李曉明， 姜學(xué)錄， 崔占明， 于銀海， 黃志新

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)

0 引 言

柔性軟管由金屬和聚合物材料制成，在海洋工程中主要適用于立管、跨接管、卸輸管、海底管道等[1-4]。與剛管相比，柔性軟管具有易彎曲、對(duì)海底適用性較強(qiáng)、水下抗腐蝕性好、便于水下敷設(shè)和安裝等特點(diǎn)。海底柔性軟管作為海底輸送介質(zhì)的一種新型管道，在海洋工程中的使用逐年增多[5-7]。由于具有柔性的特點(diǎn)，柔性軟管適用于卷管式敷管法，在采用該方法時(shí)需要在陸地上將柔性軟管接長(zhǎng)或直接生產(chǎn)較長(zhǎng)的柔性軟管，然后將其安裝在專(zhuān)用滾筒上，送至海上進(jìn)行敷設(shè)[8]。目前，卷管式敷管法可分為水平式和垂直式兩種。水平式敷管法主要采用S形敷設(shè)，適用于淺水或中等水深作業(yè)，而垂直式敷管法主要采用J形敷設(shè)，適用于中等水深或深水作業(yè)[9]。本文以渤海某油田8英寸(1英寸=0.025 4 m)柔性軟管敷設(shè)項(xiàng)目為例，闡述軟管敷設(shè)方式的選取、分析常用船舶資源的敷設(shè)能力并計(jì)算柔性軟管敷設(shè)過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)。

1 概 述

渤海某油田位于渤海灣南部區(qū)域，東北距渤中35-2油田13.7 km，西北距渤中34-2/4油田19.4 km，西南距墾利10-1油田16.8 km和墾利3-2油田16.8 km。

渤海某油田計(jì)劃敷設(shè)一條8英寸天然氣輸送柔性軟管，總長(zhǎng)度約13.7 km，水深為18.1～19.7 m。柔性軟管技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柔性軟管技術(shù)參數(shù)

2 軟管敷設(shè)方式選取

在軟管敷設(shè)前，需先確定敷設(shè)方式，需要考慮船舶起重機(jī)能力、甲板承載力和甲板面積等。除施工船舶外，還需要配套軟管敷設(shè)系統(tǒng)裝置，主要包括：軟管收放線裝置、張緊器、水平托軌和入水橋等[10-11]。目前常用的軟管收放線裝置有立式滾筒驅(qū)動(dòng)和臥式轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)2種類(lèi)型，如圖1和圖2所示。

圖1 立式滾筒驅(qū)動(dòng)

圖2 臥式轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)

2.1 立式滾筒儲(chǔ)管作業(yè)方式

在滾筒驅(qū)動(dòng)器上每次放置1個(gè)儲(chǔ)管滾筒，在滾筒上的軟管全部釋放后，更換另一個(gè)滾筒，將后一個(gè)滾筒上的軟管與前面的軟管現(xiàn)場(chǎng)連接。

(1) 可在起重船上或平板工程船上配備立式滾筒驅(qū)動(dòng)、張緊器和入水橋等，選擇性較多，更適合短距離軟管敷設(shè)作業(yè)。

(2) 起重機(jī)起重能力需在500 t以上，吊裝曲線能夠滿足軟管滾筒倒駁需求。

(3) 甲板承載力在98.0 kN/m2以上，空間滿足軟管敷設(shè)系統(tǒng)、潛水設(shè)備、埋纜機(jī)擺放和空間布置需求。

(4) 每敷設(shè)1卷筒軟管，需回收埋纜機(jī)，倒駁軟管滾筒，然后再放置埋纜機(jī)，無(wú)法連續(xù)作業(yè)。

(5) 軟管重心高，底部結(jié)構(gòu)與甲板接觸少，穩(wěn)定性差，對(duì)海況要求較高。

(6) 立式滾筒是短距離柔性軟管供貨時(shí)常用的存儲(chǔ)裝置，需配合滾筒驅(qū)動(dòng)器使用。

2.2 臥式轉(zhuǎn)盤(pán)儲(chǔ)管作業(yè)方式

所有軟管儲(chǔ)存在一個(gè)大的臥式轉(zhuǎn)盤(pán)上，提前連接接頭，在海上敷設(shè)過(guò)程中可連續(xù)不間斷敷設(shè)，中間無(wú)需更換滾筒和現(xiàn)場(chǎng)連接接頭。臥式轉(zhuǎn)盤(pán)和驅(qū)動(dòng)通常長(zhǎng)期固定在特定工程船舶上，與工程船一起專(zhuān)門(mén)用于軟管/電纜敷設(shè)作業(yè)。使用該方法99.5%的連接工作可在陸地上完成，在海上連續(xù)敷設(shè)，海上施工時(shí)間短、速度快、成本低、張力相對(duì)小，有利于管道安全敷設(shè)，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小。該方法對(duì)船的要求低，無(wú)需專(zhuān)用鋪管船，節(jié)省大筆敷設(shè)費(fèi)用。

(1) 適合于淺水區(qū)域的專(zhuān)業(yè)軟管敷設(shè)船舶在國(guó)內(nèi)數(shù)量較少。

(2) 不需要起重能力較強(qiáng)的浮式起重機(jī)，可使用門(mén)式起重機(jī)、船尾起重機(jī)、履帶起重機(jī)，能夠吊放埋纜機(jī)即可。

(3) 除自帶敷設(shè)系統(tǒng)外，甲板空間滿足潛水設(shè)備、埋纜機(jī)擺放。

(4) 連續(xù)性邊敷邊挖溝敷設(shè)，可不間斷作業(yè)。

(5) 軟管重心不高，底部與船甲板一體，接觸面積大、穩(wěn)定性好。

(6) 轉(zhuǎn)盤(pán)外徑可達(dá)25 m，儲(chǔ)管量大，而且盤(pán)體自身可旋轉(zhuǎn)，集儲(chǔ)管與放管功能于一體，是大直徑、長(zhǎng)距離柔性軟管敷設(shè)較為理想的存儲(chǔ)裝置，但儲(chǔ)管盤(pán)建造費(fèi)用昂貴，對(duì)鋪管船的主尺度要求高。

本項(xiàng)目為淺水區(qū)長(zhǎng)距離軟管敷設(shè)，適合采用臥式轉(zhuǎn)盤(pán)儲(chǔ)管敷管方式，但最終的方案選擇需結(jié)合可用船舶資源等條件，綜合考慮工期和成本等因素。

3 船舶軟管敷設(shè)能力分析

以船舶濱海108、濱海109、海洋石油295為例進(jìn)行柔性軟管敷設(shè)施工能力分析。

3.1 濱海108軟管敷設(shè)

濱海108船寬35 m，甲板面積充裕，最大載重能力為4 800 t，甲板承載力為49.0 kN/m2。濱海108既可實(shí)現(xiàn)臥式滾筒敷設(shè)，又可實(shí)現(xiàn)立式滾筒敷設(shè)。

搭載直徑為25 m的臥式滾筒可實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的軟管連續(xù)敷設(shè)能力。但濱海108船尾有推進(jìn)器無(wú)法下放挖溝機(jī)，只能從側(cè)向進(jìn)行軟管敷設(shè)和挖溝，軟管的敷設(shè)效率只能達(dá)到正常敷設(shè)的50%。濱海108臥式滾筒連續(xù)敷設(shè)能力如表2所示。

表2 濱海108臥式滾筒連續(xù)敷設(shè)能力

對(duì)其立式滾筒敷設(shè)能力進(jìn)行分析。由于濱海108甲板承載力有限，采用立式軟管儲(chǔ)存裝置需對(duì)甲板面積進(jìn)行評(píng)估，考慮甲板承載力不超過(guò)49.0 kN/m2，單滾筒軟管敷設(shè)能力如表3所示。濱海108搭載雙滾筒敷設(shè)軟管，可達(dá)雙倍敷設(shè)能力。濱海108的吊裝能力允許其吊裝整個(gè)卷滿軟管的滾筒，因此可使用駁船運(yùn)輸多盤(pán)軟管，盡可能地縮短整個(gè)軟管敷設(shè)工期。

表3 濱海108立式單滾筒連續(xù)敷設(shè)能力

3.2 濱海109軟管敷設(shè)

濱海109甲板承載力為5.0 t/m，若采用立式滾筒敷設(shè)，可實(shí)現(xiàn)與濱海108同樣的敷設(shè)能力。但受限于其船寬度和有效甲板面積，不能實(shí)現(xiàn)雙滾筒敷設(shè)。若采用臥式滾筒敷設(shè)，承攬能力有所減少?？紤]甲板最大可利用寬度為14 m，軟管連續(xù)敷設(shè)能力如表4所示。

表4 濱海109臥式滾筒連續(xù)敷設(shè)能力

3.3 海洋石油295軟管敷設(shè)

管道挖溝動(dòng)力定位工程船因配有門(mén)式起重機(jī)收放系統(tǒng)，甲板承載能力為98.0 kN/m2，在邊敷邊挖的軟管敷設(shè)中具有明顯優(yōu)勢(shì)，甲板面積允許搭載2個(gè)立式滾筒，顯著增加軟管連續(xù)敷設(shè)能力。但海洋石油295起重機(jī)能力不足，只能在敷設(shè)之前借助其他起重船吊裝2個(gè)滾筒，前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)。如需進(jìn)行長(zhǎng)距離軟管敷設(shè)，需返回碼頭重新吊裝滾筒，施工效率大幅降低。因此，海洋石油295更適合非長(zhǎng)距離軟管敷設(shè)。海洋石油295軟管連續(xù)敷設(shè)能力如表5所示。

表5 海洋石油295軟管連續(xù)敷設(shè)能力

按照邊敷邊挖溝考慮，濱海108、濱海109每天可達(dá)1.3 km，海洋石油295依托動(dòng)力定位系統(tǒng)，不需要重復(fù)起拋錨，可實(shí)現(xiàn)更高的施工效率，因此本項(xiàng)目?jī)?yōu)選海洋石油295。

4 海底軟管敷設(shè)分析

在軟管敷設(shè)過(guò)程中，需始終使軟管的彎曲半徑大于軟管敷設(shè)所要求的最小彎曲半徑(Minimum Bend Radius，MBR)。由于水下的狀態(tài)較難實(shí)時(shí)控制，而彎曲半徑與入水角有關(guān)，入水角又與張緊器牽引力有關(guān)，因此，在敷設(shè)分析中，可通過(guò)彎曲半徑的要求推導(dǎo)牽引力范圍。

以8英寸柔性軟管為例，分析軟管敷設(shè)施工中所需最大牽引力。

在本實(shí)例中，軟管外徑為304.1 mm，水深為18 m，軟管在空氣中的單位重量為1 399.4 N/m，軟管在水中的單位重量為670.1 N/m。

在軟管敷設(shè)施工中所需最大牽引力計(jì)算公式為

T=9.8Wd/(1-cosα)

(1)

式中：T為軟管張力；W為軟管在水中的重量；d為水深；α為入水角。

當(dāng)軟管入水角分別取20°、30°、40°、50°、60°、70°和80°時(shí)，柔性空管所受最大牽引力、著泥點(diǎn)、懸鏈線長(zhǎng)度、船尾彎曲半徑和著泥點(diǎn)彎曲半徑等參數(shù)如表6所示。張緊器敷管張力與軟管入水角α的關(guān)系如圖3所示。

表6 不同入水角軟管敷設(shè)施工中懸鏈線計(jì)算值

圖3 張緊器敷管張力與軟管入水角關(guān)系

由表6和圖3可知：在軟管敷設(shè)過(guò)程中，軟管入水角基本在50°～80°，則在軟管敷設(shè)過(guò)程中軟管所受張力為14.6～33.8 kN。根據(jù)懸鏈線計(jì)算公式：當(dāng)軟管入水角為80°時(shí)，MBR為3.90 m，小于軟管要求的MBR(4.50 m)；當(dāng)入水角為70°時(shí)，MBR為9.51 m>4.50 m。因此，在軟管敷設(shè)過(guò)程中，當(dāng)入水角為50°～70°時(shí)，軟管所受拉力較小，同時(shí)滿足軟管MBR的要求[12]。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 在國(guó)內(nèi)具備專(zhuān)業(yè)淺水區(qū)域臥式敷管能力的動(dòng)力定位船舶較少，錨系船較多，施工效率較低，帶有動(dòng)力定位的專(zhuān)業(yè)軟管敷設(shè)船效率更高，但價(jià)格比較昂貴。

(2) 在軟管敷設(shè)前，需根據(jù)工期和成本等因素初步選定船舶，并根據(jù)船舶起重機(jī)能力、甲板承載力和甲板面積等因素，選擇立式或臥式敷管方式。

(3) 在軟管敷設(shè)前，應(yīng)計(jì)算在不同的軟管入水角下軟管所受的張力和MBR等數(shù)據(jù)，找到張力和MBR都在可接受范圍內(nèi)的入水角范圍，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制敷管時(shí)的牽引力。

(4) 在一般情況下，當(dāng)敷管速度低于船舶速度時(shí)，入水角度會(huì)變小。當(dāng)管線入水角度逐漸變小時(shí)，最大牽引力逐漸增大，不利于管線敷設(shè)，應(yīng)合理控制船舶速度，保證船舶速度與敷設(shè)速度同步。

(5) 臥式鋪管船在冬季施工時(shí)，常遇到大風(fēng)天氣。短距離軟管敷設(shè)可以找一個(gè)較好的天氣窗口完成所有的軟管敷設(shè)，但當(dāng)長(zhǎng)距離軟管敷設(shè)遇到大風(fēng)時(shí)只能棄管，天氣較好時(shí)再回收管頭重新連接。棄管的位置特別重要，盡可能選擇在接頭位置進(jìn)行切割棄管。如果軟管敷設(shè)在較軟的海床上，應(yīng)安裝一套管道追蹤設(shè)備，方便在日后對(duì)管道路線進(jìn)行確認(rèn)。如果軟管敷設(shè)在較硬的海床上，那么就需要一些袋裝沙或類(lèi)似的方法幫助管道避過(guò)一些堅(jiān)硬鋒利的邊緣或拐角，防止管道外護(hù)層被破壞。