周　禮，段夢(mèng)蘭，張　康，邱　盼，劉秉奇

深水剛性跨接管安裝操控作業(yè)及風(fēng)險(xiǎn)研究

周禮，段夢(mèng)蘭，張康，邱盼，劉秉奇

（中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣研究中心，北京102249）①

在深水油氣田開(kāi)發(fā)模式中，跨接管作為重要的連接元件用于連接管線與采油樹(shù)、管線與管匯、管匯與采油樹(shù)、管匯與立管等水下生產(chǎn)設(shè)施，其安裝技術(shù)是構(gòu)建水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要內(nèi)容。以某深水氣田M型跨接管安裝過(guò)程為例，介紹了跨接管下放安裝作業(yè)方法及要求，利用事故樹(shù)分析方法對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究，找出安裝過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并提出控制措施，旨在為我國(guó)深水跨接管下放安裝提供參考。

剛性跨接管；下放安裝；事故樹(shù)

當(dāng)前，海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)已由淺海走向深海，水下生產(chǎn)系統(tǒng)由于其在開(kāi)發(fā)深水油氣田時(shí)具有明顯的綜合經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被世界上很多國(guó)家作為油氣田開(kāi)發(fā)的一種重要方式廣泛研究和應(yīng)用［1］。水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要由油井、采油樹(shù)、井口、臍帶纜、立管、管匯、控制系統(tǒng)、搭配出油管、跨接管組成。跨接管是水下生產(chǎn)系統(tǒng)中重要的近距離連接設(shè)備，用于連接管線與采油樹(shù)、管線與管匯、管匯與采油樹(shù)、管匯與立管等水下生產(chǎn)設(shè)施［2］。

隨著世界各大石油公司在深海領(lǐng)域不斷增加投入，海洋石油水下裝備的需求也將日趨增大，但國(guó)內(nèi)對(duì)于深水裝備的安裝操作仍主要由國(guó)外公司完成，還不能完全自主掌握如深水跨接管這樣的大型水下結(jié)構(gòu)物安裝操控作業(yè)技術(shù)［3］。本文以某1500m深水氣田為例，詳細(xì)闡述深水跨接管的安裝作業(yè)，并用FTA法對(duì)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究以期完善整個(gè)安裝過(guò)程。

1　深水剛性跨接管

1.1結(jié)構(gòu)形式

如圖1所示，跨接管可以按照其連接方式的不同分為垂直跨接管和水平跨接管。其中，垂直跨接管按其具體形狀又可分為M形（彎管）、M形（肘彎）、倒U形［4-5］?？梢愿鶕?jù)水下系統(tǒng)的具體情況選擇相應(yīng)形式的跨接管。

圖1　常見(jiàn)的剛性跨接管

1.2功能實(shí)現(xiàn)

水下跨接管主要通過(guò)跨接管兩端的連接器與其他水下結(jié)構(gòu)的轂座相連，連接器根據(jù)跨接管形式的不同分為垂直連接器和水平連接器。M形跨接管所使用的垂直連接器［6-8］如圖2所示。

圖2　跨接管連接器與轂座連接示意

連接器的工作原理為：在連接器及安裝工具整體與轂座完成對(duì)中后，啟動(dòng)液壓缸推動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)使其沿軸向向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，卡爪向內(nèi)回收將跨接管末端與其他水下設(shè)備上的轂座鎖緊，進(jìn)行密封測(cè)試后即實(shí)現(xiàn)了跨接管的連接功能。

2　跨接管安裝作業(yè)過(guò)程

2.1總體流程

剛性跨接管的總體提升結(jié)構(gòu)如圖3所示，在跨接管駛離陸地之前，首先要做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，包括：檢測(cè)和布置分布梁吊點(diǎn)、索具等；隨后將分布梁和跨接管放置在運(yùn)輸支架上由拖船運(yùn)往目標(biāo)海域。到達(dá)目標(biāo)海域后，再次進(jìn)行相關(guān)檢查工作，確保安裝船吊機(jī)的相關(guān)索具安裝可靠，連接器安裝工具已鎖定在連接器上，然后借助ROV對(duì)水下轂座進(jìn)行檢查，確認(rèn)水下相關(guān)標(biāo)識(shí)和有無(wú)障礙物等。

圖3　跨接管提升總體結(jié)構(gòu)

在完成一系列準(zhǔn)備工作后，可借助安裝船進(jìn)行下放作業(yè)，首先被下放的是ROV工作籃，它可攜帶相關(guān)工具到水下對(duì)轂座進(jìn)行一些前期處理，例如移除壓力帽、對(duì)轂座進(jìn)行清潔、安裝巖屑帽等。在所有前期工作完成后，可進(jìn)行跨接管下放安裝工作?？傮w安裝流程如圖4所示。

圖4　總體安裝流程

2.2具體步驟

受篇幅所限，本小節(jié)將僅對(duì)整個(gè)安裝過(guò)程的核心部分——即圖4中所述跨接管安裝部分進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.2.1整體下放過(guò)程

1）進(jìn)行完相關(guān)準(zhǔn)備工作后，使安裝船停泊至預(yù)先設(shè)定的安全作業(yè)海域，然后為主吊機(jī)和絞車(chē)安裝上部索具，將裝載有跨接管的駁船停泊至與安裝船平行的位置。

2）連接主吊機(jī)上部索具和分布梁上部索具，為分布梁和跨接管安裝操控繩，然后啟動(dòng)絞車(chē)使其索具進(jìn)入水中待命。

3）首先啟動(dòng)主吊機(jī)，開(kāi)始提升分布梁，使其脫離運(yùn)輸支架，借助操控繩控制分布梁，繼續(xù)提升，直至分布梁整體完全處于跨接管正上方且與其平行的位置。

4）提升跨接管使其離開(kāi)運(yùn)輸支架至足夠高度，使其不因安裝船和駁船的升沉運(yùn)動(dòng)而發(fā)生碰撞，之后駁船駛離安裝船，如圖5。將絞車(chē)索具下放至50 m水深處，在此等候后續(xù)進(jìn)行的載荷轉(zhuǎn)移操作。

圖5　整體下放過(guò)程

5）下放跨接管進(jìn)入水中，并解除跨接管操控繩，將跨接管下放至水深約50 m處，停止下放，準(zhǔn)備與絞車(chē)進(jìn)行載荷轉(zhuǎn)移。

6）將在主吊機(jī)上部索具上的自由索環(huán)連接至絞車(chē)索具的掛鉤上，主吊機(jī)緩慢下放，由于所承受的載荷逐漸轉(zhuǎn)移至絞車(chē)上，其連接索具逐漸松弛，由ROV將主吊機(jī)上的索環(huán)卸下，由此完成了由主吊機(jī)向絞車(chē)的載荷轉(zhuǎn)移，如圖6。

圖6　載荷轉(zhuǎn)移操作

7）繼續(xù)通過(guò)絞車(chē)下放跨接管，至距離海床25 m處時(shí)停車(chē)，此時(shí)可將主吊機(jī)索具回收至水面。

8）按照既定路徑，調(diào)整安裝船位置至目標(biāo)安裝海域，啟動(dòng)安裝船的AHC（升沉補(bǔ)償系統(tǒng)）；然后由ROV移除轂座上的巖屑帽，2個(gè)ROV分別各自調(diào)節(jié)控制1個(gè)位于跨接管兩端的連接器安裝工具，以協(xié)助跨接管進(jìn)行著陸操作。

9）借助ROV控制跨接管兩端的安裝工具與水下設(shè)施的轂座對(duì)中，嚴(yán)格控制絞車(chē)下放速度，使其不超過(guò)規(guī)定極限速度（0.6 m／s），借助安裝工具進(jìn)行軟著陸，并使跨接管上部索具逐漸松弛。

在連接分布梁下部索具時(shí)，可通過(guò)控制不同吊點(diǎn)索具的長(zhǎng)度來(lái)使跨接管整體與水平線呈一定角度（約1～2°），這樣可以使跨接管先在一端著陸，然后經(jīng)繞一端旋轉(zhuǎn)后再進(jìn)行另一端著陸。

2.2.2分布梁回收及連接器鎖緊過(guò)程

1）ROV解除分布梁下部索具，使其與跨接管分離，絞車(chē)提升分布梁至距離海床25 m處，ROV通過(guò)一系列操作將跨接管連接器和轂座進(jìn)行鎖緊（如圖7），對(duì)連接器進(jìn)行密封測(cè)試后，將安裝船移動(dòng)至安全操作海域。

圖7　水下跨接管連接器鎖緊過(guò)程

2）回收分布梁至距離水面50 m處，將主吊機(jī)索具同樣下放至距離水面50 m處，二者進(jìn)行載荷轉(zhuǎn)移，同2.2.1中第6步，使絞車(chē)索具完全回收至安裝船。

3）將操控繩連接至分布梁后，繼續(xù)由主吊機(jī)回收分布梁，并穿越飛濺區(qū)，然后將駁船停泊至與安裝船平行的位置，在操控繩的控制下，下放分布梁至駁船上的運(yùn)輸支架上，解除相關(guān)索具及操控繩的連接。

2.2.3安裝工具回收過(guò)程

1）將安裝工具回收索具連接至絞車(chē)，絞車(chē)下放至距離海床25 m處；同時(shí)，為輔助吊機(jī)（起重量較低）安裝回收索具，并下放至距離水面50m處等待進(jìn)行載荷轉(zhuǎn)移操作。

2）將安裝船駛至目標(biāo)海域，絞車(chē)?yán)^續(xù)下放。借助ROV將安裝工具上的索具（可在浮力模塊的作用下處于豎直浮起狀態(tài)）與回收索具相連，ROV操作使安裝工具與跨接管連接器解鎖，在絞車(chē)對(duì)繩索施加輕微張力后，檢查索具是否處于豎直狀態(tài)。緩慢提升連接器安裝工具至距離海床25m處，停車(chē)。

3）移動(dòng)安裝船至安全作業(yè)區(qū)域，繼續(xù)回收至距離水面50m處，進(jìn)行載荷轉(zhuǎn)移操作（具體見(jiàn)第6步），將載荷轉(zhuǎn)移至輔助吊機(jī)（安裝船上起重量較輕的吊機(jī)）。

4）通過(guò)ROV釋放安裝工具底部的操控繩，輔助吊機(jī)繼續(xù)回收安裝工具，同時(shí)將絞車(chē)回收。

5）將駁船停泊至與安裝船平行的位置，將安裝工具提升至足夠高度，由工作人員控制安裝工具操控繩使安裝工具緩慢地著陸于駁船；進(jìn)行同樣的操作以回收另一安裝工具。安裝工具回收過(guò)程如圖8。

圖8　安裝工具回收過(guò)程

3　基于FTA的跨接管安裝過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)研究

3.1FTA構(gòu)建

事故樹(shù)分析又稱故障樹(shù)分析，是從結(jié)果到原因找出與事故有關(guān)的各種因素之間因果關(guān)系和邏輯關(guān)系的作圖分析法。該方法把系統(tǒng)可能發(fā)生的事故放在圖的最上面（頂上事件Top event），按系統(tǒng)構(gòu)成要素之間的關(guān)系，分析與事故有關(guān)的原因。具體過(guò)程是通過(guò)頂上事件進(jìn)行逐層邏輯推導(dǎo)直至找出基本原因事件（Basic event），找出導(dǎo)致事故發(fā)生的基本原因組合，通過(guò)定性與定量分析，找出事先未能預(yù)測(cè)到的原因事件［9-10］?？缃庸馨惭b過(guò)程事故樹(shù)如圖9。

圖9　跨接管安裝過(guò)程事故樹(shù)

3.2跨接管安裝過(guò)程事故樹(shù)分析

在事故樹(shù)中凡是能導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的基本事件的集合稱為割集；凡能導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合（也可以說(shuō)不包含其他割集的割集）稱為最小割集。事故樹(shù)中最小割集越多，頂上事件發(fā)生的可能性就越大，系統(tǒng)就越危險(xiǎn)。相反地，在事故樹(shù)中，有1組基本事件不發(fā)生，頂上事件就不發(fā)生，這一基本事件的集合稱為徑集。凡是不能導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合（也可以說(shuō)不包含其他任何徑集的徑集）叫最小徑集。最小徑集越多，頂上事件不發(fā)生的途徑就越多，系統(tǒng)也就越安全。結(jié)構(gòu)重要度分析是分析基本事件對(duì)頂上事件的影響程度，可以從中找出影響事故的主要原因，從而采取有效措施應(yīng)對(duì)事故的發(fā)生，制定應(yīng)急預(yù)案。

3.2.1本事故樹(shù)最小割集

借助中國(guó)礦業(yè)大學(xué)孟現(xiàn)飛老師編制的FTA分析軟件，可以得出本事故樹(shù)共有10個(gè)最小割集：

1）｛X1｝，吊耳焊點(diǎn)失效。

2）｛X10｝，安裝工具故障。

3）｛X11｝，連接器卡爪鎖緊不到位。

4）｛X2X3｝，開(kāi)口度變形過(guò)大 & 檢查不到位。

5）｛X4｝，吊點(diǎn)布置不合理。

6）｛X5｝，下放速度過(guò)快。

7）｛X6｝，制動(dòng)過(guò)猛。

8）｛X7｝，極端海況。

9）｛X8｝，下放速度過(guò)快。

10）｛X9｝，未開(kāi)啟升沉補(bǔ)償系統(tǒng)。

則結(jié)構(gòu)重要度排序?yàn)椋篒（X11）=I（X10）=I（X9）= I（X8）=I（X7）=I（X6）=I（X5）=I（X4）=I（X1）＞I（X3）=I（X2）

3.2.2分析結(jié)論

1）從事故樹(shù)的邏輯關(guān)系看，有6個(gè)邏輯或門(mén)和1個(gè)邏輯與門(mén)，最小割集有10個(gè)，最小徑集有2個(gè)，最小割集數(shù)量較多，說(shuō)明造成事故的途徑很多，而控制事故的途徑略少，且需要控制的事件多而面廣，因此系統(tǒng)的危險(xiǎn)性較大

2）由結(jié)構(gòu)重要度排序來(lái)看，各個(gè)基本事件結(jié)構(gòu)重要度趨于平均，由于結(jié)構(gòu)重要度體現(xiàn)的是基本事件在事故樹(shù)中結(jié)構(gòu)上的重要程度，因此它本身具有局限性。同時(shí)又由于缺乏各個(gè)基本事件的發(fā)生概率，所以無(wú)法進(jìn)一步評(píng)估其重要度。這里需要指出的是，根據(jù)相關(guān)資料，基本事件X11發(fā)生的概率較大，這里應(yīng)特別提出。

3）本次分析著重找出安裝過(guò)程失效邏輯關(guān)系和導(dǎo)致失效的基本事件，確定出導(dǎo)致失效事件的發(fā)展途徑，借此找出阻止其發(fā)生的方法，以此作為現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的參考。

3.2.3控制措施

1）嚴(yán)格制定并執(zhí)行各項(xiàng)規(guī)章和管理制度，例如操作人員應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行作業(yè)程序，做好對(duì)于天氣海況的預(yù)測(cè)，制定合理的與之對(duì)應(yīng)的作業(yè)計(jì)劃。加強(qiáng)崗位責(zé)任制的落實(shí)，做好安全自控與互控，保證現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全有序。

2）提高作業(yè)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)。對(duì)吊車(chē)司機(jī)要加強(qiáng)應(yīng)急處置技能訓(xùn)練；合理布置吊點(diǎn)，下放前要做好定位工作。

3）確保繩索、分布梁、吊耳等材料組裝合格，在作業(yè)前要檢查到位，保證作業(yè)過(guò)程中不出問(wèn)題。

4）做好碰撞試驗(yàn)，使之具備良好的抗碰撞能力。

5）做好應(yīng)急預(yù)案。

4　結(jié)論

深水跨接管作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中一種重要的連接元件，結(jié)構(gòu)龐大，安裝難度大，目前國(guó)內(nèi)不具有獨(dú)立對(duì)其進(jìn)行安裝的能力。本文結(jié)合一種典型剛性跨接管，詳細(xì)介紹了其獨(dú)特的安裝過(guò)程。為了能進(jìn)一步突出安裝過(guò)程中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，利用FTA分析方法，找出了整個(gè)安裝過(guò)程中需注意的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對(duì)其列出了相關(guān)控制措施，對(duì)于我國(guó)今后能獨(dú)立進(jìn)行大型水下結(jié)構(gòu)物的下放安裝具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］王勇，劉軍，劉明，等.水下剛性跨接管公差帶優(yōu)化方法研究［J］.機(jī)械工程師，2014，36（5）：8-11.

［2］何同，李婷婷，段夢(mèng)蘭，等.深水剛性跨接管設(shè)計(jì)的主要影響因素分析［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2012，27（4）：50-56.

［3］楊琥，李旭，何寧，等.M型跨接管設(shè)計(jì)中敏感性分析的參數(shù)化研究［J］.艦船科學(xué)與技術(shù)，2014，36（3）：125-130.

［4］韓峰，董楠，段夢(mèng)蘭，等.水下跨接管與管道終端測(cè)試技術(shù)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（7）：1-6.

［5］原慶東，冒家友，劉義勇，等.流花11-1油田水下跨接管拆除技術(shù)要點(diǎn)分析［J］.船海工程，2014，46（2）：105-106.

［6］李志剛，付劍波，姜英，等.卡爪式水下連接器ROV作業(yè)接口技術(shù)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（12）：35-36.

［7］趙三軍，段夢(mèng)蘭，劉亞磊，等.1 500 m水深水平連接器壓力帽結(jié)構(gòu)及有限元分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43 （4）：37-40.

［8］付劍波，李志剛，姜瑛，等.水下連接器性能鑒定試驗(yàn)技術(shù)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（6）：31-37.

［9］臧艷彬，王瑞和，張銳，等.基于事故樹(shù)的鉆柱失效分析方法［J］.石油學(xué)報(bào)，2011，32（1）：171-172.

［10］王長(zhǎng)申.基于事故樹(shù)分析的煤礦潛在突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究［J］.巖土力學(xué)與工程，2009，28（2）：298-305.

Research on Installation Control and Risk of Deep water Rigid Jumpers

ZHOU Li，DUANMeng-lan，ZHANG Kang，QIU Pan，LIU Bing-qi

（Of fshore Oil／Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Jump is an important part to connect pipeline and Christmas tree，pipeline and PLEM，PLEM and Christmas tree，PLEM and riser in the development type of deep-water oil and gas field.Therefore，jumps are widely used in subsea production system.It’s important to master the technology of jumper installation.With a kind of M shape jumper as an example，this paper introduces the method and requirements of jumper installation in detail.Then a method based on FTA is used to analyze the important failure modes in the installation period.In order to provide some references for jumper installation in deep-water，some control measures are proposed.

rigid jumper；installation；fault tree analysis

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.002

1001-3482（2015）10-0006-05

①2015-04-05

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“水下管匯連接器樣機(jī)研制”（2011ZX05026-003-02）；國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“深水水下生產(chǎn)設(shè)施制造、測(cè)試裝備及技術(shù)”（2011ZX05027-004）

周禮（1990-），男，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，主要從事海洋油氣工程研究，E-mail：zhouliok＠126.com。