軟鋼臂式單點系泊系統跨接軟管和電纜安裝連接方法探討

閆　斌

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

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軟鋼臂式單點系泊系統跨接軟管和電纜安裝連接方法探討

閆斌

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

在總結軟剛臂單點系泊系統和浮式生產儲油裝置FPSO間跨接軟管和跨接電纜的連接方式的基礎上，以渤海蓬萊19-3Ⅱ期開發項目“海洋石油117”30萬t大型FPSO軟管和電纜連接為例，從技術可行性、成本、作業風險及可調動船舶資源等方面對預布安裝法、浮吊安裝法和駁船安裝法等3種跨接軟管和跨接電纜連接方法進行分析、探討。

跨接軟管；跨接電纜；軟鋼臂；單點系泊系統；海上安裝

跨接軟管和跨接電纜是單點系泊系統的重要組成部分，它連接單點結構和浮式生產儲卸油裝置(簡稱FPSO)并進行電力、通信及油水氣的傳輸[1-3]，是保證海上油田和FPSO正常生產的重要環節。跨接軟管和電纜價格昂貴，在安裝過程中對彎曲形狀、受力，以及連接點位置和角度都有嚴格要求，不合適的海上安裝方法將造成軟管和電纜結構的損傷，導致使用壽命的降低，危及海洋油氣輸送的安全和海洋環境。針對海洋石油工程中跨接軟管和電纜的安裝，盡管國內許多學者和工程技術人員采用拖船[4-5]、絞車[6-8]、浮吊[9]等方法獲得了實踐的成功，也通過建立模型對安裝過程和方法進行模擬優化[10-12]，但并沒有對軟鋼臂式單點系泊系統跨接軟管和電纜的安裝方法進行系統性梳理，也沒有對各種方法的適用性進行詳細的探討和比較。針對渤海蓬萊19-3油田Ⅱ期油田開發項目軟鋼臂式單點系泊系統跨接軟管和電纜的安裝，提出預布安裝法、浮吊安裝法和駁船安裝法等3種安裝方法，并從技術可行性、成本、作業風險、可調動船舶資源等方面進行分析、比較和探討，以期為工程實踐提供幫助。

1　蓬萊19-3Ⅱ期單點系泊系統及跨接軟管和電纜介紹

蓬萊19-3油田Ⅱ期開發項目采用荷蘭Bluewater公司設計的塔架式軟鋼臂單點系泊系統(見圖1)，其浮式生產儲卸油裝置海洋石油117 FPSO載重量30萬t，是世界上最大的浮式生產儲油裝置之一。該FPSO總長323 m、垂線間長313 m、型寬63 m、型深32.5 m、設計吃水14 m。FPSO和單點結構(SYMS)之間通過14根軟管和4根電纜進行油、氣、水輸送及電力、通信傳輸，軟管和電纜參數見表1。

圖1　Bluewater公司設計的塔架式軟鋼臂單點系泊系統

當跨接軟管和電纜在單點結構和FPSO之間安裝連接時，FPSO處于空載狀態，其吃水深度為14 m時，單點與FPSO間距為51 m。跨接軟管和電纜在FPSO側的連接點位置即軟管安裝平臺距離海平面42.4 m，軟管、電纜懸垂最低點距海平面13.7 m，安裝設計的各項參數見圖2。

表1　跨接軟管和電纜的編號和參數

圖2　跨接軟管和電纜連接設計

2　預布安裝法

預布安裝法是指在FPSO拖航、就位之前，將跨接軟管和電纜預先布置在FPSO船艏平臺或甲板上，使用FPSO和單點上的絞車同時牽引安裝跨接軟管和電纜的方法。它要求FPSO船艏結構滿足兩項要求：第一，必須能夠滿足軟管/電纜的長度要求；第二，軟管/電纜安裝平臺寬度必須滿足軟管/電纜排布和固定的需要。對于海洋石油117 FPSO，在船艏結構長度方面，直升機平臺為20 m×20 m，軟管安裝平臺20 m×20 m,安裝平臺弧板13 m長，弧板末端距船艏平面5 m高。由于軟管/電纜長度較長，為78 m，因此需要將軟管/電纜一部分置于直升機平臺。為此要在直升機平臺和軟管安裝平臺搭接棧橋，長度為8.4 m。此時從船艏到軟管固定處到直升機平臺遠端總長66.4 m，軟管還剩余11.6 m沒有預布。

多出的軟管放置方法有3種：①將軟管呈“U”形懸掛在船頭，并用繩索對軟管“U”形下端進行固定；②將軟管剩余長度在允許彎曲半徑下盤布在直升機平臺支撐結構中；③在直升機平臺遠端在允許彎曲半徑下安裝弧形板。由于軟管和電纜數量多達18根，而安裝平臺弧板寬度僅有20 m，并且軟管彎曲半徑較大(最大5.79 m，最小1.43 m)，如果將軟管/電纜呈“U”形排布、懸掛在FPSO船艏，14根軟管和4根電纜勢必會交叉重疊，交叉重疊之后的固定問題以及遠途拖航過程中軟管、電纜間接觸摩擦問題成為“U”形排布的難點。同樣，在直升機平臺支撐結構也不能滿足眾多軟管盤布及固定的需要。因此只能在直升機平臺結構遠端安裝弧形板，弧形板最小彎曲半徑為5.79 m，長度為9.1～10.0 m時即可滿足需要。

預布之后，軟管頭部經過安裝平臺弧板伸出船艏，用2根鋼絲繩在船艏左右2舷固定，軟管尾部經過弧形板伸出直升機平臺遠端，用2根鋼絲繩在直升機平臺支撐結構上固定，軟管/電纜之間使用保護泡沫進行固定，保證在拖航時軟管的穩定性，見圖3。

圖3　軟管預布示意

FPSO就位并與單點連接后即可進行跨接軟管的連接。首先用拖拉網套將軟管頭部和尾部套住。松開固定繩索，將單點和FPSO 的絞車纜繩分別與軟管頭部和尾部牽拉頭連接。啟動單點上的絞車，同時慢慢放松軟管尾部牽拉纜繩，將軟管向前拖動。軟管拖拽過程中，在軟管下放置滑靴，防止造成軟管磨損和撞傷。軟管頭部拖拽到單點處軟管連接法蘭位置后，使用倒鏈將軟管臨時固定住。拆除軟管牽拉頭，將軟管法蘭和單點對應法蘭對接，緊固螺栓，完成軟管在單點側的連接。然后直升機平臺下方絞車釋放軟管尾部到達FPSO船艏處連接法蘭位置，臨時固定軟管尾部，完成軟管在FPSO端的連接。拆除索具和拖拉網套。重復上述步驟，連接剩余軟管。

預布安裝方案在施工過程中不需要調動拖船、浮吊、駁船等船舶資源，在預布之前對船艏結構以及直升機平臺的改造也基本都在船塢、碼頭進行，跨接軟管和電纜安裝過程中，施工風險最小，也更容易實施，成本也比較低。預布安裝法進行跨接軟管和電纜的安裝已經成功的在渤海友誼號、渤海長青號、渤海明珠號、渤海世紀號、海洋石油112及海洋石油113等FPSO上實施，具有豐富的施工經驗和成熟的施工隊伍。缺點是預布之前對船艏進行改造移除安裝平臺欄桿，安裝棧橋和弧形板以及對直升機平臺支撐結構進行部分改造；在跨接軟管和電纜安裝連接后再拆除棧橋和弧形板，恢復船艏原來結構，這將延長FPSO的建造工期以及跨接軟管和電纜在海上安裝連接的工期。然而，業主期望能夠盡快完工投產，同時也不愿意對HYSY117 FPSO船艏進行任何改造，因此否決了第一方案提出的預布安裝方案。

3　駁船安裝法

由于FPSO船艏與單點之間有一定的距離，YOKE到水面也有一定的距離，如果駁船干舷與滾子的高度小于YOKE到水面的距離，則可以用拖船將裝有軟管和電纜的駁船/拖船(或直接使用DP動力定位船)推/拉到單點與FPSO之間的空隙中，利用FPSO船艏和單點上的絞車將軟管兩端分別提升到FPSO船艏和單點上，然后進行軟管的安裝連接。這稱為駁船安裝法。

駁船安裝法要求FPSO與單點之間的距離以及YOKE到水面的距離能夠滿足裝有軟管輥子的駁船自由出入。HYSY117 FPSO吃水為14 m時，FPSO跨接軟管最高點(軟管安裝平臺)距離海平面42.4 m，最低點距海平面13.7 m，FPSO距單點內側51 m。軟管/電纜輥子的最高安裝高度為9.34 m，最大寬度為5.58 m，理論上只要駁船船寬大于9.34 m，干舷高度小于4.36 m即可使用駁船安裝法進行跨接軟管的安裝連接。在施工過程中應保持干舷高度為2 m或是輥子頂端距單點或跨接軟管最低點2～3 m。

駁船的選取有3種：①可選下水駁或半潛水駁，使用拖船將駁船拖至FPSO與單點之間的空隙中，并使用2～4條拖船定位后進行軟管的連接安裝；②可選多功能定位船，由于其具有自航和定位能力，不需要拖船輔助拖拉定位；③在駁船或動力定位船工期緊張的情況下可以選擇合適的拖船進行軟管的跨接安裝，此時的工作拖船可作為駁船使用。

為了將駁船定位于FPSO與單點之間的空隙中，需要配備兩條拖船進行輔助，一條靠在駁船尾部，另一條在駁船前方，用直徑60 mm尼龍繩牽引駁船前進。駁船前方的拖船主要提供駁船前進的動力。靠在尾部的拖船將船體的后1/3超出駁船尾部，以便更好地發揮拖船舵效，控制駁船的方向，見圖4。

圖4　拖船輔助駁船拖拉定位示意

在前拖船拉力和后拖船的導向作用下，將駁船慢慢拉進FPSO與單點之間的空隙。DP動力定位船進入FPSO與單點之間的空隙則不需要如此復雜的操作，因其本身就具有航行和定位能力，但是，DP船費用要比選用駁船高的多，因此，一般情況下都選取駁船附帶2艘拖船進行作業。如果駁船及動力定位船都緊張的話，可以選用1艘甲板面積較大的拖船代替駁船和動力定位船。

駁船就位后，進行軟管的拖拉到位和連接。啟動軟管/電纜滾子驅動，將盤在軟管滾子上的軟管拉出一段。在拉出的軟管上安裝Chinese Finger、卡環，并將將卡環連接到FPSO絞車的鋼絲繩上。啟動絞車，提升軟管到FPSO的軟管托架上直到軟管的尾部脫離軟管滾子。這時軟管頭部會在FPSO側有較長的冗余，注意防止軟管的刮傷。在軟管尾部安裝Chinese Finger、卡環，并將卡環連接到單點側絞車的鋼絲繩上，緩緩提升軟管尾部，使軟管脫離駁船。通過控制FPSO及單點上的絞車，使軟管/電纜達到自己的安裝位置，完成跨接軟管/電纜在FPSO和單點間的安裝連接。見圖5。

圖5　駁船安裝法軟管/電纜安裝連接示意

駁船安裝方案和預布安裝方案相比，不需要較多的前期準備工作，所需的船舶資源也比較容易滿足，并且成本和費用較低。但是此方案駁船上次只能安裝1～2個軟管/電纜輥子，每安裝1或2根軟管/電纜后，拖船必須離開FPSO與單點間空隙，到附近停泊的裝有軟管/電纜輥子的作業支持駁船旁，使用浮吊更換軟管/電纜輥子；同時在跨接軟管安裝過程中應密切注意流向變化，及時調整作業船位置，使其與FPSO船艏方向保持一致。雖然駁船安裝方案為業主提供的施工方案，但是此方案施工空間狹小，作業條件苛刻，操作難度大，作業風險高，如果沒有良好的氣候窗口將大大延長安裝周期，項目組和業主經過多次討論論證，最終沒有采取此方案。

4　浮吊安裝法

浮吊安裝法是使用旁靠在FPSO船艏或一側的浮吊將旁靠浮吊的工作駁船上裝載的軟管整根吊起，然后進行空中連接的一種方式。采用浮吊安裝方案時所選用的浮吊必須滿足跨距、吊高和吊重三個方面的要求。

HYSY117 FPSO吃水14 m時，軟管安裝最高點(FPSO側軟管安裝平臺)高42 m，天線平臺高50.6 m，SYMS軟管安裝平臺高40.5 m；吊裝軟管時吊扣為5 m，軟管長度為78 m，若“U”形起吊時吊高為：軟管長度/2+吊扣+YOKE最高點距水面距離=39+5+26=70 m。因此理論上浮吊吊高應大于70 m；若單管起吊，理論上浮吊吊高應大于109 m。

浮吊靠泊到FPSO船艏時，浮吊船舷應當懸掛撞球，撞球直徑3 m。因此浮吊轉塔中心距單點軟管/電纜安裝平臺最遠側安裝軟管/電纜法蘭處距離，即所需最大跨度Lmax為

式中：L——浮吊轉塔中心到最遠作業點的橫向距離，為最遠側安裝軟管法蘭處到FPSO右舷水平距離、撞球直徑、浮吊靠泊側到浮吊轉塔中心距離(浮吊船寬的一半)3項之和；

V——浮吊轉塔中心到最遠作業點的縱向距離，根據所選浮吊船體參數及浮吊靠泊HYSY117的位置確定；

Bf——浮吊船寬。

經過可用船舶資源比較，藍疆號和藍鯨號滿足條件，但出于成本考慮選用藍疆號浮吊進行跨接電纜和軟管的安裝。藍疆號全旋轉起重船長157.5 m，型寬48 m，型深12.5 m，設計吃水8 m。

一般情況下，浮吊靠泊FPSO時將浮吊船長的2/3旁靠在浮吊上以保持浮吊的穩固，并使浮吊與FPSO保持一致。由于HYSY117 的YOKE浮筒外側超出FPSO左右舷1.5 m，距FPSO船艏30 m，YOKE中部高出水面21～26 m，因此，為了減小浮吊跨距并保證安全，藍疆號船艉超出FPSO船艏25 m左右即可。此時，浮吊轉塔中心到最遠作業點的縱向距離為7.5 m。見圖6。

圖6　藍疆號浮吊靠泊海洋石油117 FPSO

根據公式可得浮吊工作時所需最大跨距為68.9 m。查藍疆號吊重曲線圖可知，最大吊高為103 m，小于理論吊高109 m，并且在浮吊吊起軟管后要越過YOKE臂及壓載艙平臺，因此浮吊吊軟管時只能采用“U”形起吊的方式。浮吊吊鉤選擇藍疆的1號鉤和小鉤，為了保證在吊裝過程中軟管彎曲半徑大于軟管最小彎曲半徑，從浮吊轉塔上的絞車上引出一根拖纜拖帶浮吊小鉤；同時，為了避免主鉤在小鉤起吊過程中摩擦軟管/電纜，需將主鉤摘下。

藍疆號浮吊作業時，先用1號鉤將軟管/電纜完全從輥子中抽出，然后軟管末端掛上帶有拖纜的小鉤。藍疆號靠泊FPSO，以及駁船靠泊藍疆號后即可進行跨接軟管的連接。

首先，將藍疆的扒桿移動到軟管驅動的正上方，連接吊鉤吊索到軟管頭部的拖拉頭上，吊車提升軟管到極限位置，將軟管末端連接在藍疆號轉盤的絞車上。轉動扒桿到YOKE壓載艙上后，提升1號鉤，釋放小鉤，將軟管末端連接SYMS絞車和FPSO絞車的鋼絲繩上并解脫小鉤。調整藍疆扒桿處于單點正前方，開動SYMS絞車和FPSO絞車將軟管末端拖至SYMS安裝平臺完成跨接軟管在SYMS側的安裝。最后，調整浮吊扒桿靠近并降低吊鉤到FPSO安裝平臺，將軟管頭部拖拉頭連接到絞車上并解脫浮吊1號鉤，開動FPSO船艏絞車將軟管拖拉至安裝平臺完成安裝。

浮吊安裝方案與前兩種方案相比要調一艘大型浮吊以及兩條拖船輔助靠泊，因此成本費用較高。但是，使用浮吊吊裝時作業風險較小；藍疆號這艘大型浮吊旁靠著30萬t的巨型FPSO，即便是惡劣的天氣條件下仍然能夠進行施工作業，因此能夠大大縮短軟管安裝工期；作業過程中要通過浮吊和絞車來進行安裝，因此作業難度小，容易實施。這一方案最終獲得業主認可，在跨接軟管/電纜項目中實施，并在短短的7天時間內安全、順利、成功地完成了14根軟管和4根電纜的安裝連接。

5　結束語

1)盡管預布安裝方案需要對FPSO船艏進行改造以及安裝連接后恢復FPSO船艏原來結構，工期相對延長，但是，預布安裝方案簡單快捷，成本低，不需要駁船、拖船和浮吊等大型船舶，節約資源，并且能適應各種惡劣海況，作業風險也較低，為預布安裝方案、駁船安裝方案及浮吊安裝方案3種方案中的最優方案。

2)駁船安裝方案成本同樣也比較低，不需要浮吊等大型船舶輔助作業；然而，此方案對施工海洋環境以及施工操作的技巧和配合要求較高，但對于富有經驗的安裝施工隊伍來說并不難。因此，該方案可作為備用方案。

3)浮吊安裝方案要求駁船、拖船和浮吊等大型船舶聯合作業，成本較高，但是簡單快捷，能夠在各種惡劣海況下進行高難度、高風險的海上施工作業。

“海洋石油117”FPSO要連接14根跨接軟管和4根電纜其中包括4根大尺寸的跨接軟管，該FPSO軟管和電纜數量是目前國內跨接軟管最多的一次，軟管尺寸大、數量多，施工難度大，作業風險高。由于施工時期海洋環境條件、跨接軟管特性以及FPSO施工條件等主觀、客觀條件的限制，選擇“藍疆”號進行跨接軟管和電纜安裝的浮吊安裝方案，雖然項目成本大幅增加，但卻是正確、合理的選擇。

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On Jumper Hose and Cable Installation of Soft Yoke Single Point Mooring System

YAN Bin

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China)

Based on summarizing the installation method of jumpers and cables installation between soft hard arm single point mooring system and floating production, ptorage and offloading system (FPSO), taking the Penglai 19-3 phaseⅡ jumpers and cables installation project as an example, three jumper hose and cable installation methods are proposed including pre-arrangement installation, floating crane installation and barge installation. These three methods are analyzed comparatively from views of technical feasibility, cost management, operation risk and motivating vessel resources.

jumper hose; jumper cable; soft yoke; single point mooring system; offshore installation

2016-01-20

2016-02-24

海洋石油工程股份有限公司蓬萊19-3Ⅱ期油田開發項目

閆斌(1981—)，男，碩士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)04-0083-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.020

研究方向:海洋石油工程

E-mail:yanbin1@mail.cooec.com.cn