子母管膨胀弯预制安装方法简介

子母管膨胀弯预制安装方法简介

宣英杰，杨泳，周波，郑秋明，兰学杰

海洋石油工程股份有限公司，天津，300451

摘 要：子母管膨胀弯是一种子管和母管固定在一起的膨胀弯。子母管膨胀弯在预制和安装过程中，通常需要将子管膨胀弯和母管膨胀弯同时预制，然后再将二者固定在一起，同时进行水下安装。本文着重叙述和介绍一下子母管膨胀弯的预制、安装过程和安装方法。

关键词:子母管膨胀弯、预制、安装

1概述

近几年，渤海湾出现了子母管的铺设和安装，其中子管的外径通常是2英寸左右，母管的外径通常是6～12英寸，由于子管管径很小，所以为了节省安装工期，通常将子管与母管固定在一起铺设安装。子母管铺设后，其用于连接立管和平管之间的膨胀弯，也需要同时预制和安装。为此，本文着重叙述一下子母管膨胀弯的预制安装过程和安装方法。

2子母管膨胀弯的预制

对于膨胀弯，通常认为从法兰到法兰之间的管段为一节膨胀弯，与平管法兰连接的那一节膨胀弯，认为是最后一节膨胀弯，其他膨胀弯则认为是非最后一节膨胀弯。在预制过程中，非最后一节膨胀弯是按照设计图纸预制。对于子母管膨胀弯，其子管膨胀弯和母管膨胀弯需要同时开展预制。预制的方法和要求如下：

1. 按照膨胀弯的设计/预制图纸，进行管材的下料切割、打磨坡口和焊接预制等工作，膨胀弯的预制长度误差控制在10mm范围内。
2. 焊接后进行焊道无损检验（RT/UT无损检验），如有缺陷需进行补焊，直到检验合格为止。
3. 检验完毕后进行防腐处理，然后进行针孔检验或电火花检验。
4. 整节膨胀弯预制完成后进行整体尺寸测量并记录存档。

最后一节膨胀弯的预制，需要按照水下实际测量数据预制。这是因为平台在安装期间，管线在铺设期间，其安装位置往往与设计位置有所偏差，如果最后一节膨胀弯仍然按照设计图纸预制，那么最后一节膨胀弯将无法水下安装，无法与平管法兰连接。为解决最后一节膨胀弯的安装问题，通常要先使用法兰测量仪工具，水下测量已安装膨胀弯的法兰到平管法兰的距离和角度，再根据测量数据计算出膨胀弯的尺寸， 关于膨胀弯的尺寸计算，其方法如下：

1. 膨胀弯的弯头形式

通常膨胀弯具有以下两种形式：一个弯头的膨胀弯和两个弯头的膨胀弯。这两种形式的膨胀弯测量方法相同，但计算方法略有不同。

一个弯头形式                      两个弯头形式

图1 膨胀弯弯头形式

2. 膨胀弯长度L的计算

定义：

L1、L2分别立管和平管侧法兰测量仪拉杆的长度；

法兰测量仪拉杆长度为：

L1=L2=0.25m

L0为测量钢丝的长度；

α、β分别为立管和平管法兰的水平角度；

D1、D2立管和平管法兰面的厚度；

A为测量仪底座挡板到拉杆立柱中心的距离；

L = L0 + L1 + L2-(D1-A)cosα-(D2-A)cosβ

考虑到钢丝水下呈悬链线形式，根据膨胀弯的长短，L0可以相应的缩短10～20cm，

因此：Lfinal = L-(10～20)cm

          = L0 + L1 + L2-(D1-A)cosα-(D2-A)cosβ-(10～20)cm

3. 一个弯头形式的膨胀弯计算

由于膨胀弯的弯头在海上施工前已经定制完毕，所以在膨胀弯计算时只根据测量数据计算膨胀弯直管段长度即可。

图3 一个弯头的膨胀弯测量

图3为法兰测量仪测量示意图，根据三角形正弦定理，可得到直管段L1长度计算方法：

L1=a·sinβ/sinγ

其中：

a为两法兰间直线长度；

β为法兰测量仪水平角度读数；

γ为膨胀弯弯头预制角度；

直管段L2长度计算方法：

L2=a·sinα/sinγ

其中：

 a为两法兰间直线长度；

α为法兰测量仪水平角度读数；

γ为膨胀弯弯头预制角度；

注：以上计算方法适用于两法兰在同一水平面且高差很小可以忽略的情况下，并且测量角度与设计角度不能有偏差。

4. 两个弯头的膨胀弯计算

在计算中需指定膨胀弯三个直管段中L1（L3）直管段的长度，通过另外两个直管段L2和L3（L1）的长度来调整膨胀弯规格。

图4 两个弯头的膨胀弯测量

图4为法兰测量仪测量示意图，根据三角形正弦定理，可得到直管段L2长度计算方法：

L2=L1·sinα/sinθ+sinβ(a-L1sinγ1/sinθ)/sinγ2

其中：

a1= L1sinγ1/sinθ

a2=a-a1=a-L1sinγ1/sinθ

L1为膨胀弯设计尺寸；

a为两法兰间直线长度；

α、β为法兰测量仪水平角度读数；

γ1、γ2为膨胀弯弯头预制角度；

θ=180°-α-γ1或θ=180°-β-γ2

直管段L3长度计算方法：

L3= sinθ(a-L1sinγ1/sinθ)/sinγ2

其中：

L1膨胀弯设计尺寸；

a为两法兰间直线长度；

α为法兰测量仪水平角度读数；

γ1、γ2为膨胀弯弯头预制角度；

θ=180°-α-γ1或θ=180°-β-γ2

参考上述公式计算出膨胀弯的尺寸，可绘制出最后一节膨胀弯的预制图，然后再根据预制图，指导此节膨胀弯的预制工作，预制方法与非最后一节膨胀弯的相同。

对于子母管膨胀弯，由于子管的法兰规格过小，无法安装法兰测量仪工具。所以一般在母管的法兰上安装测量仪，进行水下测量和预制；至于子管的最后一节膨胀弯，则需要分别测量出子管膨胀弯与母管膨胀弯法兰的间距，和子管平管法兰与母管平管法兰的间距，然后根据母管膨胀弯的测量结果，推算出子管最后一节膨胀弯的尺寸。推算方法如下：

1. 根据水下测量结果，绘制出最后一节母管膨胀弯。
2. 完全按照最后一节母管膨胀弯的预制尺寸，绘制出最后一节子管膨胀弯的预制图。
3. 根据水下测量的子母管膨胀弯法兰相对间距，修改与膨胀弯连接的子管长度尺寸：比如水下测得子管的膨胀弯法兰比母管的膨胀弯法兰短500mm，则修改与膨胀弯连接的子管长度尺寸，加长500mm即可。
4. 根据水下测量的子母管平管法兰相对间距，修改与平管连接的子管长度尺寸：比如水下测得子管的膨胀弯法兰比母管的膨胀弯法兰长500mm，则修改与膨胀弯连接的子管长度尺寸，缩短500mm即可。

子管、母管膨胀弯预制后，要用子母管卡子将其固定在一起，以便同时安装子母管膨胀弯。子母管卡子有两种：一种是使用不锈钢带和橡胶垫固定的卡子；另一种是机械管卡，可以防止子母管膨胀弯在吊装过程中，子管法兰受重力作用下滑转动。但是，机械管卡需要按照设计图纸预制和安装，比较费时费力，所以也可以使用手扳葫芦等工具取代机械管卡固定子母管膨胀弯的管头，这样在施工中即节省了机械管卡的制作和安装的成本及工期，又可以通过手扳葫芦调整子管法兰的相对位置，便于子管法兰的对接。

子管和母管的膨胀弯固定后，预制工作完成。

图5 使用手扳葫芦取代机械管卡固定子母管膨胀弯的管头

3子母管膨胀弯的安装

子管、母管膨胀弯预制后，准备水下安装膨胀弯，其准备工作有以下3点：

1. 首先根据子母管膨胀弯的设计路由，水下调查路由的实际情况，以便安装膨胀弯。
2. 拆除子母管平管法兰上的法兰保护器、起始封头，和立管端的盲板法兰并回收。在拆除起始封头时，要先将封头上的球阀打开，等压力平衡后，再拆除封头上的螺栓螺母，避免人员伤害。
3. 根据子母管膨胀弯的吊装图，在膨胀弯上的吊点位置，分别安装吊索具并系好牵引绳，然后试吊并调平膨胀弯。

准备工作完成后，水下安装子母管膨胀弯：

1. 吊装子母管膨胀弯入水至安装位置，先对接母管膨胀弯的法兰，然后再对接子管膨胀的法兰。
2. 水下观察法兰是否符合对接要求，如果不符合，则通过吊机和导向绳调整子母管膨胀弯的位置使其对接法兰。
3. 在法兰的3、6、9时钟位置，安装并紧固螺栓螺母，测量法兰间距，在法兰间距达到10cm左右时，放置垫圈。
4. 垫圈安装后，将已经安装的螺栓使用扳手紧固至垫圈加紧，在法兰上没有安装螺栓的位置安装螺栓螺母并紧固。
5. 测量法兰3、6、9和12时钟位置的间隙，如果法兰间隙不均匀，使用扳手进行调整直至法兰间隙满足安装要求为止。
6. 最后拆除和回收子母管膨胀弯上的吊索具，子母管膨胀弯安装完成。

膨胀弯安装完成后，进行水下后调查：

1. 沿着膨胀弯整个路由对子母管膨胀弯进行调查，调查的同时进行水下录像。
2. 水下调查子母管膨胀弯的悬空，对于悬空进行水泥沙袋填充处理。

水下后调查结束后，子母管膨胀弯安装完毕。

4结束语

目前，子母管膨胀弯安装的项目并不常见，但随着今后施工的需要，子母管膨胀弯的安装将可能会逐年增多。本文主要叙述了子母管膨胀弯的预制和安装过程以及一些安装方法，可作为后续类似施工的指导和参考。

参考文献

[1] Offshore Standard DNV-OS-F101 2013, Submarine Pipeline System，2013年1月由挪威船级社出版。

[2] ASME B16.5-2003 Pipe Flanges and Flanged Fitting(ASME B16.5管线法兰和法兰配件)，2003年由美国船级社出版。

作者简介：宣英杰，男，1987年生，大学本科，工学学士，工程师，主要从事海底管道预调试专业相关的工作。

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