内转塔式FPSO单点建造脚手架难点分析

王永召

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)

0 引 言

脚手架具有搬运便捷、搭设拆除灵活、承载能力强、适应范围广等优点，现已被广泛应用于船舶、海洋工程、建筑和桥梁等行业。钢管脚手架发展始于20世纪初，英国应用连接件与钢管组成的扣件式钢管脚手架，后来美国引入门式脚手架，因其拆装方便，被欧洲其他国家和日本纷纷引进，日本在工程实践基础上逐渐形成技术标准。20世纪70年代，钢管脚手架开始引入我国[1]。随着脚手架在各个行业的广泛应用，脚手架的构造衍生出多种样式，包括满堂脚手架、吊式脚手架、悬挑脚手架、单(双)排脚手架、附着式脚手架等。在使用脚手架的过程中，脚手架施工方面的问题日益突出，脚手架极限搭设高度、极限承载能力、稳定性等安全施工技术问题越来越引起人们的重视，尤其在走向深海开发的海洋工程领域，对脚手架的安全施工需求越来越迫切。

目前，国内各大院校、施工企业、研究机构等针对脚手架的技术、计算与工程应用开展相关研究，研究方法包括有限元分析、数值模拟和试验验证等。贾莉[2]、庄明智[3]、赵小童[4]通过足尺试验、有限元、理论分析等开展满堂脚手架的力学性能研究，推导扣件式钢管满堂脚手架极限承载力的简化计算公式，基于半刚性节点对扣件进行研究，同时对满堂脚手架的整体稳性承载力进行研究，采用有限元方法研究铰接与半刚性节点两种方式对满堂脚手架稳定性的不同影响。余明淦等[5]针对浅水导管架对悬挑脚手架的选型进行分析，总结支撑型钢的计算方法。陈凯荟[6]通过有限元和试验验证研究风载荷对脚手架极限承载力的影响。余成涛[7]通过有限元研究风载荷对建筑外挂脚手架稳定性的影响。陈津锋[8]通过数值分析研究风载荷对附着式升降脚手架的影响。

虽然在脚手架承载方面已有较多的基础研究，但目前尚无针对深水海洋工程建造领域的脚手架施工难点进行的相关研究。因此，本文以工程实际为例开展深水海洋工程脚手架难点分析，为同类型的施工提供借鉴参考。浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)是集海上油气生产处理、储存外输、动力供应及生活支持于一体的可移动综合性大型海上生产设施，长期系泊于固定海域，是海上油气开采的关键核心装置[9]。内转塔式FPSO作为目前海洋石油开发中常用的一种油田解决方案[10]，是一个紧凑的多功能结构，由多个独立的子系统组成复杂但设备齐全的完整系统。内转塔式单点与常规海洋工程结构物类似，其各个模块在建造过程中需要脚手架作为临时辅助平台。由于其每个组构件建造精度要求高，工艺设计复杂，空间紧凑，因此建造时所需要的脚手架辅助平台的设计难度也较大。钢扣件式脚手架是海洋工程领域应用较广泛的一种脚手架。如何在复杂紧凑的单点建造中搭设脚手架，既安全可靠，又可确保多专业便携施工，这是一项严峻的挑战。本文结合该单点的建造工艺，针对内转塔式单点建造过程中的脚手架难点进行分析。

1 内转塔式FPSO单点系泊系统

南海某油田开发项目FPSO采用内转塔式单点系泊系统，设计作业水深为421 m，使用寿命为30 a，15 a不进坞。单点装置位于FPSO船首处。该单点系泊系统与FPSO船体结构采用集成一体的形式，是单轴承支撑的内转塔式系泊系统，采用锚链连接直径为5.5 m的吸力锚系泊。除吸力锚外，该单点系泊系统还包括下塔体、管汇平台、塔架和滑环系统[11]。如图1所示：下塔体包含止链器、锚链盘、轴承支撑结构和中塔体等4个部分；管汇平台包含立管和脐带缆甲板、ESDV甲板、PIG甲板、设备甲板、卷扬机支撑、滑环支撑和各专业系统；塔架包含4根导管腿、中间甲板、上部塔架和滑环系统。单点系泊系统之一的吸力锚在建造时脚手架常规搭设即可，难度不大。主要探讨下塔体、管汇平台和塔架的脚手架设计难点。单点各模块分体的主要参数如表1所示。

表1 内转塔式FPSO单点各模块分体主要参数

图1 内转塔式FPSO单点组成

2 内转塔式单点建造工艺

内转塔式单点系泊系统的各个模块分体(下塔体、管汇平台、塔架及滑环系统)分别独立建造，各部分虽然形态各异、占用场地与设备资源不同，但整体的建造工艺流程基本一致，包括：(1)下料。钢板、型材进行切割下料。(2)杆件预制。将下料完成的钢板、管状筋板等预制组合梁，将钢板卷制成管段。(3)分片、分组预制。在预制场地进行组对、焊接施工，严格控制变形，确保施工满足精度要求。(4)一体化预舾装。结构件、机电仪散件在不影响运输、吊装前提下进行一体化预舾装。(5)分片涂装。一体化预舾装后按相应的涂装系统要求进行打砂、喷漆。(6)一体化预安装并总组。涂装后预安装部分设备及部分其他散件，然后由大型起重设备总组。(7)完善。总组工位完成相应的舾装、通风、保温、电气、仪表、通信、配管等专业的施工。

3 内转塔式单点建造脚手架难点与分析

在内转塔式单点各模块建造过程中，为配合多专业施工，需要脚手架提供辅助工作平台。各模块内部空间紧凑，现选取几个典型位置的脚手架设计进行分析。下塔体各分段预制所需脚手架汇总如表2所示。

表2 下塔体各分段与总段建造脚手架汇总

3.1 下塔体锚链盘

下塔体建造时被划分为7个分段和1个总段进行预制(总段由若干个分段总装而成)[12]。7个分段为底部平台分段、止链器盒子分段、铸件内部平台分段、油池分段、轴承支撑分段、中塔体底部分段和中塔体上部分段。底部平台分段、3个止链器盒子、铸件内部平台分段及其他散装件合并总装为锚链盘总段。锚链盘总段预制完成后吊装至运输垫墩，接着运输至喷涂车间进行喷砂涂装作业，喷涂后运输至总装场地进行总组作业。油池分段、轴承支撑分段、中塔体底部分段及中塔体上部分段将单独进行喷砂涂装。

在下塔体建造过程中，不同施工分段、不同施工工位对脚手架的需求可分为2类：常规脚手架和非常规脚手架。常规脚手架包括落地式双排脚手架、落地式满堂脚手架、脚手架凳子、脚手架护栏等；非常规脚手架包括悬挑脚手架、吊式脚手架和环形封闭脚手架。各分段、总段在胎架(或垫墩上)预制时离地较高，须设置防坠落的脚手架护栏。下塔体整体外形为锥台型，常规脚手架的搭设也需时刻关注立杆与脚手板与下塔体外部的距离，避免碰撞。下塔体内部舱内密布19根穿舱导向，导向间空间狭小，在穿舱导向高度约4 m位置，底部平台分段与铸件内部平台分段需要合龙焊接。舱内脚手架的布置应同时满足3点基本要求：(1)立杆间距不得超过1.8 m；(2)确保每相邻2根穿舱导向间可通过横杆相连；(3)脚手板铺板不与穿舱导向碰撞。锚链盘总段外表面为异形舱体，缺少脚手架生根点，解决方案：一种是在建造过程中焊接部分H型钢作为生根点，但此法增加了舱体H型钢的打磨与焊接工作量；另一种是在3个止链器外侧搭设落地脚手架，待锚链盘预制完成后，将止链器外侧的落地脚手架拆除，保留锚链盘上部的5圈环形脚手架用于涂装施工，如图2所示。

图2 锚链盘预制脚手架设计与实景图

3.2 中塔体与管汇平台

下塔体的中塔体和管汇平台的主要特征是圆柱外型。底部分段与上部分段合龙时需要脚手架辅助。管汇平台作为内转塔式单点系泊系统承接结构和重要的管汇设备集成体，能够顺利完成安装和精准就位对于单点系泊系统起到至关重要的作用[13]。中塔体和管汇平台脚手架的搭设难点主要体现在：(1)空间狭小，各系统紧密布置；(2)各甲板层脚手架环形封闭布置。

中塔体的环形封闭脚手架布置如图3所示，脚手架平台用于安装楼梯甲板等附件。在位于离地高度约12.2 m处延径向向外悬挑出第4圈脚手架立杆，下设斜撑，此脚手架用于中塔体底部和顶部的合龙口焊接。脚手架设计参数如表3所示。脚手架设计满足文献[14]的设计要求。

表3 中塔体环形封闭脚手架设计参数

图3 中塔体预制脚手架设计和实景图

管汇平台的封闭脚手架布置如图4所示，是以各甲板层中心向圆周辐射的圆面封闭脚手架，脚手架设计需参考配管、电气和仪表专业支托架位置和设备位置，再结合结构形式于各层分别布置落地满堂脚手架。管汇平台最底层距离地面较高，同样需搭设满堂脚手架辅助机电仪施工。脚手架侧边设置塔楼梯道。

图4 管汇平台预制脚手架设计和实景图

3.3 塔架设计分析

塔架包含4根导管腿、中间甲板、上部塔架和滑环系统。在建造过程中，塔架被划分为3个分段进行预制，底部塔架分段和塔架甲板分段在完成各自的喷涂作业后将被组装成塔架甲板总段。塔架甲板总段首先与4根导管腿合龙焊接。然后，将喷涂后的上塔架吊装至塔架甲板总段进行最终合龙。滑环系统在塔架集成至FPSO后进行安装。在塔架建造过程中，导管腿上的脚手架设计是塔架脚手架设计中难度最大的。常规导管架的导管腿上一般无须安装楼梯、管线支架等，这类导管腿主要依赖H型钢生根的方式搭设型钢悬挑脚手架。内转塔式FPSO单点塔架的导管腿上需要安装楼梯、管线支架和工艺管线接长，如果全部采用常规模式搭设，将无法安装楼梯，也影响工艺管线的接长施工。结合多次现场论证，最终导管腿与塔架平台合龙采用H型钢生根的悬挑脚手架，其他区域采用落地式脚手架。采用H型钢悬挑脚手架可确保最快完成导管腿与塔架平台的合龙作业，然后再进行导管腿的落地脚手架搭设，确保塔架总装施工提前至少3 d。如果导管腿脚手架过高，可采用H型钢分段悬挑或分段搭载方式。这样既有助于提高总组合龙的效率，又不影响楼梯安装、管支架安装。具体如图5和图6所示。

图5 导管腿与塔架平台合龙位置的H型钢悬挑脚手架设计

图6 塔架建造脚手架设计与搭设实景

4 结 论

内转塔式FPSO单点各模块虽体量不大,但其紧凑的空间构造和复杂的结构形式使得脚手架的设计难度较大。根据内转塔式FPSO单点各个模块建造的工艺流程,结合工程实际提供各分段建造时脚手架的难点分析,为同类型项目的建造提供借鉴。

(1) 在锚链盘建造时依据施工位置灵活采用常规脚手架和非常规脚手架。锚链盘空间封闭、紧凑,脚手架立杆设置需注意避开船舱导向。在涂装前可搭设落地脚手架施工,为便于运输和喷涂施工,锚链盘外部的脚手架可搭设型钢悬挑用于临时辅助。

(2) 在中塔体和管汇平台建造时依据施工需要设置环形或圆面封闭式脚手架,立杆环形布置,需确保立杆间距符合施工规范要求,脚手架需要在一侧设置塔楼通道。

(3) 在塔架建造时采用H型钢悬挑和落地式脚手架组合可有效提高总组效率,在塔架中心平台合龙位置优先预设置型钢悬挑脚手架,塔架2条主腿宜采用落地脚手架搭设,如脚手架过高需分段卸载,确保立杆承载满足安全要求。