因此，降低杆件直径是减小导管架受力的最直接方法，特别是降低波浪敏感区杆件的直径。

以一个典型波浪敏感区的主腿杆件为例：

例一：杆件直径(D)＝2400mm，杆件壁厚(t)＝80mm；D/t＝30

例二：杆件直径(D)＝1600mm，杆件壁厚(t)＝80mm；D/t＝20

二者之间的受力比较：例二杆件受到的拖曳力比例一杆件受到的拖曳力减少了33％；而杆件受到的惯性力也减少了56％；

二者之间在单位长度上钢重量的比较：例二杆件在单位长度上钢重量比例一杆件在单位长度上钢重量减少了33％；而杆件在单位长度上的浮力则减少56％。

从以上计算中可以看出，减小杆件的直径，并相应增加杆件壁厚以保持杆件同等刚度，同时，可以有效地降低杆件的受力。杆件的钢重量对于杆件的壁厚非常敏感，杆件的浮力对杆件直径也非常敏感，而与杆件壁厚无关。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种利用气囊对深水导管架进行海上安装的方法，其在满足现有导管架设计规范的前提下，能够将深水导管架中，位于波浪敏感区域杆件的直径设计到在导管架杆件建造允许的最小值，即：D/t＝20；从而，有效地的降低了导管架所承受的环境力，并从根本上降低了对导管架刚度的需求，进而降低了导管架的重量；同时，在外加气囊帮助下，深水导管架下水后，能够垂直自浮，不仅简化了导管架的安装工序，缩短导管架海上安装的施工工期，而且，降低了海上安装的成本。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

一种利用气囊对深水导管架进行海上安装的方法，设有：导管架，其特征在于：在导管架上部垂直安装有数个气囊组，导管架上还安装有充放气连接管，该充放气连接管的一端通过一个充放气软管与一个气囊组连接为一体；充放气连接管的另一端与安置在导管架顶部的液压控制系统相连接；通过上述连接构成一增加导管架净浮力的浮力结构。

所述气囊组是由数个气囊连接构成；气囊的结构为：中部为软性浮筒，两端各安装一锥形封头，其中，两个锥形封头的端部安装有吊环，而位于前端锥形封头的吊环上安装有气压表，软性浮筒的对应两侧表面各设置数排吊环；数个气囊的连接方式是：将数个气囊水平排列在一起，并采用钢缆连接的方式将设在软性浮筒相对两侧表面的数排吊环连接为一平面体，构成一个整体气囊组。

所述深水导管架包括：四个主腿杆件，与主腿杆件相连的数水平杆件和设在其间的斜撑杆件，通过上述连接构成一塔状结构的导管架。

所述气囊组垂直环绕绑扎在导管架的主腿杆件上，环绕绑扎后，再将设在气囊组两端的吊环和设在导管架的主腿杆件表面上的吊点连接为一体，并构成一个导管架下水后，能达到垂直自浮导管架的安装形式。

所述导管架海上安装步骤如下：

第一步：将导管架安装在运输船上；且将数个气囊组环绕绑扎在导管架的主腿杆件上，数个气囊组在运输过程中，按设计标准充满气；

第二步：将导管架运输至安装地点后，对气囊组进行气压测试，如发现有压力不足的气囊组，由安置在导管架顶部的液压控制系统控制充气，将每个气囊组按设计标准充满气体；然后，增加运输船艉部吃水，在导管架达到下水纵倾角后，将导管架滑移下水；

第三步：导管架入水自浮正后，启用吊机，将导管架吊起，并移至安装地点，再对一些气囊组逐步进行放气，并控制导管架吃水深度直至达到海底，并坐底；

第四步：将所有气囊组进行放气，导管架安置完毕后，将气囊组和液压控制系统与导管架解脱，并回收。

所述水下气囊组拆除和回收采用以下具体步骤：

1)将气囊组中的每个气囊放气到设定气压；

2)利用水下机器人垂直剪断一排连接气囊组中的每个气囊侧面水平吊环的钢缆，使绑扎在杆件表面的气囊组，能从杆件侧面解脱；

3)利用水下机器人剪断一端的钢缆，使挂在钢缆上所有吊环自动解脱；

4)将另一端的钢缆也剪断，以使整个气囊组完全与杆件脱离，并利于气囊组中的每个气囊的残余浮力浮至水面；

5)将漂浮到水面的气囊组整体起吊，并放置在运输船甲板上，以便运输和回收保存。

本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，其在满足现有导管架设计规范的前提下，能够将深水导管架中，位于波浪敏感区域杆件的直径设计到在导管架杆件建造中所允许的最小值，即：D/t＝20；从而，有效地的降低了导管架所承受的环境力，并从根本上降低了对导管架刚度的需求，进而降低了导管架的重量；同时，在外加气囊帮助下，深水导管架下水后，能够垂直自浮，不仅简化了导管架的安装工序，缩短导管架海上安装的施工工期，而且，降低了海上安装的成本。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明：

图1A为本发明气囊结构侧视示意图。

图1B为本发明两侧带有吊环的气囊的剖面示意图。

图2A为本发明深水导管架运输状态下的侧视图。

图2B为本发明深水导管架下水后的水平浮态侧视图。

图2C为本发明深水导管架在位侧视图。

图3A为本发明深水导管架运输状态下的侧视图。

图3B为本发明深水导管架下水后垂直浮态的侧视图。

图3C为本发明深水导管架在位侧视图。

图4A本发明由多个气囊水平连接而成的气囊组平面图。

图4B本发明气囊组和导管架主腿杆件环绕绑扎平面图。

图中主要标号说明：

1.气囊、2.封头、3.吊环、4.水平面、5.海底平面、6.气压表、7.吊环、8.导管架、9.吊点、10.主腿杆件、11.水平杆件、12.斜撑杆件、13.下水驳船、14.钢缆、15.气囊组、16.连接钢缆、17.充放气半圆管、18.充放气软管。

具体实施方式

如图1A所示，本发明所采用的气囊1的结构为：中部为软性浮筒，两端各安装一锥形封头2，其中，两个锥形封头2的端部安装有吊环3，锥形封头2的前端吊环3上安装有气压表6；

如图1B所示，在软性浮筒的相对两侧表面各设置数排吊环7，吊环7可以用于一个气囊1与另一个气囊1之间的连接。

如图2A至图2C所示，本发明所采用的导管架8，包括：四个主腿杆件10，与四个主腿杆件10相连的数层水平杆件11和设在其间的斜撑杆件12，通过上述连接构成一塔状结构的导管架；

导管架8下水后，在水平面4以下呈水平自浮状态。依据传统深水导管架8的设计理念，导管架8的主腿杆件10，水平杆件11和斜撑杆件12的杆件直径(D)/杆件壁厚(t)的比值，大多数都是在30到60之间。且每个杆件都能产生净浮力，以满足导管架总体储备的浮力要求，通常，设计规范要求储备浮力是在12％以上。

如图4A所示，将数个气囊1水平排列在一起，并采用钢缆14连接的方式将设在软性浮筒相对两侧表面的数排吊环7连接为一平面体，构成一个整体气囊组15。

如图4B所示，将连接后的整体气囊组15，垂直环绕绑扎在位于导管架8的主腿杆件10上，然后，再将整体气囊组15环绕绑扎中，所剩的两排没有连接的吊环7用钢缆14连接，以完成环绕绑扎。

如图4B所示，在完成环绕绑扎后，再对设在气囊组15两端的吊环3进行固定连接。其连接方式是采用钢缆连接方式将设在气囊组15两端的吊环3和设在导管架8的主腿杆件10表面上的吊点9连接为一体。本实施例是：将钢缆14穿过主腿杆件10表面上的数个吊点9，然后，再将气囊1一端的吊环3用钢缆14依次穿过所有吊点9进行连接(连接的形式可以是由连接钢缆16的一头与吊环3连接，另一头是一个吊环让钢缆14穿过)。这样的固定方式给水下拆除提供了便利，只要用机器人(ROV)将其中一端钢缆14剪断，这端所有吊环3就能同时解脱。通过上述安装构成一个导管架8下水后，能达到垂直自浮导管架的安装形式。

气囊组15与导管架8水平杆件11的环绕绑扎形式与主腿杆件10的绑扎形式相同。

如图4B所示，在位于气囊组15顶端的导管架8主腿杆件10表面上采用焊接方式安装有一连接管，本实施例的连接管为充放气半圆管17。该充放气半圆管17通过一个充放气软管18与每个设在气囊1顶部的充放气口连接，其中，充放气软管18一端与气囊1的充放气口连接，另一端和充放气半圆管17上的充放气接口连接。

而气压的控制是通过充放气半圆管17和安置在导管架8顶部液压控制系统来完成，充放气半圆管17与导管架8顶部控制系统连接是通过传统液压管线来完成的。

当拆除和回收水下气囊组15与导管架8的主腿杆件10的绑扎时，可按以下步骤进行：

(1)通过安置在导管架8顶部液压控制系统，将设在气囊1一端的放气阀门打开放气到设定气压，气囊组15仍然具有设计要求的一定净浮力；

(2)采用机器人(ROV)剪断位于气囊组15顶部连接用的钢缆14，以释放顶部所有吊环3。

(3)采用机器人(ROV)剪断一排吊环7连接的钢缆14，使整个气囊组15与主腿杆件10水平脱离，气囊组15水平脱离后，应保持垂直浮态；

(4)再用水下机器人(ROV)剪断连接气囊组15底端连接的钢缆14以释放所有底端的吊环3。这时，气囊组15完全与导管架8的主腿杆件10脱离，并依托气囊1的剩余浮力浮至水平面4后，再起吊回收。

如图3A所示，所有气囊组15在导管架8装船前，应充气到设计气压，所有气囊1在安装过程中，需要保持这个设计气压。将数个气囊组15垂直和导管架8的主腿杆件10进行绑扎。

由于通过气囊1提供浮力，导管架8的总体储备浮力非常容易达到设计规范要求的12％。

如图3B所示，导管架8下水后处于垂直自浮状态。安置于导管架8上部的数个气囊组15，提高了导管架8的浮心高度，从而，提高了其自浮稳定性。同时，位于水平面5的数个气囊组15增加了导管架8在水平面上的切面面积，从而进一步地提高了导管架8的自浮稳定性。这两项组合能够使大多数依据传统导管架8设计方法不能自扶正的导管架8达到垂直自浮正。

垂直自浮正，可以省去导管架8辅助扶正的海上操作，从而，节省了导管架8海上安装作业的时间和费用。

如图3C所示，为本发明深水导管架8在位侧面图，在这个状态下，所有气囊组15都已拆除回收，导管架8矗立在海底平面5上。

本发明采用以下安装步骤：

第一步：将导管架8安装在运输船上；且将数个气囊组垂直环绕绑扎在导管架8的主腿杆件10上，气囊组在运输过程中，按设计标准充满气；本实施例：运输船为下水驳船13。

第二步：将导管架8运输至安装地点后，在运输船上进行气囊组气压测试，如发现有压力不足的气囊组，可由安置在导管架顶部的液压控制系统控制充气，将每个气囊组按设计标准充满气体；然后，增加运输船艉部吃水，在导管架8达到下水纵倾角后，将导管架8滑移下水；

第三步：导管架8入水后，启用起吊船的吊机，将导管架吊起，并移至安装地点。再对一些气囊组逐步进行放气，并控制导管架吃水深度直至达到海底，并坐底；

第四步：将所有气囊组进行放气，以增加导管架坐底重量和坐底稳性，导管架8安置完毕后，将气囊组和液压控制系统与导管架8解脱，并回收。

水下气囊组拆除和回收时，所推荐的方式是：

1)将所有气囊1放气到一定气压；

2)利用水下机器人(ROV)垂直剪断一排连接气囊1侧面水平吊环7的钢缆14，使绑扎在杆件表面的气囊组15能从杆件侧面解脱；

3)利用水下机器人(ROV)剪断一端的连接钢缆16，而使挂在钢缆上所有吊环3自动解脱；

4)再将另一端的连接钢缆16也剪断，以使整个气囊组15完全与杆件脱离，并利于气囊1残余浮力浮至水面；

5)利用现场工作船和浮吊的合作，将漂浮到水面的气囊组15整体起吊并放置在运输船甲板上，以便运输和回收保存。

本发明的优点：

①本发明由于采用上述方法，使得深水导管架在波浪敏感区大部分杆件由传统设计的：杆件直径(D)/杆件壁厚(t)的比值＝30～45，变为：杆件直径(D)/杆件壁厚(t)的比值＝20～25。换句话说，在波浪敏感区绝大部分导管架8杆件都是在满足所需刚度的前提下都变细了。

②由于导管架8所受到的总体波浪力降低了，对于导管架8在位状态下带来的有益效果如下：

a)由于导管架8所受到的总体波浪力降低了，因此，导管架所需桩的数量，也就有可能相应地减少；其所需桩的入泥深度也会降低。按照传统设计理念：一个需要16根桩的导管架8按照新的设计理念就有可能把桩的数量减少到12根；一个需要12根桩的导管架8就有可能把桩的数量减少到8根。桩的数量减少可以直接减少了用钢量，并相应地缩短了导管架海上的安装时间，从而，降低了导管架的安装费用；

b)总体受力的减少，从根本上降低了对导管架刚度的需求，从而，降低了导管架的重量；

c)由于杆件直径的减小，杆件抗水压的能力得到了很大提高；从而，进一步降低了杆件的壁厚，减少或取消杆件的静水压溃环，从而，降低了导管架的重量。

③由于软性气囊绑扎在导管架上部主要杆件上，对导管架的安装带来的有益效果如下：

a)由于大量的气囊1都被放置在导管架8的上部，这就提供了导管架的垂直自浮稳定性，因此，在深水中导管架都可以采用垂直自浮正形式，以简化安装过程和缩短安装时间，从而降低了导管架的安装费用；

b)在导管架8顶部控制气囊的放气，可以取代传统导管架8压载舱充水的功能，采用同样的操作方法，可以在导管架顶部统一操作和控制气囊或者气囊组的放气，从而，节省了导管架压载水系统的费用；

④本发明所提出的新型设计理念和设计方法，更适用于恶劣环境下的导管架；导管架所受到的力分两部分：1)自身的重量；2)由波浪和风引起的环境力。重量的大小取决于平台上层组块的重量；环境力的大小在各个海域是不同的。本发明提出的新型设计理念和设计方法的一个核心就是能有效地降低导管架8受到的环境力，所以，它对于恶劣环境下的导管架8设计贡献会更大。

⑤本发明提出的新型设计理念和设计方法，最重要一点就是：使用软性浮筒，即：气囊1与导管架8杆件绑扎，以增加导管架8的净浮力。而增加的净浮力可以补偿导管架8因杆件D/t降低而损失的净浮力；在气囊组顶端圆柱体表面焊接上一圈半圆型钢管并在半圆管表面安置插入式球型接口。每一个气囊1顶部的充放气阀门都通过一个软管和相对应的插入式球型接口连接。半圆型钢管上还安装一个液压控制的充放气阀门。这个阀门，再通过液压管线与安置在导管架顶部的控制中心连接。采用这种系统，每一组的气囊都可以通过控制中心来放气和充气。同时，当每组气囊15解除绑扎浮向水面时，位于软管顶部的球型插头在气囊浮力的影响下主动和圆型钢管表面安置的插入式球型接口脱离。

上述液压控制系统、气囊为现有技术，未作说明的技术为现有技术。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种利用气囊对深水导管架进行海上安装的方法，设有：导管架，其特征在于：在导管架上部垂直安装有数个气囊组，导管架上还安装有充放气连接管，该充放气连接管的一端通过一个充放气软管与一个气囊组连接为一体；充放气连接管的另一端与安置在导管架顶部的液压控制系统相连接；通过上述连接构成一增加导管架净浮力的浮力结构；其中，气囊组垂直环绕绑扎在导管架的主腿杆件上，环绕绑扎后，再将设在气囊组两端的吊环和设在导管架的主腿杆件表面上的吊点连接为一体，并构成一个导管架下水后，能达到垂直自浮导管架的安装形式；

导管架海上安装步骤如下：

第一步：将导管架安装在运输船上；且将数个气囊组环绕绑扎在导管架的主腿杆件上，数个气囊组在运输过程中，按设计标准充满气；

第二步：将导管架运输至安装地点后，对气囊组进行气压测试，如发现有压力不足的气囊组，由安置在导管架顶部的液压控制系统控制充气，将每个气囊组按设计标准充满气体；然后，增加运输船艉部吃水，在导管架达到下水纵倾角后，将导管架滑移下水；

第三步：导管架入水自浮正后，启用吊机，将导管架吊起，并移至安装地点，再对一些气囊组逐步进行放气，并控制导管架吃水深度直至达到海底，并坐底；

第四步：将所有气囊组进行放气，导管架安置完毕后，将气囊组和液压控制系统与导管架解脱，并回收；

水下气囊组拆除和回收采用以下具体步骤：

1)将气囊组中的每个气囊放气到设定气压；

2)利用水下机器人垂直剪断一排连接气囊组中的每个气囊侧面水平吊环的钢缆，使绑扎在杆件表面的气囊组，能从杆件侧面解脱；

3)利用水下机器人剪断一端的钢缆，使挂在钢缆上所有吊环自动解脱；

4)将另一端的钢缆也剪断，以使整个气囊组完全与杆件脱离，并利于气囊组中的每个气囊的残余浮力浮至水面；

5)将漂浮到水面的气囊组整体起吊，并放置在运输船甲板上，以便运输和回收保存。

2.根据权利要求1所述的利用气囊对深水导管架进行海上安装的方法，其特征在于：所述气囊组是由数个气囊连接构成；气囊的结构为：中部为软性浮筒，两端各安装一锥形封头，其中，两个锥形封头的端部安装有吊环，而位于前端锥形封头的吊环上安装有气压表，软性浮筒的对应两侧表面各设置数排吊环；数个气囊的连接方式是：将数个气囊水平排列在一起，并采用钢缆连接的方式将设在软性浮筒相对两侧表面的数排吊环连接为一平面体，构成一个整体气囊组。

3.根据权利要求1所述的利用气囊对深水导管架进行海上安装的方法，其特征在于：所述深水导管架包括：四个主腿杆件，与主腿杆件相连的数水平杆件和设在其间的斜撑杆件，通过上述连接构成一塔状结构的导管架。