方霖，張人公，孫錕，陳曉東，岳劍鋒，林曉杰

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067)

國(guó)內(nèi)某工程船新增管纜卷盤(pán)選型分析

方霖，張人公，孫錕，陳曉東，岳劍鋒，林曉杰

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067)

為滿(mǎn)足工程需要,考慮對(duì)國(guó)內(nèi)一可用于柔性管纜鋪設(shè)作業(yè)的多功能工程船新增管纜卷盤(pán)，分析新增卷盤(pán)尺寸、管纜裝載量、甲板布置及管纜鋪設(shè)路由，結(jié)果表明，在該工程船上新增卷盤(pán)可行,可較大增加該工程船裝載柔性管纜的能力。

柔性管纜；鋪設(shè)作業(yè)船舶；卷盤(pán)；卷盤(pán)裝載量；選型分析

柔性管纜(如海纜、臍帶纜、軟管等)的安裝鋪設(shè)作業(yè)已成為海上油氣開(kāi)發(fā)的重要組成部分。隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)走向深水,柔性管纜的使用越來(lái)越廣泛[1-2]。在國(guó)內(nèi)，隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)力度的增大，柔性管纜鋪設(shè)項(xiàng)目也逐漸增多，不乏較長(zhǎng)長(zhǎng)度柔性管纜鋪設(shè)項(xiàng)目。如流花4-1油田海纜鋪設(shè)，鋪設(shè)了3根14 km長(zhǎng)的多芯海底電纜及1根14 km長(zhǎng)的臍帶纜[3-4]。其中，多芯海底電纜單根直徑為157.3 mm，質(zhì)量為570 t；臍帶纜直徑為121 mm，質(zhì)量為410 t。而在軟管鋪設(shè)中，軟管的直徑通常都大于海纜，相同長(zhǎng)度下也往往具有更大的質(zhì)量。因此，對(duì)于較長(zhǎng)長(zhǎng)度柔性管纜鋪設(shè)項(xiàng)目，對(duì)柔性管纜的運(yùn)輸儲(chǔ)存裝置的能力提出了較高的要求。國(guó)內(nèi)近年建造有一艘可進(jìn)行柔性管纜鋪設(shè)的多功能深水作業(yè)工程船，建造完成投入使用時(shí)，配備有2 500 t的柔性管纜卷盤(pán)，可滿(mǎn)足目前國(guó)內(nèi)柔性管纜鋪設(shè)作業(yè)的要求，自服役以來(lái)已服務(wù)了2、3個(gè)管纜鋪設(shè)項(xiàng)目。但隨著我國(guó)深水油氣田的開(kāi)發(fā)和走向國(guó)際的需要，現(xiàn)有卷盤(pán)可能無(wú)法很好地滿(mǎn)足實(shí)際施工需求。經(jīng)過(guò)初步分析，認(rèn)為該工程船具備在甲板上新增一管纜卷盤(pán)的可能，因此，進(jìn)行了該工程船新增卷盤(pán)的方案研究。后文稱(chēng)該工程船為目標(biāo)工程船。

1 船舶及卷盤(pán)分析

目標(biāo)工程船總長(zhǎng)140.75 m，船寬29.0 m，型深12.8 m，為國(guó)內(nèi)近年建造的一艘多功能深水工程船，可進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)物(如基盤(pán)、管匯、膨脹彎、跨界管等)的安裝作業(yè)、柔性管纜鋪設(shè)作業(yè)，其外觀見(jiàn)圖1。

現(xiàn)有卷盤(pán)位于船體靠近中部的主甲板以下的艙室中，肋位37#～67#之間。卷盤(pán)由位于下方的底座和上方的纜框組成，并由動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。底座為上方的纜框提供結(jié)構(gòu)支撐，通過(guò)環(huán)形及輻射狀骨架與船體雙層底的上底相連，通過(guò)滾輪裝置實(shí)現(xiàn)上方纜框靈活旋轉(zhuǎn)，通過(guò)中間柱狀結(jié)構(gòu)延伸至上方纜框?qū)崿F(xiàn)上方纜框的徑向定位并提供旋轉(zhuǎn)軸。上方的纜框?yàn)槿嵝怨芾|存儲(chǔ)區(qū)域。圖2是現(xiàn)有卷盤(pán)模型。

對(duì)該工程船及國(guó)外一些大小接近的軟管鋪設(shè)船進(jìn)行船舶及卷盤(pán)基本參數(shù)及信息統(tǒng)計(jì)，參見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，與目標(biāo)工程船尺寸相近的船舶，管纜最大裝載量基本都大于目標(biāo)工程船，偏差在700 t以上。與目標(biāo)工程船主尺度較為接近的Seven Wave船，管纜最大載重量比目標(biāo)工程船多1 500 t。Seven Seas、Lewek Connector船具有2個(gè)或2個(gè)以上卷盤(pán)，甲板以下及甲板以上均有布置，且甲板上卷盤(pán)管纜最大載重量均達(dá)3 000 t，為目標(biāo)工程船在甲板上新增卷盤(pán)提供一定參考。

表1 軟管鋪設(shè)船及卷盤(pán)信息統(tǒng)計(jì)

2 新增卷盤(pán)的選型設(shè)計(jì)

卷盤(pán)的主要規(guī)格參數(shù)有轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)徑、外徑、總高度、有效高度和最大裝載量。目標(biāo)工程船現(xiàn)有卷盤(pán)內(nèi)徑為6～10 m(可調(diào)內(nèi)徑)，外徑為20.6 m，總高度為4 m，有效高度為3.6 m、最大裝載量為2 500 t。

新增卷盤(pán)選型設(shè)計(jì)中，需初步確定新增卷盤(pán)的主要規(guī)格尺寸、管纜載重量、甲板上的位置，并進(jìn)行船舶浮態(tài)驗(yàn)證、管纜鋪設(shè)甲板布置合理性驗(yàn)證。由于海纜直徑一般較小，卷盤(pán)裝載量容易達(dá)到要求，在確定卷盤(pán)管纜載重量時(shí)，僅以軟管為研究對(duì)象，分析標(biāo)的取為5 in及10 in軟管。

2.1 新增卷盤(pán)甲板位置

目標(biāo)工程船木質(zhì)主甲板艏部為直升機(jī)平臺(tái)，接著為船舶橋樓，橋樓以后才是可放置貨物及設(shè)備的可用甲板區(qū)域，約-5#～100#。在此甲板區(qū)，布置有2臺(tái)吊機(jī)，位于接近舷側(cè)的位置，左右舷各1臺(tái)。主吊機(jī)基座接近船中位置，現(xiàn)有卷盤(pán)位于37#～67#之間，且甲板中間布置有月池，只能將新增卷盤(pán)布置在具有較大空間的船尾甲板區(qū)域。

經(jīng)分析，在5#～35#肋位之間可布置一外徑與現(xiàn)有卷盤(pán)相當(dāng)?shù)男略鼍肀P(pán)，新增卷盤(pán)重心位于甲板中心線(xiàn)21#。初步假設(shè)新增卷盤(pán)內(nèi)徑6 m、外徑20 m、總高度4.5 m、有效高度4 m。這樣規(guī)格尺寸的新增卷盤(pán)及現(xiàn)有卷盤(pán)在甲板上的位置見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，新增卷盤(pán)尺寸基本達(dá)到最大，合理地避開(kāi)了吊機(jī)基座，但與一些較小構(gòu)件存在布置沖突。實(shí)際安裝中，可將這些較小構(gòu)件位置進(jìn)行調(diào)整。

2.2 卷盤(pán)管纜載重量

根據(jù)國(guó)外NKT、WELLSTREAM、FLEXIFRANCE公司供應(yīng)軟管的資料，計(jì)算不同外徑軟管單位長(zhǎng)度質(zhì)量，繪制軟管單位長(zhǎng)度質(zhì)量隨軟管外徑變化的曲線(xiàn)，并采用二階多項(xiàng)式擬合，可得到軟管單位長(zhǎng)度質(zhì)量隨外徑變化的計(jì)算公式y(tǒng)=0.874x2-1.855 4x+29.441(式中：x為軟管外徑；y為單位長(zhǎng)度重量)，擬合過(guò)程見(jiàn)圖4。

假設(shè)卷盤(pán)內(nèi)卷管時(shí)每卷軟管1圈保留0.5倍軟管直徑的間隙，在卷盤(pán)內(nèi)徑6 m和有效高度4 m的基礎(chǔ)上，分別取外徑18 m、19 m、20 m、21 m，根據(jù)容積關(guān)系可計(jì)算得出卷盤(pán)可裝載軟管的總長(zhǎng)度。根據(jù)“總裝載重量=總長(zhǎng)度×單位長(zhǎng)度”的關(guān)系，可得到不同卷盤(pán)外徑下卷盤(pán)總裝載重量隨軟管直徑的變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖5。

根據(jù)圖5，并結(jié)合圖4擬合所得的軟管單位長(zhǎng)度質(zhì)量隨外徑變化的計(jì)算公式，可計(jì)算得到卷盤(pán)外徑18 m、19 m及20 m下，5 in軟管及10 in軟管的最大裝載量及相應(yīng)長(zhǎng)度，見(jiàn)表2。可以得出，新增卷盤(pán)外徑為20 m時(shí)，5 in軟管的最大裝載量為2 900 t(69 km)，10 in軟管的最大裝載量為1 600 t(16.3 km)；當(dāng)減小卷盤(pán)外徑，卷盤(pán)的最大裝載量迅速下降，卷盤(pán)外徑減小至19 m時(shí)，5 in軟管最大裝載量減少至2 600 t(61.9 km)，10 in軟管最大裝載量減少至1 450 t(14.8 km)。增加這樣的裝載量，與國(guó)外一些船舶能力相一致。且在不過(guò)多降低新增卷盤(pán)管纜裝載量的前提下，適當(dāng)減小新增卷盤(pán)的外徑，對(duì)于新增卷盤(pán)在目標(biāo)工程船上的布置是有利的。

表2 不同外徑新增卷盤(pán)5 inch及10 inch軟管裝載能力

2.3 船舶裝載驗(yàn)證

目標(biāo)工程船有多種裝載工況，考慮到該工程船未來(lái)進(jìn)行深水管纜鋪設(shè)中會(huì)安裝垂直鋪設(shè)系統(tǒng)(VLS)，選取了“卷盤(pán)裝貨出港”的工況。該工況下，目標(biāo)工程船的滿(mǎn)載排水量為24 460.6 t，暫不考慮船舶壓載水和新增卷盤(pán)裝載，目標(biāo)船舶的載重見(jiàn)表3。

表3 目標(biāo)工程船“卷盤(pán)裝貨出港”工況載重組成

因此，新增卷盤(pán)管纜載重及船舶壓載水的質(zhì)量約為3 570 t。若設(shè)計(jì)新增卷盤(pán)最大裝載量為2 500 t，則壓載水的重量約可分配1 000 t，用于調(diào)整船舶浮態(tài)。

2.4 管纜鋪設(shè)時(shí)的甲板布置

根據(jù)柔性管纜鋪設(shè)船的設(shè)計(jì)和作業(yè)水深，柔性管纜的鋪設(shè)方法可分為S-lay，J-lay，vertical-lay。也有根據(jù)柔性管纜存儲(chǔ)方式，提出卷筒鋪管法，分為垂直Reel-lay和水平carousel-lay[5-6]。對(duì)于目標(biāo)工程船，采用卷盤(pán)存儲(chǔ)(carousel lay)，有水平鋪設(shè)下水(S-lay，采用下水橋)和垂直下水(vertica-lay，采用垂直鋪設(shè)系統(tǒng))2種方式。新增卷盤(pán)后，采用水平鋪設(shè)方式，柔性管纜倒纜及鋪設(shè)時(shí)的甲板布置見(jiàn)圖6。

新增卷盤(pán)后，采用垂直鋪設(shè)方式，柔性管纜倒纜時(shí)的甲板布置同水平鋪設(shè)方式，見(jiàn)圖6；鋪設(shè)時(shí)的甲板布置見(jiàn)圖7。由圖6、7可見(jiàn)，2種鋪設(shè)方式下的管纜鋪設(shè)路由均能良好布置。

3 結(jié)論

對(duì)目標(biāo)工程船進(jìn)行新增管纜卷盤(pán)的研究，在選型階段，進(jìn)行了新增卷盤(pán)尺寸、管纜裝載量、甲板布置、管纜鋪設(shè)路由方面的研究。結(jié)果顯示，新增卷盤(pán)具有較好的可行性,可較大增加該工程船裝載柔性管纜的能力。

1)在接近船尾的甲板區(qū)域，可布置內(nèi)徑6 m、外徑20 m、總高度4.5 m、有效高度4 m的新增轉(zhuǎn)盤(pán)。

2)新增卷盤(pán)外徑為20 m時(shí)，5 in軟管的最大裝載量為2 900 t(69 km)，10 in軟管的最大裝載量為1 600 t(16.3 km)。增加這樣的裝載量，與國(guó)外一些船舶能力相一致。在不過(guò)多降低新增卷盤(pán)管纜裝載量的前提下，適當(dāng)減小新增卷盤(pán)的外徑，對(duì)于新增卷盤(pán)在目標(biāo)工程船上的布置是有利的。

3)在目標(biāo)工程船“卷盤(pán)裝貨出港”的工況下，新增卷盤(pán)管纜載重及船舶壓載水的質(zhì)量約為3 570 t。若設(shè)計(jì)新增卷盤(pán)最大裝載量為2 500 t，則壓載水的重量約可分配1 000 t，用于調(diào)整船舶浮態(tài)。

4)新增卷盤(pán)后，目標(biāo)工程船進(jìn)行管纜鋪設(shè)有水平鋪設(shè)和垂直鋪設(shè)2種方式，2種鋪設(shè)方式下的管纜鋪設(shè)路由均能良好布置。

在目標(biāo)工程船上新增卷盤(pán)，選型分析取得了較好的結(jié)果。但對(duì)于卷盤(pán)這樣的大型設(shè)備，還應(yīng)考慮船舶穩(wěn)性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的限制，有待后期進(jìn)一步研究。

[1] 孫晶晶，劉培林，段夢(mèng)蘭，等.深水臍帶纜安裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2011，40(12)：1-5.

[2] 潛凌,李培江,張文艷.海洋復(fù)合柔性管發(fā)展及應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2012,41(2):90-92.

[3] 冒家友，馮麗梅，原慶東.流花4-1電纜和臍帶纜安裝技術(shù)及應(yīng)用[J].船海工程,2014,43(2):109-113.

[4] 原慶東，馮麗梅，冒家友,等.流花4-1油田海纜鋪設(shè)安裝關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣,2014,26(2):88-99.

[5] 汪智峰，黃海龍，黃佳瀚.中國(guó)科技縱橫[J].柔性軟管鋪設(shè)方法及設(shè)備探討，2011(5):324-325.

[6] 黃維平，曹靜，張恩勇.海洋工程[J].國(guó)外深水鋪管方法與鋪管船研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，2011,29(1)：135-142.

Design Analysis of a New Carousel to be Installed on a Domestic Engineering Vessel

FANG Lin, ZHANG Ren-gong, SUN Kun, CHEN Xiao-dong, YUE Jian-feng, LIN Xiao-jie

(COOEC Subsea Technology Co.,Ltd., Shenzhen Guangzhou 518067, China)

A preliminary design analysis was performed on a domestic multipurpose vessel which can support the laying operation of subsea cable and flexible pipeline. The dimension of the new carousel, the loading capability of the new carousel, the deck arrangement and the laying route of cable and pipeline were investigated. It was shown that installing a new carousel on the engineering vessel relatively has good practicability, so as to largely enhance the vessel’s loading capability of subsea cable and flexible pipeline.

subsea cable and flexible pipeline; laying operation vessel; carousel; carousel storage capacity; design analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.045

2016-07-20

方霖(1988—)，男，碩士，助理工程師

U674.3

A

1671-7953(2017)02-0192-05

修回日期：2016-08-26

研究方向:船舶與海洋結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力及海洋油氣開(kāi)發(fā)水下工程技術(shù)