淺談深水剛性跨接管設(shè)計與安裝

蔣云鵬 檀曉光 楊學(xué)政 鄭申奎 賈 帥

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

我國石油天然氣資源開發(fā)大都聚集在陸上，目前開發(fā)程度已經(jīng)趨近飽和。隨著勘探技術(shù)進(jìn)步，專家發(fā)現(xiàn)海洋油氣資源具有廣闊的開發(fā)前景。據(jù)探測，我國大約1/3 的油氣資源聚集在南海，其中南海淺水區(qū)有30%，而深水區(qū)的比重高達(dá)70%，但受深海環(huán)境和現(xiàn)有技術(shù)限制，開采僅局限在淺海區(qū)域。隨著我國能源戰(zhàn)略向深海邁進(jìn)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)成為油氣資源開發(fā)的主要生產(chǎn)模式。作為水下采油樹、管道終端管匯、管道終端及輸油管線之間的連接構(gòu)件，深水跨接管安裝具有極大的重要性。因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境復(fù)雜多變、水下操作不夠靈敏，跨接管在運(yùn)輸、吊裝和水下安裝過程中極易破損或安裝失位，造成不可估量的安全事故和財產(chǎn)損失。針對我國深水跨接管安裝技術(shù)尚未成熟的現(xiàn)狀，該文根據(jù)南海某深水跨接管安裝工程項目，總結(jié)了跨接管的設(shè)計基礎(chǔ)、海上安裝工藝，并對安裝過程的重點(diǎn)階段進(jìn)行了風(fēng)險分析，完善了深水跨接管安裝技術(shù)。

1 跨接管設(shè)計基礎(chǔ)

1.1 跨接管類型

跨接管是水下結(jié)構(gòu)物之間的連接樞紐，由1 根管件和兩端連接器組成。根據(jù)管件材料差異，可以分為剛性跨接管和柔性跨接管，因?yàn)槿嵝钥缃庸芫哂胁牧习嘿F、不耐高壓的特點(diǎn)，因此在深水油氣田開發(fā)工程中一般選取剛性跨接管。根據(jù)管件結(jié)構(gòu)形狀，剛性跨接管分為“M 彎管型”、“M 肘型”和“U 型”，表1 是3 種剛性跨接管的特點(diǎn)。根據(jù)布置形式的差異，剛性跨接管分為垂直跨接管和水平跨接管，其中垂直連接施工簡單高效，適用于連接相對高度較大的結(jié)構(gòu)物。該文中的深水油氣田工程項目選取M 型垂直跨接管來連接采油樹和海管終端。

表1 三種剛性跨接管的特點(diǎn)

1.2 跨接管結(jié)構(gòu)設(shè)計

跨接管在設(shè)計和制造時應(yīng)滿足DNV 規(guī)范（DET NORSKE VERITAS，挪威船級社），尺寸和強(qiáng)度要滿足施工需求?？缃庸艿墓芗L度主要由海底結(jié)構(gòu)物的間距決定，長度越大，則柔性越大，測量誤差越大，且自重應(yīng)力也會增加，更容易受到渦激振動的影響?？缃庸艿谋诤癖仨毘惺芩休d荷的作用，包括偏心、外壓、內(nèi)壓、自重、外部載荷等。除此之外，局部的高應(yīng)力部分要加大壁厚。如果跨接管有清管要求，則內(nèi)徑必須與所連接的管線保持一致?？缃庸艿牟牧线x取既要檢驗(yàn)承載外部載荷的能力，又要考慮材料的防腐性能。

跨接管安裝過程會受到各種外部載荷的影響，其中海流和溫度的影響較為顯著。管柱表面在順流及橫向海流作用下形成周期性變化的脈動壓力，引發(fā)管柱周期性振動，反過來又會改變漩渦形態(tài)，這種由海流-管柱的相互作用而產(chǎn)生的振動稱為VIV（Vortex Induced Vibration，渦激振動）。當(dāng)振動頻率接近跨接管的固有頻率時，很可能會使跨接管產(chǎn)生共振，造成其疲勞損壞。對此，造成其跨接管表面安裝VIV抑制裝置（如圖1 所示），VIV 抑制裝置特殊的構(gòu)造可以有效除去或者減輕渦激振動的影響，限制額外的疲勞受損。安裝VIV 抑制裝置時，既要考慮跨接管最容易產(chǎn)生疲勞受損的位置，又要避免與吊裝索具、裝船固定位置互相干涉。此外，溫度變化引起的管線熱膨脹的大小和方向?qū)缃庸艿膽?yīng)力也有顯著的影響。

圖1 VIV 抑制裝置及安裝示意圖

水下連接器根據(jù)鎖緊方式分類，主要有螺栓法蘭式、卡爪式、卡箍式，其中螺栓法蘭式連接器需要人工潛水操作，不適用于深海。淺水油氣田水下設(shè)備的連接通常采用螺栓法蘭，并由潛水員進(jìn)行水下安裝操作。但是深水環(huán)境下螺栓法蘭連接器的操作相對復(fù)雜，隨著水深增加潛水員受到限制，只能由ROV（Remotely Operated Vehicle，水下機(jī)器人）來負(fù)責(zé)簡單的水下操作，因此螺栓法蘭連接不再適用于深水領(lǐng)域。HCS（Horizontal Connection System，水平連接器）和VCS（Vertical Connection System，垂直連接器）是2 種可用于深水的連接器，分別是卡爪式和卡箍式，其特點(diǎn)如表2 所示。通過對比可知，該深水項目采用的是結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、操作容易、回接時間短、安裝效率高的VCS。

表2 HCS 和VCS 的特點(diǎn)

如圖2 所示，該項目采用AKER 公司的VCS 連接器，OB Hub（Out-board Hub，外輪轂）連接在跨接管上，IB Hub（In-board Hub，內(nèi)輪轂）連接在采油樹和海管終端上。

圖2 連接器上端（左圖）和下端（右圖）示意圖

1.3 深水剛性跨接管安裝一體化設(shè)計

該項目通過技術(shù)攻關(guān)與工程實(shí)踐相結(jié)合，形成了深水豎直型剛性跨接管一體化安裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了跨接管吊裝索具、跨接管裝船運(yùn)輸、跨接管吊裝撐桿的一體化設(shè)計，極大地節(jié)省了設(shè)計與安裝成本，提高了海上安裝效率。

該項目通過分析整理不同尺寸與長度跨接管的吊裝計算數(shù)據(jù)，對跨接管統(tǒng)一進(jìn)行索具設(shè)計，使不同尺寸與長度跨接管共用1 套吊裝索具設(shè)計。通過調(diào)整索具的長度和吊點(diǎn)，完成受力穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的索具布置，節(jié)省了設(shè)計工時及建造、采購成本。

該項目將跨接管裝船結(jié)構(gòu)設(shè)計為可高度調(diào)節(jié)，以滿足不同形式的跨接管裝船需求。實(shí)現(xiàn)了大部分跨接管支撐結(jié)構(gòu)的重復(fù)利用，節(jié)省了設(shè)計成本和建造成本。

該項目創(chuàng)新性地提出了三段組合撐桿設(shè)計，中間用法蘭螺栓連接。吊長管時組合起來使用，吊短管時拆開使用，既提高了海上施工安全性，又節(jié)約了成本。如圖3 所示，吊裝撐桿一體化設(shè)計具有如下特點(diǎn)：1）撐桿底座設(shè)計簡單小巧，限位鐵盒既滿足了在航行期間撐桿在撐桿支架上的限位要求，同時也可以用于撐桿回收后在甲板上保持撐桿穩(wěn)定；2）撐桿側(cè)面的限位細(xì)管設(shè)計的互相干涉軟吊帶在運(yùn)輸過程中移位，導(dǎo)致海上吊裝過程中各條索具受力不均勻的情況；3）頂部的小管設(shè)計便于索具回掛，在撐桿回收過程中有效的縮短了懸垂索具的長度，避免在撐桿回收過程中索具與跨接管支架的互相干涉；4）兩側(cè)的ROV 把手用于ROV 在水下控制撐桿姿態(tài)，方便水下ROV 作業(yè)，提高整體施工效率；5）預(yù)裝的ROV 可解脫式尾繩便于撐桿回收到駁船后，駁船甲板工控制撐桿回收至駁船甲板的姿態(tài)；6）預(yù)裝的8m 吊帶便于甲板連接牽引絞車并控制吊裝姿態(tài)，便于海上絞車與撐桿之間的連接，同時也便于水下ROV 解脫。

圖3 跨接管撐桿設(shè)計

2 深水剛性跨接管海上安裝工藝

2.1 關(guān)鍵資源設(shè)備

海上安裝作業(yè)需要按照實(shí)際工程需求配備作業(yè)船，其吊裝能力與范圍需要滿足施工要求。當(dāng)作業(yè)船的甲板面積不足且無法裝載跨接管等設(shè)備時，還需要用運(yùn)輸駁船來運(yùn)輸工具。若需要裝載更多跨接管降低運(yùn)輸成本，則需要根據(jù)船舶條件和岸吊能力合理設(shè)計裝船方案，特別注意裝載架與裝載架之間要留有足夠的空間，避免裝載架上的跨接管和連接器發(fā)生碰撞。

撐桿和索具是吊裝和安裝跨接管時常用的工具，可以最小化起吊角度，使跨接管受力更加均勻，減小其局部應(yīng)力，避免其嚴(yán)重形變。撐桿和索具的設(shè)計需要按照相應(yīng)的DNV規(guī)范，達(dá)到足夠的剛度要求，保障施工過程中跨接管的撓度和應(yīng)力在允許范圍內(nèi)，要與相應(yīng)的跨接管規(guī)格相匹配，如果其質(zhì)量、強(qiáng)度、剛度等過大，不僅浪費(fèi)材料，還會增加吊裝的難度，過小則會造成撐桿斷裂、增加安全風(fēng)險；不能超出運(yùn)輸駁船的承載要求，以免在運(yùn)輸過程中造成安全事故；吊裝大尺寸的跨接管時，為了提高撐桿利用率，在原撐桿兩端通過焊接法蘭分別連接一段撐桿，組成長撐桿；其結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)將跨接管安裝和回收期間的將船只運(yùn)動引發(fā)的運(yùn)動減小到最小；撐桿和鎖具提升應(yīng)有現(xiàn)場調(diào)節(jié)功能，使提升操作簡便，提高安裝效率。

ROV 是一種水下自由移動的機(jī)器人，主要組成部分有水面控制單元、收放系統(tǒng)、臍帶纜和水下潛器等。水面控制單元通過控制系統(tǒng)遙控ROV；由液壓站、絞車和 A 型架組成的收放系統(tǒng)進(jìn)行水下潛器的下水和回收；臍帶纜連接水下系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)通信并提供動力；水下潛器接收水面指令進(jìn)行水下作業(yè)。

作業(yè)船配備兩臺ROV，同時協(xié)助彌補(bǔ)視覺盲區(qū)，引導(dǎo)吊機(jī)下放跨接管至管匯接口上，避免因觀察不到位造成的刮擦碰撞等損傷，極大地提高了安裝效率和作業(yè)安全性；ROV提供液壓動力，操作驅(qū)動工具把跨接管的連接器鎖緊在結(jié)構(gòu)物上；在確認(rèn)液壓鎖閉完成后，ROV 使用背壓測試工具對首尾兩端密封情況進(jìn)行測試，保持相應(yīng)的設(shè)計壓力。

結(jié)構(gòu)物下水時，一般會在IB 上安裝保護(hù)帽，臨時保護(hù)連接器的IB?？缃庸茉谙滤惭b以前需要拆除保護(hù)帽。OB和IB 連接的密封圈一般會提前安裝在OB 上，以便在組對連接時起到密封的作用。

濕天然氣在深海海底的低水溫和高壓力條件下容易在油氣管道中形成NGH（Natural Gas Hydrate ，天然氣水合物），NGH 堵塞管線閥門等設(shè)備，將會嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，跨接管需要提前注入MEG（Mono Ethylene Glycol，乙二醇），以避免在安裝過程中海水進(jìn)入跨接管，形成水合物。

MEG 凝膠防止水合物形成的原理如下：其采用了由多種成分共同復(fù)配得到的一種MEG 凝膠體系，除了主成分稠化劑、交聯(lián)劑以外，還包括殺菌劑、pH 調(diào)節(jié)劑等。MEG 凝膠在1000m 水下（溫度 2～4℃）抗低溫能力強(qiáng)，適宜的潤濕性和表面張力能與管壁貼合緊密，封堵效果好。預(yù)先對所需安裝的深水跨接管進(jìn)行灌注時，MEG 凝膠具有適宜的交聯(lián)時間且凝膠時間可調(diào)，有合成工藝簡單、現(xiàn)場可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。等水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后再將其除去，破膠徹底后也不會堵塞水下油氣管道的閥門及過濾器等水下設(shè)施。

2.2 跨接管安裝工藝

預(yù)先完成跨接管的設(shè)計及預(yù)制、撐桿拉力試驗(yàn)、跨接管裝船運(yùn)輸、主作業(yè)船的DP 測試 （Dynamic Positioning System，動力定位系統(tǒng)）和ROV 測試。下放ROV 進(jìn)行海底預(yù)調(diào)查，拆除并回收海管終端和采油樹上的壓力帽，清理密封圈并換上臨時保護(hù)帽。

作業(yè)船右舷安裝兩個碰球，駁船靠泊后工作人員登船進(jìn)行以下操作：目視檢查VCS 是否存在運(yùn)輸損傷，在滑道上涂抹潤滑油，檢查緊固器以確認(rèn)VCS 內(nèi)部可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)并保持打開狀態(tài)，檢查密封圈槽、扭矩扳手接口是否完好，準(zhǔn)備索具和尾繩。

作業(yè)船緩慢起吊跨接管，從右舷緩慢下水；下放ROV 入水，在水下觀察跨接管下放過程；跨接管過飛濺區(qū)后繼續(xù)下放，至距離海床約30m 時，吊機(jī)開啟升沉補(bǔ)償，同時ROV在水下找到跨接管并減速下放；ROV 拆除連接器IB 上的臨時保護(hù)帽，協(xié)助兩側(cè)的VCS 著陸，完成OB 和IB 的回接。ROV“手持”扭矩扳手進(jìn)行VCS 鎖緊，然后拆除并回收扭矩扳手。ROV 斷開索具后，吊機(jī)回收撐桿和索具。ROV“手持”試壓工具對VCS 密封圈進(jìn)行背壓測試，確認(rèn)完成跨接管安裝后拆除并回收試壓工具。

鎖緊原理如下：如圖4 所示，VCS 鎖緊裝置的主體由相互鉸接的三瓣卡鉗組成，在扭矩扳手作用下卡鉗開始鉗緊，控制卡箍閉合，從而收緊上、下法蘭，實(shí)現(xiàn)VCS 鎖緊。

圖4 VCS 鎖緊原理示意圖

背壓測試原理：如圖5 所示，VCS 的O 形圈、密封圈和上、下法蘭形成一個環(huán)形腔體，試壓工具從接口輸送壓力后，如果在試壓工具和接口正常的情況下未發(fā)現(xiàn)壓力外漏，則說明跨接管安裝成功。

圖5 背壓測試原理示意圖

3 跨接管安裝風(fēng)險分析

3.1 海上運(yùn)輸風(fēng)險分析

跨接管在運(yùn)輸過程中存在運(yùn)輸不穩(wěn)定，甚至發(fā)生撐桿滑脫的安全風(fēng)險，主要與以下2 個方面有關(guān)：1）海上天氣：實(shí)時監(jiān)測海上天氣情況，選擇適當(dāng)?shù)拇翱谄谶\(yùn)輸施工，避免極端天氣對工程運(yùn)輸?shù)挠绊憽?）裝船運(yùn)輸設(shè)計：針對不同尺寸的跨接管，需要對運(yùn)輸船甲板進(jìn)行合理布置，避免因?yàn)檠b船結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而發(fā)生吊帶斷裂、支架倒塌、撐桿滑脫等情況。

3.2 海上吊裝風(fēng)險分析

跨接管在起吊和下放入水過程中都需要配合作業(yè)船的主吊機(jī)，吊裝難易程度影響因素很多，情況復(fù)雜多變。主要與以下幾個方面有關(guān)。1）吊機(jī)能力：吊裝半徑越小，則吊機(jī)吊高越高，承載力越大，越有利于跨接管吊裝，但受限于碰球及支架位置設(shè)計等因素。2）吊裝索具設(shè)計：索具越短，越有利于跨接管吊裝，但受限于DNV 索具設(shè)計規(guī)范、撐桿長度及強(qiáng)度、ROV 水下操作最小安全距離、撐桿支架與跨接管最小距離等因素。3）撐桿規(guī)格：撐桿長度越短、質(zhì)量越小，越有利于海上吊裝作業(yè)，但受限于跨接管長度、撐桿強(qiáng)度。4）船舶吃水：工程船吃水越淺、駁船吃水越深，則相對吊高越大，吊高余量越大，但受限于船舶穩(wěn)性及船舶調(diào)載能力。5）跨接管及撐桿支架設(shè)計：距離船舷越近，吊機(jī)吊高越大，吊高余量越大，但受限于支撐平臺最小尺寸設(shè)計及安全通道設(shè)計等。

3.3 深水安裝風(fēng)險分析

跨接管在空中吊裝、過飛濺區(qū)、下放、就位的過程中，會時刻受到外部動態(tài)載荷的影響，該影響主要來自于波浪、海流以及作業(yè)船的運(yùn)動響應(yīng)。以下是各階段跨接管受到的動態(tài)載荷特征和對應(yīng)方案設(shè)計重點(diǎn)：1）空中吊裝。動態(tài)荷載受船舶運(yùn)動響應(yīng)影響，通常是波浪周期和有義波高越大，船舶運(yùn)動響應(yīng)越差，吊裝過程中的動態(tài)載荷越大；方案設(shè)計重點(diǎn)應(yīng)為最大動載需小于吊機(jī)能力、撐桿/索具能力、跨接管自身強(qiáng)度/變形。2）過飛濺區(qū)。動態(tài)荷載主要受船舶運(yùn)動響應(yīng)和波浪對跨接管的抨擊力影響，設(shè)計方案時除了上述重點(diǎn)以外，還需額外關(guān)注索具松弛現(xiàn)象。3）下放過程。動態(tài)載荷主要受海流對跨接管的影響，需要關(guān)注深水共振的可能性，以免造成安全事故和設(shè)備財產(chǎn)損失。4）就位過程。需要額外關(guān)注VCS 的著陸速度及加速度要求，以免與結(jié)構(gòu)物發(fā)生碰撞。

4 結(jié)語

該文梳理了深水剛性跨接管的設(shè)計基礎(chǔ)和關(guān)鍵資源設(shè)備；總結(jié)了某深海項目M 型剛性跨接管安裝的方案流程；對跨接管進(jìn)行了海上運(yùn)輸風(fēng)險分析，對海上天氣和裝船運(yùn)輸設(shè)計提出了要求；通過海上吊裝風(fēng)險分析，得出吊機(jī)能力、索具設(shè)計、撐桿設(shè)計、船舶吃水、跨接管和撐桿支架設(shè)計5 個因素的影響關(guān)系；通過深水安裝風(fēng)險分析，得出波浪周期和有義波高對船舶響應(yīng)的影響關(guān)系，總結(jié)了空中吊裝、過飛濺區(qū)、下放、就位4 個過程中的重要風(fēng)險因素。結(jié)合以上研究內(nèi)容所形成的深水剛性跨接管安裝技術(shù)，可為我國挺進(jìn)深海的能源戰(zhàn)略提供一定的參考。