特殊工況下鋪管船錨泊及鋪管關鍵技術研究與應用

陳 元，任潤卯，于 莉，關幼耕，趙開龍

(中國石油集團海洋工程有限公司 北京 100028)

·開發設計·

特殊工況下鋪管船錨泊及鋪管關鍵技術研究與應用

陳 元，任潤卯，于 莉，關幼耕，趙開龍

(中國石油集團海洋工程有限公司 北京 100028)

通過研究淺海海域特殊工況下鋪管船錨泊分析和鋪管分析方法和施工方案，以及大口徑、較深水海底管道水平口對接提升下放的力學分析方法，建立了多船舶、多吊點動態聯合作業的施工工藝，解決了狹窄航道半封航施工、低曲率半徑彈性敷設、海底管道并行安全施工和大口徑、大水深區海管水平口對接等技術難題，形成了復雜海域特殊工況下海底管道設計與施工的特色技術。

錨泊分析；鋪管分析；管道彈性敷設；水平口對接

0 引 言

西氣東輸二線香港支線海底管道起自深圳大鏟島西北側(下海點)，穿越大鏟水道、礬石淺灘及銅鼓航道，向東延伸至香港龍鼓灘發電廠(登陸點)，全長19.67 km，是西氣東輸二線延伸至香港的海底輸氣管線。管道管材采用API 5L X65，管徑Ф813 mm×22.2 mm，設計壓力7.0 MPa，運行壓力不超過6.3 MPa，輸氣能力60億m3/a，設計壽命30 a。

本工程建設面臨著國內天然氣海管管徑最大、施工海域最繁忙、管線埋深和回填厚度最大、質量要求高和安全環保敏感等五大建設難題，存在潛在的穿越航道施工、弧線段彈性敷設、與高壓管道并行施工、大水深區水平口對接及30年免維護等技術難題，通過研究及實踐，形成了應對各種復雜海域、海洋環境和地質條件的海底管道設計、施工一體化技術解決方案，確保了工程按照高標準、高質量和高安全的要求按期完工。

1 銅鼓航道鋪管船錨泊及管道彈性敷設分析

1.1 鋪管作業施工參數及著泥點位置確定

香港支線路由包含4個弧線段，其中銅鼓航道段是航道和弧線彈性敷設結合處，既有縱向航道水深變化，又有橫向管線曲線變化，曲率半徑為1 500 m，此段還存在較厚的流泥層，錨的抓力嚴重降低，同時設計為預挖溝，需要控制管線立體鋪設精準入溝。由于彈性敷設中海管具有一定的彈力，如果錨泊方案不科學，很容易造成海管損傷和偏離路由，導致管線無法精確進入管溝。

根據“中油海101”鋪管船的具體參數，建立數值模擬分析模型，利用SIMLA軟件和OFFPIPE軟件對鋪管過程的起始鋪設、正常鋪設和收棄管作業三個典型階段分別進行受力分析，確定不同工況下的管道受力，依據規范校核，確定最優施工參數。兩種軟件均利用非線性有限元方法和鋼懸鏈線理論進行計算分析，相互對比驗證，增加計算的科學性、合理性。通過計算最終確定香港支線鋪管作業施工參數如下：一般段托管架入水角為4°；航道段拖管架入水角為8°[1]。滾輪高度見表1，張緊器張力見表2。

表1 各滾輪高度 mm

表2 不同水深下張緊器張力參考值

為確保海底管道精確就位至管道路由上，利用OFFPIPE軟件對管道鋪設時的著泥點位置進行精確計算[2]，得出托管架4°、30 t及8°、50 t時不同水深的著泥點位置，由著泥點位置距船尾及1站處的距離，確定船舶的具體位置，進而指導船舶位置的準確控制。

1.2 鋪管船錨泊及管道彈性敷設分析

依據海管曲率參數，結合鋪管船鋪管時穩船、糾偏、防止后置載荷的實際需要，確定海管鋪設時的八錨系力學平衡布錨原則：1)以船艏艉線為對稱軸，左右舷對應角度工作錨與艏艉線形成的角度相同、拋錨方向一致、拋錨長度相同，達到左右舷力學平衡；2)船舶艏向布錨預留靜態張力總和要大于艉向布錨張力總和。“中油海101”鋪管船錨泊系統：8根錨纜，錨機能力1 800 kN，錨纜直徑64 mm，破斷力2 185 kN。圖1為八錨系鋪管船布錨圖。

圖1 八錨系鋪管船布錨圖

錨系統鋪管船敷設海管時的管道受力包括：船舶軸向偏轉力、作用于管道上的縱向制動力和牽引力、管道自身重力、船舶隨波浪上下浮動形成的垂向疊加載荷、作業線滾輪及托管架滾輪對管道產生的承托力。

銅鼓航道寬約800 m，圖2為航道鋪管作業區示意圖。經過與海事部門協商，采用封航方式鋪管，為防止棄管對航道的影響，應根據氣象預報選擇合適的天氣連續作業。需要通過錨泊分析，校核布錨方案是否符合力學平衡要求；明確每個布錨方案的力學突出點，正確指導實際布錨操作，避免錯誤的布錨方案對海管造成的破壞作用。

圖2 銅鼓航道鋪管作業區示意圖

根據銅鼓航道實際情況、海洋環境條件、鋪管船參數和相應設備能力、以及管線路由走向，共制定6種錨泊方案，22種工況。錨泊方案5為典型錨泊方案，該方案及計算模型如圖3所示。

圖3 銅鼓航道錨泊方案五及計算模型

依據API 2SK 2005規范和CCS海上移動平臺入級規范，基于三維繞射勢流理論，建立鋪管船濕表面網格模型，結合環境參數，利用SESAM/DeepC程序進行船舶系泊系統的時域全耦合分析。一般程序為由船舶的水動力性能分析得到船舶運動RAO、質量矩陣、附加質量矩陣、勢流阻尼矩陣、靜水剛度矩陣、波頻載荷RAO和平均漂移力載荷RAO，其次在DeepC中建立整個系泊系統模型，施加系泊纜的水動力系數、風流環境載荷受力系數、環境條件和其它外部載荷受力。根據以上參數求解時域受力運動方程，得到船舶的位移和系泊纜張力的時歷曲線。整個分析過程分為靜力分析和動力分析。靜力分析考慮作用在船舶/系泊纜上的風、流和漂移力的平均力載荷以及外部載荷，通常可求得船舶系泊系統的平均偏移位置和系泊纜張力情況，并作為動力分析的運動起始位置。動力分析考慮船舶、系泊纜和外部載荷的動態效應，計算得到船舶的位移和系泊纜的張力的時域分析結果。

錨泊分析明確了錨位圖在環境極限因素疊加的情況下的風險突出點為：各錨泊方案中產生最大動態張力的是方案五，工況LC16條件下LINE4為1.60E6 N，小于允許張力1.80E6 N，屬于安全可控狀況，符合規范要求，其時歷曲線如圖4所示。由此可以明確銅鼓航道布錨圖的安全性、可靠性、實用性，并以此為依據確定布錨圖，編制彈性敷設施工方案。

圖4 銅鼓航道方案五各錨纜系泊動態張力曲線

2 龍鼓航道鋪管方案優選及錨泊分析

2.1 龍鼓航道鋪管方案比較

海管路由需要穿越龍鼓、銅鼓和大鏟三條航道，其中龍鼓航道屬國際黃金水道，對深圳、香港的整個GDP具有重大影響，不允許全線封航，只能采取短期半封航方式施工。

“中油海101”鋪管船常規布錨方案，如圖5所示，需要艉錨纜大于300 m、艏錨纜大于800 m、船長120 m，布錨區域超過1 200 m。而龍鼓航道寬920 m，要求預留320 m的單向通航，因此布錨區要壓縮到600 m以內，這就對“中油海101”鋪管船的布錨提出了嚴峻考驗，為此需要開展錨泊技術研究和校核分析，合理制定布錨方案。

圖5 常規布錨方案

通過對底拖、吸力錨及輻射布錨等三種方案進行綜合比較，結果見表3。可以看出，對某些特殊工況采用輻射布錨方式，通過計算分析挖掘鋪管船自身錨泊能力，考慮兩錨失效，將側穩錨變前動力錨，可實現管道鋪設，因此推薦采用輻射布錨方案，如圖6所示。

圖6 輻射布錨方案

2.2 龍鼓航道鋪管船錨泊分析

錨泊分析針對15.0 m、9.0 m、6.0 m和3.5 m四種水深，共考慮8種錨泊方案，24種計算工況。通過計算，各錨泊方案中產生最大動態張力為方案七，其錨泊方案及計算模型如圖7所示，最大動態系泊張力為2.19E6N，超過鋪管船工作錨設備最大額定拉力值180 t，說明該錨泊方案不可行。

表3 龍鼓航道鋪管方案比較

因此對動態張力超過最大額定拉力值的錨泊方案都需要進行調整，重新計算，直到滿足要求。調整原則包括：1)考慮鋪管船作業實際情況，將張緊器極限張力75 t調整為50 t；2)為避免張力過大，在鋪管過程中可通過提前移動2、3號錨，確保1號或4號系泊纜在單獨作用時與船舷夾角不超過60°。表4、表5為龍鼓航道錨泊方案7調整前、后的動力分析計算結果，可以看出調整后最大動態系泊張力為1.66E6 N，滿足要求。由此證明穿越龍鼓航道全套錨泊方案的科學性、嚴謹性、實用性。

圖7 龍鼓航道錨泊方案7及計算模型

N

表5 調整后的錨泊方案7動力分析計算結果 N

3 龍鼓航道段與崖13-1并行保護方案

管道從進入龍鼓航道之前的KP13.56至登陸點的6.11 km，均與中海油在用的崖13-1輸氣管線并行，間距由100 m逐漸縮小至登陸點的30 m，水深在0～22 m之間。根據預調查結果，崖13-1在并行段管道埋深大于1.5 m。要求鋪管船錨纜絕不能碰撞刮蹭崖13-1管線。

跨越管道錨纜常規采用設置浮錨漂的方案如圖8所示，避免鋼絲繩與管道接觸[3]。但長距離并行，考慮鋪管船前行作業，錨纜長度和角度不斷變化，需經常拆、裝浮筒，可操作性差，周期長，費力又費時。

圖8 安裝錨浮漂示意圖(常規方案)

根據鋪管船特性及崖13-1并行保護要求，通過公式(1)計算各錨纜懸鏈線，動態控制錨纜張力變化，確保錨纜觸泥點在崖13-1管線外側，如圖9所示，避免錨纜與管線的接觸，據此制定管道并行的全程錨泊和保護施工方案，管道曲線并行段布錨示意圖如圖10所示，曲線并行段布錨數據見表6。

圖9 錨纜懸鏈狀態分析圖(推薦方案)

(1)

式中，h為水深,m；R為作用在船上的外力，t；x為錨泊點至掛鏈點的水平距離，m；α為起錨角，°；ω為每米鏈重，t/m。

圖10 管道曲線并行段布錨示意圖

錨號拋錨長度/m拋錨與船體軸線夾角/°錨點距崖13-1管道距離/m纜繩出孔點距崖13-1管道距離/m37001550未跨越48004523511255007026688835012720085

施工時在錨纜橫跨管道區域設置浮漂，保證鋪管船移動時，錨纜在管道上方，不與管道接觸。在錨點合理布置錨點監護船，時刻監測錨點的位置、錨纜長度、各錨相對于鋪管船的角度，錨機設專職守護人員，時刻監測錨纜繩的張緊情況，避免錨纜對已建管道的刮擦和鋸切。

4 大口徑、較深水管線水平口對接

4.1 水平口對接施工方案比較

工程在大鏟島下海點有一道水平口對接，根據對施工海域環境和海底地貌的調查研究，認為無法按常規把水平口對接點選在岸邊進行。根據國內外海管施工經驗，水上水平口對接通常在10 m水深以內進行，水深超過10 m的水平口對接因下放距離長，管線應力不易釋放，施工風險大，通常采用水下法蘭連接，但業主不同意采用法蘭連接。

通過對比近岸段各位置的風浪流、潮汐、地質及周邊環境情況，并對水平口對接建模初步分析，初步考慮對近岸段和KP4(友聯船廠附近)兩處作為對接位置進行預選。通過對兩處對接位置管道下放安全分析、友聯船廠經濟索賠、封航或船舶航行對施工的影響、施工難度等因素綜合考慮，確定選取近岸段進行對接。然后對近岸段考慮離岸140 m(舷側接長)、離岸140 m(弧線鋪設)和離岸230 m(無應力水平口)3個方案的綜合比較，結果見表7，最終選擇位于大鏟航道的KP0.23處作為水平口對接位置，水深23 m，需要短期封航施工。

表7 近岸段水平口對接施工方案比較

4.2 管道提吊和下放分析

在23 m水深處進行舷外水平口對接，關鍵是兩端提吊、焊接、下放全過程不能屈曲，特別是管線下放過程中，局部受力增大，如不能使用有效方式釋放應力，極易造成管線應力超標，發生屈曲變形，導致水平口對接失敗。

水平口對接管道提吊和下放分析，確保提吊至焊接位置管道傾斜角0°，實現無應力對接；下放至海底實現應力釋放。因提起的兩根管子上翹，單靠鋪管船自身無法單獨作業，經研究分析，需借用另外兩條起重船協助，由三條船(含鋪管船)協同作業，同時提起兩根管子對接，如圖11所示。

由于水平口的位置距離岸邊較近，選擇使用陸岸拖拉法結合吊點拖帶法進行應力釋放，即在登陸端布設卷揚機，在水平口下放過程中，配合吊機下放進行岸上拖拽，將管線應力釋放；吊點拖帶法為多吊點聯合下放，使管線曲率發生變化，將遠岸端管線的應力順推至近岸段，結合岸拖法施工，將管線應力釋放。

通過選取管線參數、船舶參數和設備參數，根據DNV81規定，采用公式(2)對管道鋪管應力進行驗算：

(2)

式中，N為軸向力，N；A為管道截面積，mm2；M為彎矩，N·mm；W為管道截面模量，mm3；σy為環向應力，MPa；σF為屈服強度，MPa；η為使用系數，取0.72。

圖11 多船舶、多吊點動態聯合作業水平口對接施工示意圖

根據OFFPIPE軟件初步計算結果，為保證KP0.23處水平口對接的順利進行，除4個舷吊外需要增加2個吊點，并在管道鋪設時綁扎浮筒(直徑800 mm，長度1 600 mm，每個浮筒可提供不小于7 840 N的有效浮力)，確保應力得到有效釋放。表8、表9為管道綁扎浮筒后提吊及下放分步分析計算結果，可以看出，管道起吊過程中上彎段最大應力為58%SMYS，下放過程上彎段最大應力為70%SMYS，均小于管道屈服強度，滿足規范及設計要求。

采用中油海101鋪管船與另兩艘浮吊配合、6吊點、綁扎浮筒并聯合岸上卷揚機，多點動態聯動，下放監控，實現水平口無應力對接和應力釋放，通過動態聯合作業計算軌跡制訂水平口對接、下放及應力釋放的施工工藝方案。

表8 管道提吊建模分步分析結果

表9 管道下放分步分析結果

5 結 論

1)基于彈性單元和有限元分析理論、鋪管船全耦合錨泊分析技術，研究形成了淺海復雜海域特殊工況下鋪管船錨泊分析和鋪管分析方法和施工方案，以及大口徑、較深水海管水平口對接提升下放的力學分析方法，建立了多船舶、多吊點動態聯合作業的施工工藝，解決了狹窄航道半封航施工、低曲率半徑彈性敷設、6 km海底管道并行安全施工和大口徑、較深水海管水平口對接等技術難題。

2)以上成果在西二線香港支線海底管道項目得到成功應用，確保了工程的安全順利實施，縮短了關鍵環節的施工工期，大量節省了各種費用，具有顯著的經濟效益和社會效益。

[1] 《海洋石油工程設計指南》編委會. 海洋石油工程安裝設計[M]. 北京：石油工業出版社，2007.7：106-109.

[2] 孫成贊，王 允. OFFPIPE軟件在海底管道鋪設中的應用[J]. 石油工程建設，2005，31(5)，49-52.

[3] 高喜峰，余建星，劉 潤. 海底管道附近拋錨時錨鏈的設計[J]. 海洋技術，2009，28(1)：97-99.

Research and Application of Key Technology of Pipe-laying Ship Mooring and Pipe-laying in Special Working Condition

CHEN Yuan, REN Runmao, YU Li, GUAN Yougeng, ZHAO Kailong

(CNPCOffshoreEngineeringCompanyLimited,Beijing100028,China)

By studying the pipe laying ship mooring under the shallow sea area special working condition, the pipe-laying analysis method and the construction scheme, the mechanics analysis method of the large diameter, and the larger depth subsea pipeline level butt joint lifting and dropping, the dynamic joint operation of the construction technology of many ships and many hoist points is established. The technological problems in pipeline construction through narrow channel under a half closure navigation, the elastic laying lower curvature radius, the operation along with high pressure pipeline, and level butt joint under large-deep water area are solved. The featured technology of the subsea pipeline design and construction under special working condition in complex sea area is formed.

mooring analysis；pipe-laying analysis；the elastic laying pipeline；level butt joint

陳 元，男，1962年生，高級工程師，1984年畢業于江漢石油學院鉆井工程專業，現從事海洋石油工程項目管理工作。E-mail：chenyuan.cpoe@cnpc.com.cn

TE973.92

A

2096-0077(2017)03-0038-07

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.03.009

2016-08-10 編輯：屈憶欣)