深水管線安裝技術(shù)

董耀鋒，甄宏昌，齊金龍，葉 鏑

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.中國(guó)石油管道局工程有限公司第六工程公司，天津300270）

深水管線安裝技術(shù)

董耀鋒1，甄宏昌2，齊金龍1，葉 鏑1

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.中國(guó)石油管道局工程有限公司第六工程公司，天津300270）

在過(guò)去的幾年里，深水管線鋪設(shè)經(jīng)歷了快速的發(fā)展，目前可以預(yù)測(cè)的是油氣開采水深可以達(dá)到3 600 m，未來(lái)必將突破這個(gè)限度?，F(xiàn)在各種海底管道的安裝方法在海洋深水市場(chǎng)中都有各自的優(yōu)點(diǎn)，在線結(jié)構(gòu)物和鋼懸鏈立管可以進(jìn)行安全高效地安裝，管道的旋轉(zhuǎn)也能被有效地控制，海上維修技術(shù)也已經(jīng)被證實(shí)。文章介紹了深水管道及附屬結(jié)構(gòu)物的幾種常用的安裝方法，并對(duì)管線鋪設(shè)水深的限制進(jìn)行分析，供同行參考。

深水；管道鋪設(shè)；鋪管方法

0 引言

深水鋪管已經(jīng)經(jīng)歷了快速發(fā)展歷程，在 1995年之前，業(yè)界普遍把300米水深界定為深水項(xiàng)目；隨著技術(shù)水平的進(jìn)步，1 500多米水深管道鋪設(shè)就已經(jīng)成為常態(tài)，2 500 m的管鋪設(shè)早已成為現(xiàn)實(shí)。國(guó)內(nèi)鋪管船的作業(yè)水深已經(jīng)達(dá)到3 000 m，在南海海域海管的鋪設(shè)水深達(dá)到1 500 m左右。因此，深水海底管線的鋪設(shè)將引領(lǐng)未來(lái)市場(chǎng)。本文主要介紹幾種常規(guī)的海管鋪設(shè)方法，供同行參考。

1 深水管道安裝方法

業(yè)界通常有三種基本的深水管道鋪設(shè)方法：卷管式鋪管法（reeling）、J型鋪管法（J-lay）和S型鋪管法（S-lay）。

卷管式鋪管法是將管線在陸地上預(yù)制場(chǎng)地接長(zhǎng)，然后卷到專用的滾筒上，送到海上進(jìn)行鋪設(shè)施工的方法。卷管式鋪管法通常來(lái)說(shuō)是比較經(jīng)濟(jì)的鋪管方法，同時(shí)鋪管效率高，既能鋪設(shè)硬質(zhì)鋼管也能鋪設(shè)柔性軟管，適合深水區(qū)域的管道鋪設(shè)，但是管道直徑通?？刂圃?6英寸以下。卷管式鋪管法需要的主要設(shè)備包括：卷管滾筒、管道矯直器、鋪管船和其他的常規(guī)施工，工機(jī)具、設(shè)備等。

J型鋪管法從技術(shù)上講，非常適合深水管道鋪設(shè)。但是這種方法本身的鋪管速度相對(duì)較低（焊接、NDT和節(jié)點(diǎn)涂敷至少在 J型塔中各占 1～2個(gè)工作站）。然而如果深水管道很重或者很短，那么這種鋪管方式擁有很大的競(jìng)爭(zhēng)力，尤其是對(duì)于伴有重型吊裝作業(yè)來(lái)說(shuō)，使用這種方法可以節(jié)省船隊(duì)動(dòng)員的費(fèi)用，所以J型鋪管法主要用于水深管道的末端安裝，特別是鋼懸鏈線立管安裝。J型鋪管法在鋪設(shè)過(guò)程中借助于調(diào)節(jié)托管架的傾角和管道承受的張力來(lái)改善管道的受力狀態(tài)，達(dá)到安全作業(yè)的目的。目前，J型鋪管法主要有兩種形式，一種是鉆井船 J型鋪設(shè)形式，另一種是帶斜型滑道的J型形式，該類型鋪管方法是介于J型和S型之間的一種鋪管方法。該型式國(guó)外已經(jīng)開始進(jìn)行深入研究。在南海海域Saipem公司使用半潛式J型鋪管船F(xiàn)DS1和FDS2進(jìn)行22″海底管線的鋪設(shè)，作業(yè)水深大約從200 m到1 500 m，單根海管的鋪設(shè)長(zhǎng)度約80 m，最終取得了成功。

S型鋪管法是目前管道鋪設(shè)市場(chǎng)上最為主流的方法。就墨西哥灣來(lái)說(shuō)，1 000 m水深以上的海底管線，其中超過(guò)3/4是由S型鋪管法完成的。S型鋪管需要配備張力很大的張緊器和很長(zhǎng)的托管架。為了能夠充分發(fā)揮張緊器的張力，管線在托管架末端的分離角度幾乎是垂直的，所以需要很長(zhǎng)的托管架來(lái)完成管線從水平到幾乎垂直的過(guò)渡。另外，鋪設(shè)大尺寸管線的時(shí)候，海管的彎曲半徑也會(huì)很大，為了限制上彎段應(yīng)變，對(duì)托管架的長(zhǎng)度要求也會(huì)很長(zhǎng)。管線在托管架末端幾乎垂直的分離角度還可以有效降低管線張力，從而降低已鋪設(shè)管線在不平坦海床上的殘余張力，避免自由懸跨。

2 深水S型鋪管法中上彎段應(yīng)變限制

S型鋪管法在深水管線鋪設(shè)時(shí)，管線在托管架的支撐下，自然地彎曲成“S”型曲線，一般可以分成兩個(gè)區(qū)段，即拱彎區(qū)和垂彎區(qū)。拱彎區(qū)的曲率和彎曲應(yīng)力是通過(guò)調(diào)節(jié)托管架及滾輪的曲率半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)控制；垂彎區(qū)的曲率通過(guò)沿作業(yè)線上的張緊器產(chǎn)生的后拖力來(lái)控制。一旦管線離開托管架之后，一般來(lái)說(shuō)管線的形狀是類似的：垂彎區(qū)的許用應(yīng)變決定著管線離開托管架時(shí)的分離角度，分離角度以及托管架長(zhǎng)度共同決定著托管架的彎曲半徑，而托管架的彎曲半徑?jīng)Q定著拱彎區(qū)應(yīng)力應(yīng)變。這個(gè)拱彎區(qū)應(yīng)變要對(duì)照業(yè)主提供的許用值或者國(guó)際規(guī)范中給出的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。

被業(yè)界廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)，比如DNV-OS-F101，就要求對(duì)于每個(gè)項(xiàng)目中的管道鋪設(shè)都要進(jìn)行鋪管過(guò)程中的極限狀態(tài)分析，比如局部屈曲、托管加上管道橢圓化等，這樣會(huì)明顯提高拱彎區(qū)的許用應(yīng)變。對(duì)于拱彎區(qū)高應(yīng)變?cè)斐傻牧硪粋€(gè)風(fēng)險(xiǎn)就是鋪設(shè)過(guò)程中管線可能出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，雖然可以觀察到在高應(yīng)變下管線發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，但是通過(guò)廣泛的海床調(diào)查經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，承受較大殘余應(yīng)變的管線在海床上是處于直線型的狀態(tài)。

3 在線結(jié)構(gòu)物扭轉(zhuǎn)的預(yù)防

管線附屬結(jié)構(gòu)物的安裝，比如在線叉形管（in-line Wye assembly）、在線三通（in-line Tee assembly）以及相關(guān)在線閥組的安裝，為了控制其相對(duì)于海床的方位，相關(guān)的要求也非常嚴(yán)格，一般方位角度的偏差要求要控制在±5°以內(nèi)。業(yè)界通常是使用深水浮筒來(lái)控制在線結(jié)構(gòu)物在下放過(guò)程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)，這種做法對(duì)于上述提到的管線鋪設(shè)方法全部適用，且效果很好。國(guó)內(nèi)深水鋪管船在南海海域成功安裝了一個(gè) 6″在線三通（ILTA），就是利用深水浮筒來(lái)控制在線三通的扭轉(zhuǎn)，主要的做法如下：

1）在在線三通（ILTA）下水安裝前，需要進(jìn)行一次臨時(shí)棄管作業(yè)（見圖1），來(lái)釋放管線的扭力，從而保證ILTA的正常安裝；

2）當(dāng)在線三通（ILTA）到達(dá)船艉時(shí)，通過(guò)在在線三通上增加一個(gè)臨時(shí)浮筒及相關(guān)鎖具輔助LITA通過(guò)托管架的滾輪（見圖2）。

3）根據(jù)計(jì)算確定吊機(jī)需要給在線三通（ILTA）向上的拉力，當(dāng)在線三通離開托管架后，利用液壓卡環(huán)解開主吊系扣（見圖3）。

4 鋼質(zhì)懸鏈線立管（SCR）的安裝

對(duì)于管道系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施之間的回接，通常使用鋼質(zhì)懸鏈線立管（SCRs）。鋼質(zhì)懸鏈線立管安裝的主要任務(wù)是通過(guò)柔性接頭（flexible joint）將鋼質(zhì)懸鏈線立管自由懸掛在平臺(tái)外側(cè)。鋼質(zhì)懸鏈立管完成鋪設(shè)以后，需要進(jìn)行立管安裝，并完成與平臺(tái)的懸掛連接。

鋼質(zhì)懸鏈立管的安裝主要有兩種模式，即首端安裝和末端安裝。首端安裝模式是指生產(chǎn)設(shè)施已經(jīng)安裝就位[1]，把鋼質(zhì)懸鏈立管的首端安裝到生產(chǎn)設(shè)施之后，再進(jìn)行鋼質(zhì)懸鏈立管的鋪設(shè)作業(yè)的安裝方式；末端安裝模式是指鋪管船朝向的方向生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行鋪管作業(yè)，并最終將立管安裝在生產(chǎn)設(shè)施之上的安裝過(guò)程。

S型鋪管更傾向使用末端安裝模式，使用S型鋪管船進(jìn)行安裝鋼質(zhì)懸鏈線立管時(shí)，一般會(huì)在管道終止鋪設(shè)之后，將管線從托管架放置海床，再將其末端通過(guò)舷側(cè)的吊架回收，通過(guò)平臺(tái)和鋪管船上的絞車配合作業(yè)船吊機(jī)完成鋼質(zhì)懸鏈線立管的柔性接頭與平臺(tái)的連接。如果使用J型鋪管起重船安裝鋼質(zhì)懸鏈線立管，由于大部分此類起重船沒(méi)有突出部分，吊機(jī)可以直接將立管轉(zhuǎn)移到平臺(tái)（見圖4），完成鋼質(zhì)懸鏈線立管與平臺(tái)的連接。

5 深水獨(dú)立式混合管（single hybrid riser）的安裝

深水獨(dú)立式混合立管主要由海底錨（海底錨一般為吸力錨樁結(jié)構(gòu)）、水下壓載模塊、底部立管接頭、底部立管、上部立管、上部立管接頭和浮筒以及柔性跨接管構(gòu)成。安裝完成后，整個(gè)立管系統(tǒng)通過(guò)水下浮筒懸浮在水中，浮筒一般位于海面以下約50 m。運(yùn)行期間，海底開采出的原油通過(guò)海底管線和跨接管輸入立管系統(tǒng)底部，再通過(guò)立管輸入到柔性跨接管。最終，原油通過(guò)柔性跨接管輸送到 FPSO。見圖5。

主要步驟（見圖6和圖7）：

1）安裝吸力錨；

2）正常J型鋪管安裝立管下端結(jié)構(gòu)與立管，開始正常鋪設(shè)；

3）終止J型鋪管并在立管頂端安裝棄官封頭；

4）將立管從J-lay塔棄管，從懸掛平臺(tái)回收，在懸掛平臺(tái)安裝上端結(jié)構(gòu)；

5）柔性跨接管管頭固定在立管上部結(jié)構(gòu)，柔性跨接管綁扎纏繞在立管主體上；

6）將上端浮筒與立管上部結(jié)構(gòu)通過(guò)錨鏈連接；

7）整個(gè)獨(dú)立式混合立管結(jié)構(gòu)通過(guò)吊機(jī)下放，通過(guò)壓載調(diào)節(jié)浮筒浮力；

8）整個(gè)獨(dú)立式混合立管結(jié)構(gòu)底端插入底座基盤固定；

9）回收柔性跨管一端與FPSO回接。

深水捆綁式移位混合立管（bundle hybrid offset riser）的安裝[2-3]，除了預(yù)制環(huán)節(jié)在陸地完成，拖航到現(xiàn)場(chǎng)，然后通過(guò)壓載調(diào)節(jié)，扶正后的安裝步驟基本與深水獨(dú)立式混合立管安裝類似。見圖8。

6 深水管線濕式屈曲的返修

深水管線鋪設(shè)一般使用動(dòng)力定位船舶，但是一旦在施工過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，工程將終止并會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和費(fèi)用進(jìn)行返修。深水管線屈曲的返修，管線回收設(shè)備是修復(fù)的關(guān)鍵因素。該設(shè)備通常包括主軸、排水模塊、啟動(dòng)模塊、吊裝機(jī)械臂、吊環(huán)等構(gòu)件。在管線回收過(guò)程中，通過(guò)啟動(dòng)模塊將楔塊漲開，使啟動(dòng)模塊與管線的內(nèi)壁充分接觸，最終達(dá)到所需海底管線的回收張力。發(fā)生濕式屈曲情況的一般作業(yè)程序如下所述：

1）焊接臨時(shí)棄管封頭（A/R head），實(shí)施臨時(shí)棄管作業(yè)；

2）派遣ROV下水調(diào)查受損管線，評(píng)估受損管線的屈曲程度和范圍；

3）使用ROV切割設(shè)備將受損管段切除；

4）將切割的受損管段從海管路由移除，并進(jìn)行回收；

5）從主作業(yè)船下放管線回收設(shè)備，并將其連接到管線的進(jìn)水端；

6）通過(guò)壓縮空氣推動(dòng)排水球進(jìn)行管線排水作業(yè)；

7）通將A/R纜與管線回收設(shè)備連接，利用回收張力將海管回收至作業(yè)線；

8）檢查切割點(diǎn)附近所有管線的狀態(tài)。如果節(jié)點(diǎn)附近仍發(fā)現(xiàn)有損壞情況，則進(jìn)一步回收海管，直至管線全部完好；

9）管線回收完成后，開始正常鋪設(shè)。

早在1996年的時(shí)候，墨西哥灣出現(xiàn)過(guò)一次鋪管過(guò)程中一條12″的管線1 800 m的水中出現(xiàn)問(wèn)題，但最終通過(guò)使用ROV最終將管子成功收回到船上，并對(duì)其進(jìn)行了切割、組對(duì)焊接、防腐等。整個(gè)維修過(guò)程耗費(fèi)了好幾周時(shí)間，給承包商造成了相當(dāng)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

7 設(shè)備能力的升級(jí)

超深水大管徑的海底管線鋪設(shè)，例如 24″海管2 500 m水深鋪設(shè)，這些需求都依賴于S型鋪管船的張緊器、Aamp;R絞車以及托管架等能力的發(fā)展和提升。這促使大量S型鋪管船對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行升級(jí)。2005年“Solitaire”鋪管船的張緊器的總張力升級(jí)到875 t，幾年之后其Aamp;R絞車也升級(jí)到1 000 t。除此之外，為了能夠承攬未來(lái)深水管線安裝項(xiàng)目，2005年Solitaire更新了140 m長(zhǎng)的托管架，該托管架可以承擔(dān)總共約1 000 t管線的重量。為了控制托管架滾輪上的載荷集中，新的托管架安裝了更多的滾輪并安裝了均衡器，最終實(shí)現(xiàn)了將載荷均勻分布在托管架各個(gè)滾輪上目的。見圖9。

國(guó)內(nèi)的深水鋪管船也分別對(duì)Aamp;R絞車、張緊器以及托管架等能力進(jìn)行了改造升級(jí)。見圖10。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有深水鋪管船設(shè)備升級(jí)，現(xiàn)已經(jīng)打破了之前的S型鋪管的極限，即使是相對(duì)較重的管道，如雙層管和注水管都能通過(guò)S型鋪管法完成鋪設(shè)安裝。

8 限制管道鋪水深的因素

石油、天然氣等碳?xì)浠衔锏目碧揭呀?jīng)達(dá)到了3 300 m。但是為了避免氣體管線受壓變形，所以深水管線的直徑將受到一定的限制。當(dāng)水深為2 500 m時(shí)，24″管線要求的壁厚將超過(guò)30 mm。當(dāng)前，對(duì)于埋弧焊接管線來(lái)說(shuō)壁厚一般限制在40 mm～45 mm之內(nèi)。這種壁厚下，24″管線能夠適應(yīng)3 600 m～3 900 m的水深。管線制造商也會(huì)對(duì)于不同管徑的壁厚進(jìn)行限制，所以深水管線的直徑將會(huì)隨著水深的增加而減小。

24″管線在上述水深下對(duì)張緊器和Aamp;R絞車的要求是靜態(tài)張力可以達(dá)到1 000 t～1 500 t。輸油管線為了避免管線在鋪設(shè)過(guò)程中發(fā)生變形可以采取注水鋪設(shè)，所以管線在鋪設(shè)的時(shí)候管線的重量相對(duì)較大。

這些趨勢(shì)導(dǎo)致了對(duì)現(xiàn)有鋪管設(shè)備進(jìn)一步進(jìn)行能力升級(jí)：“Solitaire”鋪管船安裝了一個(gè)“S-Lift”的結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)能夠?yàn)樯钏芫€提供1 500 t靜態(tài)張力以及2 000 t動(dòng)態(tài)張力。“S-Lift”結(jié)構(gòu)其主要通過(guò)兩個(gè)水下管線夾具來(lái)承擔(dān)托管架尾部的管子載荷。當(dāng)使用S-Lift方法時(shí)，管線的軸向應(yīng)變顯著降低，所以管線在鋪設(shè)過(guò)程中可以承受更大的彎曲變形。

9 結(jié)論

深水管線鋪設(shè)經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到安全且經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。盡管很多鋪管方法能夠進(jìn)行深水管線鋪設(shè)，并且都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但是最終還是取決于價(jià)格因素。對(duì)于管徑小長(zhǎng)度小的項(xiàng)目，卷盤是鋪管法競(jìng)爭(zhēng)力很強(qiáng)。如果項(xiàng)目中有重型吊裝和鋼質(zhì)懸鏈線立管（SCRs）安裝，J型鋪管方式具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。S型鋪管方式經(jīng)濟(jì)性好、鋪設(shè)效率高，通過(guò)設(shè)備能力升級(jí)，S型鋪管法將繼續(xù)主導(dǎo)深水管線鋪設(shè)市場(chǎng)。

[1]李志剛, 主編.深水海底管道鋪設(shè)技術(shù)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.

[2]E.P.Heerema, Allseas Group SA.Recent Achievements and Present Trends in Deepwater Pipe-lay System[C]//OTC, 2005.

[3]PSVM.The Deepest Development in West-Africa,Thanos Moros BP[C]// MCE Deepwater Development,Hague, 2013.

Pipe-lay Technology in Deep Water

DONG Yaofeng1, ZHEN Hongchang2, QI Jinlong1, YE Di1
(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China; 2.China Petroleum Pipeline Engineering Co., Ltd., Tianjin 300270, China)

Significant development of pipe-lay technology in deep water has been seen in the past decades.It is expected that the depth of offshore oilfield exploration will reach 3 600 m which will be broken through.Now a number of methods have advantages in deep water market.The in-line structures and steel catenary risers can be installed efficiently and safely.The rotation of pipelines and be controlled effectively.Offshore repairing technology is also verified.The paper introduces several installation methods of deep-water offshore pipelines, and discusses several tendencies of newly built deep-water pipe-lay vessels and market factors.The paper offers reference for colleagues.

deep water; pipe-lay; pipe-lay method

U674.38+1，N945.23

A

10.14141/j.31-1981.2017.04.016

董耀鋒（1977—），男，工程師，研究方向：海洋石油深水工程項(xiàng)目的施工及管理。