S-lay型和J-Lay型鋪管船的功能擴展研究

葉 茂,段夢蘭,徐鳳瓊,汪 方,陳邦敏,胡 超,趙晨波

(1.中國石油大學(北京)海洋油氣研究中心,北京102249;2.南陽二機石油裝備(集團)有限公司,河南 南陽473006;3.中國石油天然氣管道局 海洋工程分公司,河北 廊坊065000;4.中海油研究總院 結構室,北京100027;5.中石化天然氣分公司,山東 青島266400)

S-lay型和J-Lay型鋪管船的功能擴展研究

葉 茂1,段夢蘭1,徐鳳瓊2,汪 方3,陳邦敏4,胡 超5,趙晨波5

(1.中國石油大學(北京)海洋油氣研究中心,北京102249;2.南陽二機石油裝備(集團)有限公司,河南 南陽473006;3.中國石油天然氣管道局 海洋工程分公司,河北 廊坊065000;4.中海油研究總院 結構室,北京100027;5.中石化天然氣分公司,山東 青島266400)

鋪管船除了具備管道鋪設功能以外,還應該具備管道棄置回收作業以及安裝水下生產設施(如PLET)的功能。介紹了使用J型鋪管船來進行管道鋪設、棄置回收及水下生產設施安裝的過程。基于J型鋪管方法設計了一套多功能水下生產設施安裝系統,以解決S型鋪管船不具備安裝水下生產設施能力的問題,并擴展了J型鋪管船的相關功能。結合設計的多功能水下生產設施,提出了鋪管船使用此套裝置來安裝水下生產設施的步驟,對南海的管道鋪設和水下生產設施安裝具有指導意義。

鋪管船;水下生產設施;安裝;管道棄置回收

海底管道和水下生產設施在深海石油開采中占有重要地位,因此管道鋪設技術及水下生產系統安裝技術也就成為研究的熱點與難點。在油田規劃中,管道鋪設前后需要進行水下生產設施的安裝,如今安裝工作大多依靠安裝船來進行。此外,在管道鋪設過程中,如果遇到極端海況時,鋪管船還需要對管道進行棄置、回收。

對于J型鋪設系統,除了具有管道鋪設能力外,其本身具備小尺寸PLET安裝與管道棄置回收的功能。S型鋪設系統由于有船尾托管架,限制了S型鋪管船安裝水下生產設施和棄置回收的功能[1]。在管道鋪設完成后,S型鋪管船需要其他輔助船只的幫助才能安裝水下生產設施[2]。因此,在S型鋪管的過程中引入J型模式的概念尤為重要[3-5],以滿足一艘船完成整個鋪設安裝過程的需求。不僅減少了工期,同時能夠減少船舶的動用費用[6-7]。

為了滿足南海開發的需要,中海油投資建造了1艘3 000 m水深的S型半潛水起重鋪管船[8],在籌備建造1艘半潛式起重鋪管船(J型)“2×8 000 t型”[9]。為了給S型安裝鋪設和J型安裝鋪設工藝提供借鑒,本文首先總結了國外管道鋪設、棄置回收以及水下生產設施安裝的通用方法。由于目前我國深水安裝船舶資源緊張,所以一船多用的功能顯得尤為重要。本文結合HYSY201型和2×8 000 t型鋪管船的實際情況,設計了一套多功能水下生產設施安裝系統,并提出了新的安裝方法。

1 J型鋪管船的功能

J型鋪設系統的主要功能有管道的鋪設、管道的棄置回收和水下生產設施的安裝[10-11]3個方面。

1.1 管道鋪設工藝

管道鋪設過程主要有:上管過程、角度調節過程、管道下放過程、管道對中過程、管道焊接過程、管道涂覆監測過程等[12-13],如圖1。

1) 上管 上管系統將待鋪管段(或桿柱)從準備機架(水平的桿柱)轉至J型鋪設塔臺(垂直的桿柱)上。實現該過程有多種方式,例如,吊車夾持上管、鉸鏈帶動上管、四連桿機構上管、液壓驅動四連桿機構轉動臂上管等[14-15]。

2) 角度調節 鋪管塔的角度由鋪設管徑和水深共同決定,使用鋪管塔角度調節器不僅能調節塔臺的角度,還能對塔臺起到一定的支撐作用。目前應用比較廣泛的有液壓缸式角度調節器和卡孔式角度調節器[16-18]2種。

3) 管道下放 管道由鋪管塔入水和將已焊接管段下放過程。管道下放方式通常分提升機配合collar(卡瓦基座)下放和張緊器下放2種。

4) 管道對中工藝 是已鋪設管段和待鋪設管段的對中過程。這個過程主要由外部對中器和內部對中器共同作用。

5) 管道焊接 是將已鋪設管段和待鋪設管段對中后進行焊接的過程。焊接分為自動焊接和人工焊接2種形式。

6) 管道涂覆檢測 對焊接完的管道進行探 傷、并對管段進行涂覆作業。

圖1 J-lay型鋪管船管道鋪設工藝

1.2 管道棄置回收工藝

在管道鋪設過程中,當惡劣天氣來的時候要將管段棄置到海底,適合J型鋪設系統的棄置回收過程為[19-21](如圖2):

圖2 J-lay型鋪管船的管道棄置回收工藝

1) 下放A&R線 開啟絞車,并將A&R線導入塔架頂部的滑輪組上,下放A&R線。

2) 移至焊接站 將浮筒和A&R拖拉接頭運輸到焊接站。

3) 連接A&R插頭和大鉤 待A&R線下放到指定區域,使用小型吊機起吊和調整大鉤的方位,在工作人員幫助下,用銷軸連接A&R插頭與大鉤。

4) 連接A&R大鉤和浮筒 首先使用船上的吊機起吊浮筒,待浮筒底端的鋼絲繩與A&R大鉤高度一致時,將鋼絲繩固定在大鉤中,此時,緩慢下放吊機纜繩直到浮筒與地面平行時,回收A&R線以提升浮筒,并逐漸將浮筒重力完全轉移到A&R線上,然后解除吊機線。

5) 連接A&R線與A&R拖拉接頭 通過鎖具來連接A&R線與A&R拖拉接頭。

6) 對接A&R拖拉接頭與管段 將A&R拖拉接頭與管段第2端對齊后進行焊接。

7) 張力轉換 摩擦夾具夾持著管道,維持管道的張力,A&R纜繩此時處于不受力狀態。隨著摩擦夾具施加于管道上的張緊力的減小,A&R纜繩的拉力逐漸增大,直到拉力全部由A&R絞車承受,摩擦夾具的懸管夾張開,管道在基本保持恒定張力的狀態下入水。A&R線緩慢下放,以確保浮筒不受損傷。在管段和浮筒全都入水以后,使用A&R線限位裝置限制A&R線的大幅度擺動。

8) 繼續下放 下放管道直到海底,當棄置浮筒段與垂直線成60°時,通過水下ROV解除A&R大鉤與浮筒上端鋼絲繩連接。

管道回收過程是管道棄置過程的逆過程,為了保證管道在棄置回收過程中的形態,需要在此過程中配合移船的過程。

1.3 水下生產設施安裝工藝

管線終端(Pipeline End Terminal,以下簡稱PLET)、WSA(Wye Sled Assembly)、ILS(in-linesled)是海底連接系統的一個重要組成部分,主要用于實現管線與水下生產設施之間的連接。使用J-lay鋪設系統安裝 PLET[22-24]、WSA[25-26]、ILS[27]是J-lay鋪管方式獨有的功能。PLET安裝主要有第1端安裝與第2端安裝2種形式。

1.3.1 PLET第1端安裝(如圖3)

圖3 J-lay型鋪管船水下生產設施安裝工藝

1) 調整PLET姿態 使用PLET操作系統將PLET從水平方向豎立。

2) 啟動鋪管程序 將流動管線送至鋪管塔工作臺,安裝止屈器和陽極塊。

3) 對接PLET與管道 將PLET放置在管線下部,頂部端口和管線上端對齊,進行法蘭連接或者焊接。

4) 下放整體結構 使用提升器或者張緊器提升PLET,PLET操作裝置復位。

5) 繼續啟動鋪管程序 繼續正常的鋪管程序,直到PLET的接近海底。

6) 調整PLET的姿態 將輔助纜繩連接到PLET上,把PLET拉至水平,打開PLET防沉板,將抑制線的自由端連接到ROV大鉤,將PLET著陸到目標區,并進行基本的測量以確定PLET的位置、朝向和傾斜度,斷開輔助纜繩,準備執行后續工作。

7) 繼續啟動鋪管作業,直到管道鋪設完成。

1.3.2 PLET第2端安裝

1) 回收海底管線 利用J-lay鋪設系統將回收海底管線,將管線懸掛在固定裝置上。

2) PLET就位 使用鋪管船上的吊機起吊PLET,并將PLET運送到焊接站。

3) 對接PLET與管道 將PLET的底部與管線第2端對準,進行法蘭連接或焊接。

4) 下放PLET與管段 將A&R線連接在PLET第1端,回收A&R線以提升整體結構,打開固定裝置,將張力逐漸由摩擦夾具轉移到A&R線上,緩慢下放PLET與管線到海面。

5) 下放到海底 在繼續下放過程中,打開A&R限位裝置防止PLET安裝過程中大幅度的擺動。下放PLET到海底,在下放的過程中,需要配合移船的過程。

1.3.3 WSA(ILS)安裝(如圖3)

1) 固定管線 將已鋪設管線固定在hang-off table上。

2) WSA(ILS)就位 將WSA(ILS)通過吊機運送到J-lay塔架。

3) 對接設施與管線 將WSA(ILS)的下端與已鋪設管線通過法蘭或者焊接進行連接。

4) 滑移懸掛臺(hang-off table) 通過懸掛臺將整體結構運送至焊接站外。

5) 下放整體結構 開啟懸掛臺,通過吊機下放整體結構一段距離,為上部待焊接管段提供足夠空間。

6) 滑移懸掛臺 關閉懸掛臺,將懸掛臺滑移到焊接站。

7) 對接設施與管線 對接WSA(ILS)的上端與待鋪管段,進行法蘭或者焊接連接。

8) 繼續管道鋪設工作,直到WSA(ILS)安裝到水底,在鋪設過程中配合移船和J-lay塔架調節操作。

通過以上總結可以看出:J型鋪管船具備管道鋪設功能、具備管道棄置回收功能,小尺寸的水下生產設施安裝功能。對于大尺寸的水下生產設施,則需要采用單獨設計的裝置來進行安裝。

2 S型鋪管船功能

S型鋪管船的作業流水線(如管道傳送、管段焊接、管道涂覆等)呈水平布置,所有操作都在甲板上完成,并且擁有多個焊接站,所以S型鋪管船的管道鋪設速度要高于J型鋪管船管道鋪設速度。

2.1 管道棄置回收工藝

管線棄置前,首先在管道第二端焊接A&R拖拉接頭,然后A&R大鉤與A&R拖拉接頭連接。鋪管船前移,管道的張力逐漸由張緊器轉移至A&R絞車提供。管道完全脫離張緊器后,將帶有浮漂的吊帶連接至A&R拖拉接頭,然后A&R絞車放纜,管道在基本保持恒張力的狀態下入。管道下放至海底后,A&R絞車纜繩與A&R拖拉接頭脫離,棄管完畢,此時,吊帶在浮漂的作用下懸浮于水中。如圖4。

圖4 S-lay型鋪管船管道棄置回收工藝

2.2 水下生產設施安裝工藝

S型鋪管船安裝水下生產設施時,由于有托管架的存在,水下生產設施不易通過托管架,使得水下生產設施的安裝比較困難,安裝需要對PLET以及防沉板的結構進行特殊的設計,或使用安裝船舶來進行安裝。如圖5。

在管道棄置回收過程中,浮筒無法通過托管架,只能在管道脫離(回收至)托管架后安裝(拆卸)浮筒。此外,S型鋪管船無法單獨安裝水下生產系統。

圖5 S-lay型鋪管船PLET安裝過程

3 多功能水下生產設施安裝系統設計

針對S型鋪設船不能進行水下生產系統安裝和不能方便地進行管道棄置回收作業,以及J型鋪管船不能單獨安裝大尺寸的水下生產系統和J型鋪設系統塔架提供的棄置回收作業空間狹小而導致棄置回收過程復雜等問題。設計了一套多功能水下生產設施安裝系統。使得無論S型還是J型鋪管船都能單獨地進行水下生產設施的安裝和便捷的進行管道的棄置回收工作。所設計的多功能水下生產設施安裝系統如圖6～7所示。

圖6 多功能水下生產設施總體組成

圖7 多功能水下生產設施局部構件

頂部滑輪將A&R線導入到工作臺上,主要是起導向作用。上工作平臺在PLET安裝的過程中,能夠對PLET進行輔助定位,此外,還能進行一些其他輔助操作。主體塔架用來支撐整個工作平臺,采用桁架式結構保證結構穩定性,與甲板連接處采用柱腿式結構,以減小工作平臺在甲板上的占地面積。下工作平臺在作業過程中為對接工作、浮筒安裝、鎖具安裝等輔助操作提供工作平臺。管道的固定裝置用來在操作過程中,對不同尺寸的管道進行固定,方便管道與其他設備對接。管道限位裝置用來限制管道在船舶運動和風浪流作用下出現大幅度的擺動,從而保證焊接或者其他操作的穩定性和操作精度。快速連接接頭用來快速連接或者拆卸主體塔架與甲板之間的連接,使得主體塔架能夠很方便地拆卸從而為甲板上的操作提供更大空間。此外,快速連接機構的內部結構能夠減小主體塔架與甲板之間的相對轉動。A&R限位系統用來在作業過程中對A&R線進行限位,防止A&R線出現大幅度的擺動以保證安裝的準確性。PLET定位孔用來在PLET安裝的過程中對PLET進行定位,以便于PLET和管道進行對接。

所設計的多功能水下生產設施安裝系統具有結構穩定、占地面積小、便于拆卸等特點,同時能夠保證PLET的精確定位、限制管道大幅度的擺動,保證對接的準確性、限制A&R線大幅度的擺動保證安裝的準確性、滿足不同管徑的管道的固定需求、并為輔助操作提供了專門工作平臺等功能。

4 新的安裝方法

4.1 管道棄置回收步驟

由于管道回收過程是管道棄置過程的逆過程,本文以管道的棄置過程為例:

1) 在甲板上(S型鋪管船)或是在J型鋪設系統塔架內)在管道第2端安裝A&R拖拉接頭,安裝止屈器和陽極塊。

2) 使用吊機將管道吊裝到管道固定裝置上。

3) 閉合管道固定裝置和管道限位裝置,以防止管道大幅度的擺動。

4) 將立管頭與浮筒通過鎖具和三角板連接。

5) 使用吊機線連接浮筒上端。

6) 當連接完畢后打開固定裝置和管道限位裝置,下放管道。

7) 當下放到水面一定高度后,使用吊機將管道轉移到頂部滑輪下端并將A&R絞車線連接在三角板上,并逐漸增加其提供張力大小。

8) 待管道所有的重力由A&R線承擔時,釋放吊機線,并打開A&R線限位裝置。

9) 直到管道下放到海底,釋放A&R線,完成管道的棄置過程。

4.2 PLET的安裝步驟

1) S型鋪管船第1端安裝PLET。

S型鋪管船進行第1端安裝PLET時,PLET的防塵板須采用特殊的結構,最后將PLET通過托管架安裝的水底。

2) J型鋪管船第1端安裝PLET。

①吊機起吊并調整PLET的姿態,將PLET支架插入PLET定位孔中。

②對接待鋪管段與PLET;整體結構下放,繼續管段對接工作,直到PLET接近水面。

③使用吊機將整體結構轉移至J-lay塔架。

④將管道上端固定至張緊器或者固定裝置。

⑤繼續管道鋪設作業,直到PLET完全被下放到指定區域。

3) 第2端安裝方法(S型和J型鋪管船均適用)。

①將已鋪設管段通過吊機運送到管道固定裝置上,打開管道限位裝置,以防止管道大幅度的擺動。

②使用吊機將PLET塔架吊起,調整PLET姿態,并將PLET支架插入PLET定位孔中,同時使用頂部工作臺來輔助定位,完成PLET與管段對接。

③待對接完畢后,開啟管道固定裝置與管道限位裝置,將吊機和A&R線使用三角板和鎖具分別連接在PLET上,使用吊機下放整體結構。

④在下放過程中,逐漸增大A&R線的張力,并將管段的張力逐漸由吊機轉移到A&R線上,當所有的重力都轉移到A&R線上后,開啟A&R線限位裝置,以限制PLET在安裝的過程中出現大幅度的擺動。

⑤打開PLET防沉板,將控制線的自由端連接到ROV大鉤。

⑥將PLET著陸到目標區,并進行基本的測量以確定PLET的位置、朝向和傾斜度,斷開輔助纜繩,準備執行后續工作。

4.3 水下生產設施的安裝步驟

1) 吊機將已鋪設管段轉移到管道固定裝置上。

2) 打開管道限位裝置,限制管道大幅度的振動。

3) 起吊并調整 WSA(ILS)姿態,對接 WSA(ILS)下端與固定在固定裝置上的管道。

4) 打開固定裝置,打開限位裝置,使用吊機將整體結構運送至J型鋪設系統塔架或托管架。

5) 繼續進行管道鋪設作業,直到WSA(ILS)安裝到海底。

5 新方法的優點

5.1 管道棄置回收過程

1) S型鋪管船 將浮筒的安裝由水下轉移到了水上,使得浮筒的安裝和拆卸工作較為方便,同時減小了水下操作,保證了操作穩定性;將水平操作轉化成了豎直方向的操作,大幅減小了A&R線的張力,保證了操作的安全性。

2) J型鋪管船 將焊接、安裝A&R拖拉接頭、安裝浮筒等操作都從塔架內部轉移到了甲板上,使得操作具有足夠的空間,從而保證操作的穩定性;完全避免了浮筒在下放的過程中與塔架結構物之間碰撞而造成的浮筒或者結構物的損壞;將操作引入到甲板上,管道張力完全由多功能塔架承受,保證了J型鋪設系統的安全性。

5.2 PLET安裝

1) S型鋪管船 第1端安裝方法都一樣。S型鋪管船在進行PLET第2端安裝方法中,PLET不用再通過托管架和張緊器,確保了PLET以及托管架的結構安全;將水平操作轉化為豎直方向的操作,大幅減小了A&R線的張力大小,提高了操作安全性。

2) J型鋪管船 首端安裝中,不再需要設計復雜的、多自由度的PLET操作系統,使得操作變得簡單。使用J型鋪管船在進行第2端安裝中,PLET的安裝大小不再受到塔內結構的限制;完全避免了PLET在下放的過程中與塔架結構物之間碰撞而造成的PLET或者結構物的損害;將操作轉移到甲板上,結構重力完全由多功能塔架承受,保證了J型鋪設系統的安全性。

5.3 水下生產設施安裝(WSA/ILS)

1) S型鋪管船 對于如 WSA(ILS)細長結構,將水平方向操作轉化為豎直方向操作,減小了甲板占地面積;WSA(ILS)不再需要通過張緊器和A&R線提供張力。

2) J型鋪管船 對于如 WSA(ILS)細長結構,將塔內豎直方向操作轉化為甲板豎直方向操作,為WSA(ILS)提供了更大的操作空間,解決了J型鋪設系統塔架結構緊湊,空間狹小,不能方便安裝WSA(ILS)等問題;不再需要結構復雜的PLET操作系統。

6 結論

1) 設計的多功能水下生產設施安裝系統能夠使S型鋪管船很方便地進行管道棄置回收作業和水下生產設施安裝作業;能夠讓J型鋪管系統便捷地進行管道棄置回收工作,并能夠安裝大尺寸的水下生產設施,擴展了S-lay和J-lay鋪管船的功能。

2) 在鋪管船安裝此裝置后,只需鋪管船就能進行管道棄置回收與水下生產設施的安裝工作,不需要其他安裝船進行輔助,能夠在一定程度上縮短工期和減小開發成本。此外,裝備此套裝置后,不再需要A字架來輔助下放和安裝結構物,也不再需要PLET操作系統來進行PLET和水下生產設施的安裝,同時將水下操作都轉移到了水上,增加了操作的穩定性。

3) 基于設計的多功能水下生產設施安裝系統,提出了相應的管道棄置回收和水下生產設施安裝步驟,希望能為后期HYSY201型鋪管船和2×8 000 t型鋪管船配置及南海作業奠定良好的基礎。

4) 本文只對多功能水下生產設施進行了基本設計,下一步要開展模型試驗研究,通過試驗研究來驗證所設計系統結構的安全性以及所提出水下生產設施安裝工藝的可行性。

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Research on the Functions Enlargement of S-lay and J-lay Vessel

YE Mao1,DUAN Meng-lan1,XU Feng-qiong2,WANG Fang3,CHEN Bang-min4,HU Chao5,ZHAO Chen-bo5
(1.Of fshore Oil and Gas Research Center,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;

2.RG Petro Machinery(Group)Co.,Ltd.,Nanyang 473006,China;3.Offshore Branch,China Petrolum Pipeline Bureau,Langfang 065000,China;4.Structure Department,Cnooc Research Institute,Beijing 100027,China;5.Gas Branch of Sinopec,Qingdao 266400,China.)

Besides the function of pipe-laying,the pipe-laying vessels are to have other functions,such as recovering and abandonment of pipelines,installation of SPFs(subsea production facilities),et al.J-lay vessels are usually constructed with these functions and corresponding procedures are introduced in the first part of the paper as conducting these processes,and then a multifunctional SPF installation system,which is designed based on the concept of J-Lay mode,is developed.This system enables the S-Lay vessels to have the ability to install SPFs and also could expand the capability of J-Lay vessels.Combining with the designed system,corresponding procedures for SPFs’installation are proposed.The designed system and proposed procedures in this paper could provide guidance for the installation of pipelines and SPFs in SCS.

pipe-lay vessel;subsea production facilities;installation system;abandon&recovery of pipeline

TE95

A

1001-3482(2014)02-0007-08

2013-08-15

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)“深海柔性結構的非線性流固耦合振動與破壞機理”(2011CB013702);國家科技重大專項“深水鋪管起重船及配套工程技術”(2011ZX05027-002)

葉 茂(1986-),男,湖北仙桃人,博士生研究生,主要從事海洋石油裝備設計及海底管道鋪設理論研究,E-mail:ymzhangquan@163.com。