海底子母管線鋪設防扭轉分析

劉文利

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海底子母管線鋪設防扭轉分析

劉文利

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

子母管鋪設期間的防扭轉問題一直是鋪管行業內的世界級難題，至今仍無較好的措施可徹底解決該問題。就子母管鋪設時產生扭轉的原因及防扭轉措施進行分析，為今后類似的子母管鋪設項目提供重要的技術參考。

子母管；防扭轉；張緊器；扭力釋放

1 子母管鋪設介紹

海底子母管線鋪設是指在常規S-LAY鋪管船上的主鋪管作業線一側增加一條子管預制作業線，在該作業線上將子管焊接接長，在主作業線的張緊器后方將子管作業線與母管作業線合并在一起同時鋪設，大管徑海管稱為母管，小管徑海管稱為子管。子母管在經過鋪管作業線及托管架滾輪時，由于脆弱的子管承受不了強大的滾輪支反力，在鋪管作業線及托管架上，子管必須始終處在母管的上方，使子母管在鋪管作業線及托管架上不能扭轉，子管依附母管在主線母管張緊器提供的張力下同母管一起鋪設到海底。

截止到目前，海油工程共有兩個項目采用過子母管的鋪設方式，第一個項目是2006年的BZ3/4-3/5項目，共兩條子母管分別是2＂/6＂和2＂/8＂，各4 km左右；第二個項目是2014年的黃巖項目，一條18 km左右的2＂/8＂復合子母管鋪設。BZ3/4-3/5項目由于水深只有十幾米，而且距離較短，在鋪設時沒有發現明顯的扭轉，兩條子母管都是一次鋪設完成，中間沒有進行棄管作業。黃巖項目子母管鋪設時，由于水深(110多m)，而且海管較長，子母管出現了小角度的扭轉，由于鋪設時子母管上安裝了防扭轉裝置，中間遭遇兩次惡劣天氣采取了棄管作業，釋放了扭力，避免了扭力的持續積累。采用子母管鋪設的優勢是子管和母管同時鋪設，可以節省一條子管鋪設的施工費用，節約了項目施工成本。

圖1 子母管鋪設流程圖Fig.1 Sub-tube laying flow chart

圖2 子母管綁扎效果圖Fig.2 Sub-tube banding effect map

2 海管鋪設期間產生扭轉的原因

目前，海底管道安裝鋪設的資料顯示，海底管道在安裝過程中均會產生不同程度的圍繞海管軸線方向的旋轉，這種旋轉隨著水深的增加尤為凸顯。海管在安裝鋪設過程中的旋轉問題成為當前海洋工程界的一大難題。有專家認為，海管在鋪設過程中可能造成海管的旋轉，主要有以下幾個原因：第一，海管在制造過程中及焊接接長過程中存在內應力，當海管在鋪設張力作用下，本身存在的內應力可能會導致海管扭轉；第二，鋪管船的位移，包括橫蕩、橫搖和艏搖等；第三，側向流；第四，鋪設路由；第五，托管架產生的非對稱支反力。

目前，工業界和學術界對上述造成旋轉的原因都只是定性程度的猜想，還未有成熟的解決方案，且上述原因目前還無法通過計算手段進行量化和預測，無法對工程應用產生指導性作用。對于普通單根海管的鋪設，由于對旋轉不具有特殊要求，一般在海管鋪設終止時棄管后自然釋放扭力，任其一端自由旋轉。但是，對于子母管安裝鋪設而言，對海管鋪設過程中的旋轉角度有著非常高的要求，一旦旋轉到一定角度，子管就會旋轉到母管的側面甚至底部，在通過鋪管船或托管架上的滾輪時，強大的滾輪支反力會把子管壓壞，這給該類海管的安裝帶來極大的困難和挑戰。

3 子母管鋪設期間的防扭轉措施

海管在鋪設時扭轉的程度跟水深有著很大的關系，如果水深則從張緊器到海底著泥點的長度就會延長，在單位長度扭轉角度不變的情況下，扭轉的角度就會累積加大。截至目前，子母管鋪設的防扭轉問題一直是鋪管行業內世界級的難題，至今沒有任何好的措施徹底解決，但是經過BZ34-3/5項目及黃巖項目三條子母管的鋪設，根據現場施工經驗也總結出了一些措施來減緩子母管鋪設期間的扭轉問題。

3.1 扭力定期釋放

子母管鋪設期間，由于母管在張緊器的夾持下無法旋轉，容易導致扭力的積累，這時可以定期在管端焊接臨時棄管封頭，連接A/R纜，將張力由張緊器轉換至A/R絞車，打開張緊器釋放扭力，這樣就可以避免扭力過度積累，導致子母管大角度扭轉。但是，這樣會延長海管的鋪設工期，增加施工的費用。

3.2 子管反向綁扎

子母管在鋪設期間，通過ROV的水下監控可以判定子管的旋轉方向，根據子管的旋轉方向，在綁扎子管時將子管偏向旋轉方向相反的一側綁扎，這樣可以抵消一部分旋轉角度。由于導管架上滾輪為“V”型30°滾輪，此種方式最多只能抵消30°左右，因此，此種方式可以在水位較深的海域項目中采用，因為水位較淺，扭轉角度的積累不會太大。

圖3 子管反向綁扎設計圖Fig.3 Sub-tube reverse banding design drawing

4 在管線上綁扎旋轉抑制裝置

旋轉抑制裝置可用于抑制海管在安裝過程中由于外載荷引起的繞海管軸線方向的旋轉。其結構組成包括一個用于產生向上浮力的浮筒，剛性攸克(yoke)臂和管體卡子系統。浮筒與yoke臂通過典型的三角形式柔性索具連接，yoke臂連接管體卡子，管體卡子分為上下兩片，卡緊在海管管體上。浮筒產生的凈浮力通過yoke臂傳遞給海底管道，當海管發生旋轉時，浮筒產生的凈浮力通過yoke臂的作用將產生一個恢復力矩，從而抑制海管發生旋轉。

浮筒的尺寸大小要根據鋪設海管的尺寸以及相關的環境條件等因素，同時考慮海管在鋪設后坐底的穩定性來計算確定。

海底管道鋪設旋轉抑制裝置，通過兩根柔性索具組成三角形，然后通過第三根豎直柔性索具與浮筒連接。當海管發生旋轉的時候，底部兩根柔性索具將呈現受力不等狀態，偏離海管旋轉一側的索具變松弛，偏向海管旋轉一側的索具將變張緊，從而達到改變浮力作用點，增加力臂的作用。第三根豎直向上的索具設計便于水下機器人(ROV)進行切割回收浮筒。

海底管道鋪設旋轉抑制裝置，Yoke臂底部與管體卡子采用旋轉銷軸進行連接，yoke臂和浮筒可以圍繞旋轉銷軸在海管的軸線平面內發生180°的旋轉，可有效保證對于可能發生不同傾斜角度的海管，yoke臂和浮筒均能產生豎直向上的浮力。管體卡子采用上下兩片設計，可方便快速安裝在海管管體上，上下兩片管卡通過螺栓進行緊固連接。

圖4 管線綁扎旋轉抑制裝置圖Fig.4 Pipeline lashing rotation suppression device diagram

此裝置的弊端：只有此裝置進入水下，當海管發生一定程度的扭轉以后才能起到一定的恢復作用；海管的扭轉角度越大，該裝置所產生的恢復力矩就會越大。由于浮筒的浮力以及整個裝置受橫向流的影響會對海管的穩定性造成一定影響，需前期設計階段對海管整體的穩定性進行校核。該裝置屬于海管安裝階段的輔助設施，海管鋪設完畢后，為了保證海管的安全，避免受海流、漁網等外力影響，需立即拆除。

雖然海管鋪設一般都是連續性的，也可能會因為天氣因素或者其他原因終止鋪設，進行臨時棄管，當天氣好轉時，需將海管回收至作業線重新鋪設，在進行海管回收前，需提前將該裝置拆除，因為該裝置無法通過鋪管作業線。該裝置拆除后，由于所提供的恢復力矩消失，子母管可能會繼續產生扭轉，這時需要潛水員在水下將子母管之間的綁扎帶拆掉，在水下將子管扶正后重新綁扎，再進行回收作業。

5 結語

在黃巖項目子母管鋪設前，黃巖項目組聯合美國高泰公司對子母管在鋪設期間的扭轉問題進行過深入的研究，也咨詢過像Technip等一些國際知名的工程公司，到目前為止，對于子母管在鋪設期間的扭轉方向及扭轉角度一直無法預判，更沒有更好的解決措施，只能通過以上幾項措施結合具體情況，分別對待，盡量減緩扭轉對子母管施工造成的影響。

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Anti-twistinganalysisofsub-tubelaying

LIU Wen-li

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

The anti-twisting problem during the laying of the sub-tube has been a world-class problem in the pipe laying industry, and there are still no good measures to solve the problem completely. The analysis of the reasons for the reversal of the laying of the sub-tube and the anti-torsion measures will provide an important technical reference for the future laying of similar sub-pipe.

Sub-tube; Anti-twisting; Tensioner; Torque release

TE952

A

1674-8646(2017)18-0178-03

2017-06-25