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摘要 ：随着我国海洋油气田向深海开发，我国正在大 量建设超巨型导管钢架，而海上石油钻井平台中的万吨导 管钢架施工难度大、技术要求高、操作风险大。以我国早 期海洋油田开发工程中的万吨导管钢架施工为参考依据， 简单阐述了导管钢架建造方法，并介绍了导管钢架平台制 造工艺流程情况，最后指出建造工艺的主要影响因素及注 意事项，希望能为国内外同类管架或大型基础结构的设计 与建造提供技术支撑。
关键词 ：超大型导管架,建造工艺,限制因素
随着科学技术的发展，油气资源从浅水区逐渐发展到 了深水区。随着深度的增加， 海城的环境变得越来越复杂， 支撑着海上油气田的平台的基础设施(管架)也越来越大， 重量也达到了数万吨。导管架既要能完全抵御海洋环境的 冲击和腐蚀，又要保证平台的各项系统设备和人员的正常 工作、生活， 故其建造工艺质量必须达到相应的技术标准。
1 导管架建造方法
导管架的施工方法主要可分为立式施工和卧式施工两 种。浅海导管架的整体高度相对较低，根据导管架的结构 形式、场地条件、装船方式、海上安装方式等条件， 可以采 用立式或卧式两种方式。超大型管架因其整体高度较高而 均为卧式施工。
2 导管架平台制造工艺流程
2.1 导管架平台上部结构制造工艺
上部构造包括不同的块体，或称上层平台。根据导管 架式平台的尺寸，上层结构可以由多层甲板或单层甲板构 成。组块结构的制造与船的平面段制造流程相似，即为钢 的预加工→下料切割(钢板和型材) →理料→零件装辉→ 组块分段制作→分段喷涂→滑道区域的组装和下水等工 序构成它的制造过程。
目前，上部结构块体的施工方法主要有组块分道焊 接法和分段焊接法。组块分道焊接方法。首先，把这些组 块进行分层，并根据设备单位的安装要求，对每一层甲板 进行拼装和制造。在甲板分段施工中，通常采取分段施工 法，先完成部分方案的预舾装，在总组装区进行分段翻转 和局部预舾装，最后进行整体装配。分段焊接法。根据构件的构造特征，将构件按其对应的构件划分为若干大断 面，首先对构件进行分段构件的预制，他们会将相应的甲 板片(通常都是反造法)，然后进行预舾装、分段涂装，在 总组装区完成分段翻转和局部预舾装工作后， 才进行滑轨 的装配。
2.2 导管架平台总装工艺
2.2.1 上部结构装配技术
上部构件的滑道区装配工艺按照分道焊接或分段焊 接的需要， 将来自厂房或外部场地的上部构件， 采用履带 起重机或大型龙门起重机进行分段翻转，将上部构件按 标准状态置于滑道一侧的平台上。再用塔吊或汽车起重 机把上部结构的设备、管子和电仪设备安装就位，最后， 采用大轨道起重机将整个上部结构分段安装到导轨的总 装位置。
2.2.2 上部结构下水和装船工艺
上层结构下水通常采用滑动下水法，即上层结构的每 个支腿都装有滑靴，滑靴的面积根据上部结构的尺寸而变 化。滑靴与水泥垫片相接触，两个滑轨上铺有水泥垫片， 并在它们之间涂上牛油。在装载上部结构时， 应采取拖拉、 滑动的方法，通过连接在驳船上的缆车，把上层的结构拉 上船，同时，由于船体上部结构的重心和水位的变动，对 船舶进行适当的压载调节。等到整个船体都被安全的拖上 了驳船，然后进行加固，最后通过海路将其搬运到海上。 另外，上结构的装载形式也包括液压轨道小车运输、液压 电动平板车运输， 以及使用大型浮吊运输。
2.2.3 上部结构的海上吊装和合拔
上部结构在海洋中的起重形式与其上结构的吨位有 关。对于较小的、功能更简单的上部结构，它的海上安装 可以采用整体吊装，也就是通过海上的浮吊将整个上部结 构吊起来，接着将其与相应的下层导管架或平台结构连接 起来。在高水位的上部结构中，多个浮吊组合吊装和浮拉 施工是较为普遍的做法。另外，还可以采取海上大合拢分 段吊装的方式。
3 建造工艺的主要影响因素及注意事项
影响和限制超大型管道架施工技术的因素有很多，本 文就其主要影响因素及应着重关注的问题进行了讨论。
3.1 施工现场的选定与检验
超大型导管架因其体积大、重量大，对施工场地容量 有很高的要求。建造的要求仅限于在海上施工现场的滑 道、加固处理的施工区域或船坞的大平台。在基础设计阶 段，导管架的重量最大值已经基本确定。目前我国滑道标 准(例如 30000t型滑道、800t型滑道) 的界定是在一定的、 容许的载荷条件下所进行，而不是结构体质量低于滑道级 别就能达到承载要求。在决定施工地点时，需要审查和考 虑的主要因素有。
(1)滑道的整体强度及局部强度由导轨支架与滑道之 间的支撑结构长度及承压区域来确定。
(2)由于超大型导管架具有很大的体积，为了防止滑 道沉降对施工质量的影响，施工过程中还要考虑滑道沉降 对施工的影响。
(3)在导管架悬挑出滑道外侧结构的临时支座上，必 须检查其承载能力和沉降量，如有必要，可以进行基础处 理或增加衬垫。
(4)由于超大型导管架的起重设备数量庞大，需要检 查起重机械的工作区域及步行路径的基础承载力，并划定 大型起重机械作业区(特别是码头前部)。成熟施工场地的 滑道两侧地面， 通常经过强夯、换填等基础处理。但是， 随 着起重机械的吨位不断增大，在起重过程中，因基础沉降 而引起的起重事故在国内外屡见不鲜。因此，需要进行基 础承载力的检验， 并在必要时进行实地测量。
3.2 滑道上建造高度的测定
在施工现场，超大型导管架的施工高度通常要考虑如 下几个因素。
(1)在施工和运输期间，导管架的最低高度与地面的 安全距离。由于超大型导管架均为裙式结构，在导管架主 结构的外部，卧式建造，会比管道支架主体结构的下侧支 撑面低， 这是决定导管架在滑道上的第一个因素。
(2)在导管架安装过程中，调载能力、潮差、气候窗、 码头前沿水深等因素对导管架施工的高度的需求。
(3)对施工现场已有的滑道进行优先使用。一般成熟 施工场地都设有与滑道相匹配的滑道块体，当已有的滑道 块体或其组合高度不能满足时，可采用新的滑道块进行调 整。为了使最少的投入达到最大的要求，在新建的滑道区 块中必须考虑到普适性。
滑道高度应以施工高度最小为原则，以减少空间作业 的困难、提高工作效率。
3.3 装运、海上安装条件等因素
海洋工程结构物装船一般采用滑动装船、起重装船和 滚装船，海上安装一般采用的是起重和滑动式(组合件也是浮掩式)。超大型导管架因其体积大、重量大，现有的海 上起重能力难以实现。在国内外，只有在大型船舶上使用 过上万吨的大型结构物滚装船。因此，我国制造的超大型 管道架式船舶及下水方式都是采用滑动装船和滑动式下 水。装运、海上安装条件对施工工艺主要有以下几个方面 的影响。
(1)拖曳装置的装载能力对导管架的牵引摩擦力的要 求。超巨型导管架因其重量逾万吨， 若使用常规起重机械， 且在滑动面上使用木材与钢板摩擦，无法满足牵引作业的 需要。目前，在牵引装置上常用的是拉力式千斤顶，施工 时通常选用木材与钢板之间的摩擦较少的木材。
(2)超大型导管架只能通过滑动方式进行下水。运输 装置船为下水驳船，下水驳船尾设有下水摇。例如，在某 些管架上，其摇臂伸出船身数十米(也就是说，当导管架 伸出码头数十米的时候，摇杆不会受到任何的影响，从而 加重了码头的压力)，同时，由于在拖拉过程中的风、波浪 的影响，使得驳船摇摆、晃动，使得码头前端和码头后端 的滑道块受力增大。因此， 在施工中， 必须注意以下几点 ： 首先，对船坞的边坡承载能力进行分析、计算 ;其次，将 码头前沿的滑道材料从钢筋混凝土换成钢结构，并对其强 度进行计算。
3.4 施工场地吊装设备能力
施工单位的起重设备运行能力和数量是决定超大型 管道架设工艺的关键，也是确定立件、扣件、旋转立片和 成批数量的关键。所以在选用现场施工设备时应做好前 期测验，根据施工的具体需要和未来发展需要，采用较大 的起重机械，可以降低分片的数目，并能更灵活地进行分 片、施工方法和制程的选择，同时，降低了施工工作空间， 从而提高施工的质量和工作效率。大型起重机的投资不仅 要考虑到企业自身的资金情况，还要考虑到资源的市场状 况，再者还要综合评价工程造价、施工速度、施工效率等 各项经济指标， 以求获得更大的经济效益。
3.5 架构形式
导管架的构造是决定施工过程的一个重要因素，要引 起相关人员的重视，在施工次序的选择上，要根据管道的 构造特性进行合理的分段和施工次序。
3.6 施工单位的施工能力和设计经验
导管架的施工技术需要依据工程单位的设计、施工能 力和经验来决定。目前， 我国青岛海域已完成超长导管架。 随着导管架施工技术的不断发展，从人工计算向专业软 件的方向发展，导管架的运载能力也从数十吨增加到了数 千吨。采用专用计算软件进行施工和吊装分析，使复杂的 施工技术和计算难度大的施工技术得以全面发展。SACS.ANSYS 是目前海洋石油项目中常用的起重分析和计算方 法。SACS是一种具有高度专业性的整体吊装计算软件，它 包括20余种不同的计算模块，其功能十分强大，目前已经 被全球上百家海上工程公司所采用。ANSYS是一种集结构 分析、流体分析、电场分析、磁场分析、声场分析于一体的 大型通用分析软件。目前，我国在超大型管道架桥的具体 设计阶段，已经采取了多种软件相互校核、单独检查的方 法。针对大件起重工艺设计阶段的分析，可以参考上述模 型。另外，在运用计算机辅助进行吊装分析的过程中，提 出了要加强人工运算能力的训练，并建立起整体结构的计 算思维，并对其进行全面的判断。如果没有设计、施工的 经验，在制订施工过程中要注意加强论证，比如第一次进 行大规模的吊装(特别是第一次)必须充分的论证，如果 没有足够的经验，可以采用外力。导管架施工工艺是否先 进合理，并非单纯以分段尺寸、重最、立片技术的复杂性 来衡量。在保证工程的时间和质量的基础上，适宜于施工 单位的技术和能力，并具有良好的经济指标的施工工艺即 为良好的施工工艺。
3.7 建造尺寸精度因素
由于导管架是钢结构，其焊接后的收缩变形会导致最 终的加工误差增大。导管架的尺寸和施工工艺的最终公差 均一致，这使得超大型管道支架的尺寸控制变得越来越困 难。这就要求在施工过程中，要制定更严格的分段制造公 差，以防止累积公差超过规范和要求。同时，由于导管架 与平台并不在施工现场，应注意导管架与平台的相对尺寸 公差，特别是有井口的超大型导管架，井口同心度的精确 度更是重中之重。在超大型导管架上，也要注意防沉板的 安装位置。就某些导管架而言，由于在海上安装时没有安 装平衡器，所以在安装导管架之前，必须依据测量到的海 底地形高度，对防沉板最后的安装尺寸进行调整。另外， 为了强化管径的控制，在导管架的施工中，采用测量座标 控制网络， 以强化管径的控制， 更好提高测量的准确性。
3.8 工期及物料到货制约因素
目前，我国超大型导管架施工进度较为紧张，比如某 些导管架工期十个月左右，因此在确定导管架的施工工艺 时，要充分考虑到工期的限制，并合理地安排施工顺序， 同时，也要考虑到原材料到达延误对施工工艺的影响，特 别是配件的配置完善度与运送速率是否满足要求(进口数 量大， 交货周期长)。
3.9 焊接质量影响因素
超大型导管支架的管道和拉筋都具有很大的壁厚，所以对其焊接质量有很高的要求。对施工人员素质、接缝 工艺的配合与运用都具有较高的要求。在某些导管架的 早期进行了焊接后的热处理，发现部分管道出现过热现 象，通过 CTOD 实验，对该技术进行了改进，使其得到较 好的解决。
3.10 涡激振动效应
导管架的主杆截面为柱状，在风向的作用下，在杆的 两边交替形成一个旋转的旋涡。这些交替分布的旋流，使 圆柱产生了沿柱体方向的方向和横流方向的周期性的波 动。把这种风力与管道架杆之间的相互作用叫做涡振。在 导管架杆件自振频率接近于涡流分布时，会产生谐振失 效。由于潜水导管架的长度很小，通常不会发生涡振，超 型导管架结构尺寸大、长杆细，易产生涡激振动，因此在 施工、运输时应尽量避免杆件的涡激振动。防止风涡振通 常有两种方法，一是加强杆件的刚度，改变杆件的固有频 率，另一种是通过改变杆件后的风尾流动来打破旋涡的规 律释放。关于杆件振动频率变化应采取的方法，在具体的 设计阶段设计时应事先加以考虑，在施工中，尽可能地避 免在一端固定一节细长的杆件，可以通过在杆身上悬挂沙 包等方法。在计算方法上，通常采用规避法，并结合雷诺 数法和振幅法对杆件进行校核。在改变风尾的流场时，常 用的是在杆上缠绕麻绳，以及现在普遍采用的“狗骨头” 装置，以干扰杆后的风场，以防止产生涡激振动。现有的 理论计算方法并不能百分百地保证杆件不会产生涡振，通 常采用理论分析和经验分析相结合的方法。
3.11 其它限制条件
另外，还有许多其它的因素会对施工过程产生影响， 希望也能够引起相关人员重视。比如，在脚手架分段预制 阶段，在建筑结构上安装脚手架，对正在建设的项目和将 要开工的项目产生的影响等都是影响施工工艺的因素。
4 结语
随着国内外油气勘察的重点逐步向深海区域转移，今 后我国石油天然气管线的建设将会越来越多，如何制定合 理、高效、经济、符合国情的大型导管架施工工艺， 是不断 提高技术水平，成为各油田的重要任务。同时也为中国的 海上油气工业打下了坚实基础。
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