深水海洋工程多功能立式管線鋪設系統

齊金龍 金瑞健

（海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

引 言

在深水油氣田建設施工中，各種柔性管、鋼管的鋪設和水下結構物的安裝與連接是工程的重要部分。近年來，深水海洋工程施工裝備也隨著深水油氣開發工程技術的進步而不斷發展。自2001年以來，國外已有多條采用立式管線鋪設系統、集各種深水管線鋪設和水下結構物安裝功能為一體的作業船建成應用，我國也急需開展這方面的裝備技術研究并提高深水施工裝備的能力。文章結合目前國際上深水多功能作業船舶和設備狀況，對在“Seven seas”號船上安裝的多功能立式鋪設系統構成與設備特點進行了總結與分析。該系統的顯著特點是在一個立式鋪設塔架上集成了深水柔性管與臍帶纜鋪設、Reel與J-lay鋼管鋪設、水下結構物安裝等多種功能，并可以實現多種作業模式的快速轉換，施工作業靈活性、經濟性大為提高，同時整套系統可以安裝在中小型動力定位船上，可以有效降低船舶建造投資。

1 深水油氣田建設工程與船舶

在深水油氣田開發建設工程施工中，在較長距離的外輸管線、臍帶纜鋪設之外，油氣田內部鋼管、柔性管鋪設，各類水下結構物、樁基、立管的安裝、連接工作也占據相當的比重。由于各種作業的特點不同，通常需要配置多艘不同功能的船舶來完成工程施工。

1.1 長距離、大直徑鋼制管

通常采用大型J-lay或S-lay鋪管船進行深水長距離外輸管線鋪設和大型結構安裝，如“Saipem7000”號、“Balder”號［1］、“Solitaire”號等都具有1 000 t以上的張緊能力，但這類大型船舶在油氣田內部短距離管線鋪設中應用有所限制且費用昂貴。［2］

1.2 小管徑鋼制管或鋼制復合管

采用Reel-lay鋪管船如“Seven oceans”號、“Express”號等在深水小管徑管線及不銹鋼內襯復合管（CRA）鋪設中優勢突出，但需要管線接長、卷繞基地（Spoolbase）將管線卷繞至船上的卷管盤中，受船舶動員距離和卷管盤容量限制不能進行長距離或大管徑管線的鋪設。［3-4］

1.3 柔性管線

采用柔性管（Flex-lay）鋪管船鋪設，該類船舶設有立式柔性管立式鋪設系統，但不能進行硬質管的鋪設，如“Polar queen”號、“Pertinacia”號等。

多功能立式鋪管系統成功地實現多種鋪管形式的綜合，用于中小型動力定位船舶的立式鋪設系統在20世紀90年代中期出現，初期功能單一、頂部張緊能力較小。進入21世紀后，立式鋪設系統中集成的功能不斷多樣化，頂部張緊力和作業能力也不斷提升。Technip公司2001年建造了“Deep blue”號船，該船安裝的多功能立式鋪設系統具有Reel-lay、J-lay、柔性管鋪設和水下結構物安裝、連接等不同功能。Subsea 7公司2008年建造了“Seven seas”號船，該船安裝的多功能立式鋪設系統應用多項創新設計實現不同作業模式的快捷轉換，具有廣泛的作業適應性和良好的經濟性。

圖1 深水油氣田主要設施圖

表1 部分帶有立式鋪管系統的船舶概況

2 “Seven seas”號船多功能立式鋪設系統的構成與功能參數

“Seven seas”號船是一條中型MPV船，具備3 000 m水深的作業能力。該船的顯著特點是在一個立式鋪設塔架上采用可回收式張緊器，集成了J-lay鋪管作業線模塊、Reel-lay模塊，兼有深水軟管與臍帶纜鋪設、Reel與J-lay鋼管鋪設、水下結構物安裝等多種作業能力，并能快速完成不同作業模式的轉換，在工程中可以最大限度減少施工船隊數量以節約費用和工期。

圖2 “Seven seas”號船

2.1 “Seven seas”號船主要參數

“Seven seas”號船主要參數見表2。

表2 “Seven seas”號船主要參數

2.2 多功能立式鋪設系統

“Seven seas”號船多功能立式鋪設系統由豪士威馬公司（Huisman）公司設計制造。系統主體是立式塔架，塔架上集成了兩臺可回收張緊器、J-lay鋪管模塊、柔性管鋪設定位器、A/R絞車纜導向等設備，并可以安裝Reel-lay鋪管模塊。另外有月池以及海管懸掛系統、雙節點管段裝管臂架、PLET/PLEM操作裝置與轉運設備等其他配套設備。

表3 “Seven seas”號船多功能立式鋪設系統主要技術參數［5］

2.2.1 塔架固定與調節裝置

塔架固定與調節裝置是塔架左右側的2個大型液壓臂架，通過控制臂架的伸縮可以在0°～ 15°范圍內調整塔架傾斜角度。臂架兩端分別與塔架中部和船體鉸接連接，2個臂架上都安裝有長度測量裝置，用以監測臂架長度及塔架調節角度。在液壓臂架套筒與伸縮桿的末端設有2套固定耳板，當塔架處于航行固定狀態時液壓臂架完全收縮，液壓套筒與伸縮桿上的固定耳板通過安全銷固定連接在一起，使塔架安全固定。

圖3 “Seven seas”號船多功能立式鋪設系統構成

2.2.2 可回收式張緊器

張緊器是多功能立式鋪設系統的核心設備，在塔架上部和下部各有1臺4履帶立式張緊器，這種形式可以增大履帶與管線接觸面積，有利于荷載均勻分布和減小張緊器高度。鋪管作業時張緊器4個履帶通過液壓裝置抱緊海管，達到設定的張力。

鋪設塔架上部張緊器最大張力170 t，僅使用于柔性管鋪設。下部1臺張緊器在用于J-lay和Reel-lay模式時提供最大張力為400 t，在柔性管鋪設模式時最大張力為260 t。在柔性管鋪設模式下，上下2臺張緊器可以提供430 t的頂部張力。

2臺張緊器各通過1套回收裝置安裝在立式塔架上，可以實現張緊器懸停于塔架作業線上進行鋪管作業，也可以將張緊器回收至塔架后側以清空作業線。整套裝置通過液壓缸的伸縮帶動U型架轉動，從而實現張緊器在塔架作業線和塔架后部之間的收放，回收或伸出張緊器的過程只需要10 min。

2.2.3 J-lay鋪管作業模塊及配套設施

圖4 張緊器回收裝置工作示意圖

表4 張緊器主要參數

J-lay鋪管作業模塊由焊接站、外對中器（ELUT）、旋轉滾輪和內對中器（ILUC）及其存儲架、絞車等幾部分組合而成，其他配套設施還有裝管臂架、節點涂敷防腐站及收放（A/R）絞車系統。在塔架系統轉換為J-lay模式時，塔架上部張緊器回收，J-lay模塊可以快速從立式塔架一側的存儲位置旋轉至塔架中心作業線上，整個過程只需約30 min。

焊接站中設有全自動外焊接與無損檢驗、焊接返修設備。焊接站前側外壁設有液壓平開門，用以裝管臂架運送的24 m雙節點管段進入作業線中。焊接站內的地板帶有一定的傾斜，可以在鋪管塔架傾斜時為焊接作業提供相對水平的作業面。

表5 J-lay模塊主要參數

圖5 J-lay鋪管作業模塊

裝管臂架長42 m，可以將13 t重的雙節點管在12 min內運進鋪管作業線，最大轉角105°。外對中器上下兩端各有1個夾具，通過PLC控制的6個電驅動軸實現管段端部5自由度（3個方向平移，2個方向旋轉）的位置調節保證海管精確對接。

內對中器收放絞車、臍帶纜導向輪和內對中器存儲架設置在鋪管模塊頂部，內對中器存儲架和存儲筒分別設有一套對中調整器，這種兩步對中式設計可以很好的保護海管端面坡口。［6-7］

圖6 J-lay鋪管模塊主要組件示意圖

2.3 收/棄管絞車（A &R Winch）系統

“Seven seas”號船配有450 t和125 t電動變頻收棄/管絞車，其能力與張緊器能力匹配。絞車鋼纜通過導向裝置從立式鋪管塔架頂部進入作業線，用以收/棄管及結構物安裝下放。450 t絞車使用119 mm鋼纜，由摩擦式張力絞車和鋼纜存儲絞車組成，配有400 t升沉補償裝置，具有被動與主動兩種升沉補償操作模式。摩擦式張力絞車兩個滾筒相互成一定角度，可以減少纏繞鋼纜的扭轉和疲勞，絞車滾筒不同纜槽直徑也不相同，以補償鋼纜由于拉伸狀態下的彈性變形影響。儲纜絞車存儲3 000 m鋼纜，為摩擦絞車提供15 t的鋼纜拉力。

2.4 柔性管鋪設設備

“Seven seas”號船柔性管鋪設設備除塔架張緊器外，還包括2個1 250 t載荷能力的卷管盤（Carousel或Reel）、張力器及導向滑槽等。卷管盤位于主甲板月池后方儲管艙內，與船舶同時設計制造安裝，具備卷管（Spool）和儲管能力，規格根據船舶設計工作能力、尺寸和艙容限制確定。柔性管在船舶施工前由碼頭通過導向滑槽及張力器等設備卷入卷管盤中，鋪設時通過導管系統出甲板引至鋪設塔架的作業線上鋪設入水。卷管盤直徑約22 m，由電力驅動，卷管盤內設有液壓排纜器，中心直徑架可以按照不同管線最小纏繞直徑的要求從5.4 ～ 9 m之間調節。

圖7 柔性管鋪設設備組件示意圖

表6 柔性管鋪設設備主要參數

2.5 月池、懸掛設備與PLET/PLEM操作裝置

月池是海管與各種結構物的入水通道，尺寸需滿足水下結構物的連接、下放及鋪設塔架傾斜狀態下所鋪設海管的通過要求。懸掛設備是深水鋪管船必需的裝置之一，用以在不使用張緊器或收/放絞車時保持海管并安裝在線或管末端設備。［8］“Seven seas”號船根據立式鋪設塔架的位置，設計安裝了月池懸掛裝置并與PLET/PLEM轉運和操作裝置結合在一起。懸掛夾具為2個半圓形結構，分開安裝在1個滑動平臺的前后部分，平臺可通過軌道在月池上方進出立式塔架作業線，懸掛點中心位置可以在350 mm范圍內調節以與塔架鋪管傾斜角度匹配，最大海管懸掛能力450 t，在結構物安裝模式下最大載荷可達750 t。懸掛平臺上設有軌道并與船甲板上PLET/PLEM操作裝置的滑移軌道相接。

PLET/PLEM操作裝置由對中調節裝置、轉運滑車、軌道等組成，可以將60 t重的PLET結構從甲板存儲區移入作業線與懸掛固定的海管端連接，作業過程不需要吊機協助，而使效率大為提高。

3 “Seven seas”號船的不同作業功能

通過多功能立式鋪設塔架上各作業設備位置的調整、組合，該船可以快速轉換模式，實現不同的作業功能。

3.1 柔性管/臍帶纜鋪設

在柔性管/臍帶纜鋪設模式下，立式塔架上2個可回收式張緊器位于塔架前方作業線中心，柔性管從月池后部儲管艙內的存管轉盤上，經過甲板上的導向滑槽引導至立式鋪設塔下部，經過塔架下部導向滑槽引導至鋪設塔架頂部定位器后引入張緊器中鋪設入水。

3.2 J-lay海管鋪設

在J-lay鋪設模式下，上部張緊器回收至塔架后部位置，下部張緊器保持在塔架前部作業線上。J-lay鋪設模塊從立式塔架側面旋轉到塔架前方作業線上，節點涂敷與防腐站模塊由吊機移動并安裝于月池上。由雙節點管裝管臂架將管段從船主甲板運至塔架上部J-lay鋪管作業線上鋪設入水，立式塔架可以根據不同項目要求進行管線鋪設角度的調整。

圖8 “Seven seas”號船多種作業模式示意圖

3.3 Reel-lay鋼質海管鋪設

該船可以進行25.4 cm（10 in）以下管徑海管的Reel-lay鋪設。在Reel-lay鋪設模式下，J-lay鋪設模塊回收至塔架右舷一側，上部張緊器回收至塔架后部，在塔架上部安裝鋼管調直模塊。鋼質海管在陸地卷繞基地（Spoolbase）完成接長、防腐后卷繞至卷管盤中，施工時將卷管盤及附屬系統安裝到船甲板上。海管從卷管盤中經過塔架頂部定位器進入調直模塊調直后，通過下部張緊器、月池入水鋪設。塔架可以根據不同項目要求進行鋪設角度的調整。

3.4 結構物安裝

在結構物安裝模式中，可以在鋪管過程中安裝三通等在線結構物、PLET/PLEM等管末端結構物，作業基本步驟為：海管由收/棄管絞車從海底起管或從塔架作業線上下放至月池，通過焊接在海管上的懸掛點（Collar）與月池懸掛裝置將管端固定；立式塔架上2臺張緊器回收釋放作業線空間，PLET/PLEM通過操作裝置轉運至作業線與海管端不對齊焊接后由收/棄管絞車經月池下放至水下。

在該模式中，將回收塔架上張緊器并清空作業線后，使用主吊機將結構物吊至作業線上再轉換由收/棄管絞車牽引的方式，也可以經由月池下放安裝水下樁基、浮筒、雙層同心套筒立管（Concentric Offset Riser，COR）、單層套筒立管（Single Line Offset Riser，SLOR）等多種類型的深水大型結構物。通常這類水下結構物都需要大型的浮吊船來安裝。

4 結 論

文章對“Seven seas”號船多功能立式鋪設系統的結構、功能和主要技術參數進行了介紹，該系統具有以下特點：

（1）“Seven seas”號船是Subsea7公司主力船舶之一，應用了目前國際上最為先進的深水立式管線鋪設裝備技術，在一套立式塔架上集成了J-lay、Flex-lay、Reel-lay和結構物安裝等多種功能，作業水深可達3 000 m，作業模式轉換簡單快捷。

（2）該立式鋪設系統能夠安裝在中型MPV船上，可以有效減少投資。

（3）“Seven seas”號船和該立式鋪設系統具有非常強的綜合作業能力，在深水工程項目中可以最大限度減少大型船舶的投入和施工船隊數量，降低工程費用。

目前我國尚無此類深水工程裝備，但隨著南海深水油氣開發建設的發展，也急需開展這方面的裝備技術研究，提高深水施工能力，本文可供參考借鑒。

［1］ 楊偉，葉茂，何寧，等.深水海底管道J型鋪設工藝及設備研究［J］.石油礦場機械，2013（1）：14-20.

［2］ 黃維平，操靜，張恩勇.國外深水鋪管方法與鋪管船研究現狀及發展趨勢［J］.海洋工程，2011（1）：136-142.

［3］ 孫晶晶，劉培林，段夢蘭，等.深水臍帶纜安裝技術發展現狀與趨勢［J］.石油礦場機械，2011（12）：1-5.

［4］ Alastair Tawns.Reel laying of rigid pipelines［J］.Materials Performance.2004（10）：24-26.

［5］ Husiman Product Brochure［EB/OL］.2013.http：//www.huisman equipment.com/documenten/2013_brochures/brochure_pipelay_2013_-_email.pdf.

［6］ Cavicchi M，Ardavanis K.J-lay Installations Lessons Learned［C］.OTC 15333，2003.

［7］ 羅超，王琮，毛建輝.深水半潛式起重船J-Jay系統布置研究［J］.船舶，2011（5）：5-9.

［8］ Guo B Y，Song S H，Chacko J，et al.Offshore Pipelines［M］.Burlington：Gulf Professional Publishing，2005.