適用于渤海海底復(fù)合軟管的鋪設(shè)系統(tǒng)研制和應(yīng)用

龔海潮, 陳 偉, 宮 蕊， 王翎羽

[1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300452；2. 天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津 300384]

適用于渤海海底復(fù)合軟管的鋪設(shè)系統(tǒng)研制和應(yīng)用

龔海潮1, 陳 偉2, 宮 蕊2， 王翎羽2

[1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300452；2. 天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津 300384]

國(guó)產(chǎn)海洋復(fù)合軟管在渤海的使用還屬于起步階段，其相應(yīng)的施工船舶和施工裝備還沒有現(xiàn)成的資源可用。中海石油天津分公司和海王星公司經(jīng)過詳細(xì)的調(diào)研和周密的分析，攻克種種技術(shù)難點(diǎn)，將臥式旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)管池系統(tǒng)與牽引機(jī)、埋設(shè)犁組合，形成一套適用于渤海柔性管線施工用的鋪設(shè)系統(tǒng)，并獲得成功，為國(guó)產(chǎn)軟管應(yīng)用到渤海油田開發(fā)奠定基礎(chǔ)。相關(guān)的機(jī)具經(jīng)過實(shí)際安裝達(dá)到設(shè)計(jì)要求，預(yù)留功能可以適應(yīng)更長(zhǎng)的管線施工需要。

復(fù)合軟管；鋪設(shè)；臥式旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)管池；牽引機(jī)；埋設(shè)犁

0 引 言

渤海油田有“海上大慶”的美稱，油氣產(chǎn)量已連續(xù)五年超額完成3 000萬立方米產(chǎn)量目標(biāo)，截至2014年底，渤海油田累計(jì)發(fā)現(xiàn)探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量32.89億噸，累計(jì)向國(guó)家貢獻(xiàn)了2.5億噸，已經(jīng)成為我國(guó)北方重要的能源生產(chǎn)基地。

海底管道是海上油氣田開發(fā)的生命線，按照結(jié)構(gòu)形式區(qū)分主要為鋼管(金屬管)和復(fù)合軟管兩種。海底管道的優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)輸送，幾乎不受環(huán)境條件的影響，不會(huì)因海上儲(chǔ)油設(shè)施容量限制或穿梭油輪的接運(yùn)不及時(shí)而迫使油田減產(chǎn)或停產(chǎn)，外運(yùn)輸油效率高，運(yùn)油能力大。

海底復(fù)合軟管柔韌性好，單根連續(xù)長(zhǎng)度長(zhǎng)，在陸地制造時(shí)最長(zhǎng)可以達(dá)到2 000 m以上，與平臺(tái)立管連接方便，不需安裝膨脹彎就可以直接連接。對(duì)海上施工的船舶要求相對(duì)較低，有較多的船舶可利用，海上施工費(fèi)用低。同時(shí)，柔性的復(fù)合管道能夠適應(yīng)海底地貌的落差變化[1]，根據(jù)不同的輸送介質(zhì)特性進(jìn)行針對(duì)性防腐設(shè)計(jì)，具有本質(zhì)性防腐功能，使油田開發(fā)項(xiàng)目整體投資比鋼管具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

在渤海BZ28/34油田的開發(fā)中，首次采用國(guó)產(chǎn)的海底復(fù)合軟管作為油田開發(fā)使用的注水管線，通過特殊研制的臥式旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)管池裝置，一次完成4根6英寸(1英寸≈2.54cm)長(zhǎng)度約17km、總運(yùn)輸重量1800t的復(fù)合軟管運(yùn)輸和海上施工，取得了成功并獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。本文將對(duì)海底復(fù)合軟管的鋪設(shè)系統(tǒng)研制和應(yīng)用做簡(jiǎn)要介紹，為后續(xù)類似的設(shè)備和工程項(xiàng)目提供參考。

1 復(fù)合軟管簡(jiǎn)介

復(fù)合軟管按照不同功能層的要求不同，可以選擇不一樣的材料制造，組合成多層的復(fù)合結(jié)構(gòu)管道，滿足管道輸送的相關(guān)要求。

圖1所示為軟管結(jié)構(gòu)形式，本項(xiàng)目管線安裝水深30 m，經(jīng)過計(jì)算分析擠出層內(nèi)管結(jié)構(gòu)可以承受最大外壓，故不設(shè)置骨架層，抗壓層和抗拉層按照美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)規(guī)范[2]采用低碳鋼制造，結(jié)合渤海海域特點(diǎn)和需要埋設(shè)的要求，最外層部分增加配重保護(hù)層，提高管體的防護(hù)能力。最終確定4根同規(guī)格的6英寸注水軟管最大外徑243.9mm，空氣中空管重量為100.78kg/m，水中空管重量為52.89kg/m。

圖1 海底復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)形式圖Fig.1 Schematics of subsea unbonded flexible pipe

由于軟管具有連續(xù)長(zhǎng)度長(zhǎng)的特點(diǎn)，以往項(xiàng)目使用的鋼管鋪管船無法進(jìn)行施工，基于項(xiàng)目的實(shí)際情況，需要進(jìn)行系統(tǒng)性的分析和研究，找到解決方法。

2 軟管鋪設(shè)系統(tǒng)研制

2.1 施工船舶和鋪設(shè)系統(tǒng)布置

施工區(qū)域集中，工期要求緊迫，必須將所有管線運(yùn)輸?shù)轿灰淮涡蚤_展海上的鋪設(shè)施工。而國(guó)內(nèi)淺水柔性管道鋪管船資源是空白的，如果從國(guó)外租用成本會(huì)很高，同時(shí)動(dòng)復(fù)員周期長(zhǎng)，不利于實(shí)現(xiàn)降低成本提高經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)，為此油田開發(fā)項(xiàng)目組與復(fù)合軟管生產(chǎn)施工單位天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱海王星公司)圍繞此次施工，兼顧渤海區(qū)域后續(xù)使用復(fù)合軟管的項(xiàng)目需要，利用海王星公司自有船舶資源海恩302船為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)改造了一條專業(yè)的海底復(fù)合軟管的鋪設(shè)施工船。

圖2所示的海恩302船是一艘無動(dòng)力甲板駁船，長(zhǎng)99m、寬32m、型深6.5m， 最大作業(yè)水深100m，配備1臺(tái)40t—28m克令吊和一臺(tái)4×80t門吊，甲板承載力16t/m2，安裝8臺(tái)50t移船絞車，定員100人。

圖2 海恩302船原貌Fig.2 Photo of Haien-302

傳統(tǒng)的方式都是通過大型的運(yùn)輸船舶將成卷軟管運(yùn)送到海上指定區(qū)域以供鋪管船過駁及鋪設(shè)。由于軟管是成卷運(yùn)輸，鋪設(shè)時(shí)需要在海上安裝大量的接頭接長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)大、耗時(shí)長(zhǎng)，導(dǎo)致項(xiàng)目的成本增加。同時(shí)增加了軟管鋪設(shè)的施工風(fēng)險(xiǎn)和工期，容易錯(cuò)過好的天氣窗口，也會(huì)增加額外支出。國(guó)外的軟管施工都采用儲(chǔ)纜收放裝置，通過其所設(shè)有的大容量軟管儲(chǔ)運(yùn)裝置，配合裝置自身的排纜、收放系統(tǒng)，可以便捷地在大型運(yùn)輸船舶上安裝，配合軟管鋪設(shè)的牽引、導(dǎo)向設(shè)備，可以獨(dú)立完成長(zhǎng)距離軟管的施工，節(jié)省項(xiàng)目施工費(fèi)用。

本次施工運(yùn)輸?shù)能浌転?800t，考慮后期施工的需求和甲板的空間特點(diǎn)，選擇臥式儲(chǔ)管池是最佳方案。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的考慮并結(jié)合國(guó)外設(shè)備的調(diào)研信息綜合確定臥式旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)管池系統(tǒng)為內(nèi)徑25m，儲(chǔ)管能力4000t，后端配置兩臺(tái)10t的牽引機(jī)，滿足最大通過700mm直徑管線的需要，最終完成的鋪設(shè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置如圖3所示。

圖3 海恩302軟管鋪管船鋪設(shè)系統(tǒng)布置圖Fig.3 Layout of Haien-302 flexible pipe laying system

如海恩302軟管鋪管船鋪設(shè)系統(tǒng)布置圖(見圖3)所示的鋪設(shè)系統(tǒng)，整體布置在302船舶的中部，鋪設(shè)系統(tǒng)主要包括25m臥式旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)管池、排管臂、牽引機(jī)、臺(tái)架、尾部托架、控制系統(tǒng)(布置在臺(tái)架下部)以及為施工機(jī)具提供電力的兩套發(fā)電機(jī)組(布置在船艙內(nèi)部)，鋪設(shè)系統(tǒng)的主要機(jī)械組成部件如圖4所示。

圖4 軟管鋪管船鋪設(shè)系統(tǒng)組成Fig.4 Schematics of flexible pipe laying system

圖4所示的鋪設(shè)系統(tǒng)中25m臥式旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)管池主要作為儲(chǔ)存裝置，將軟管或柔性管纜儲(chǔ)存在池體內(nèi)部。排管臂通過俯仰角度調(diào)整和左右轉(zhuǎn)動(dòng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出池體的管纜最佳路徑控制，減少管線的彎曲，防止損傷管纜外表。牽引機(jī)提供管纜進(jìn)出的軸向牽引力，采用兩臺(tái)同規(guī)格的牽引機(jī)同時(shí)作業(yè)，可以滿足設(shè)備在線備份的施工安全要求，同時(shí)可以在牽引力不變的狀態(tài)下采用一臺(tái)夾持和一臺(tái)松開交替進(jìn)行變換，實(shí)現(xiàn)軟管接頭的通過。尾部托架成90°結(jié)構(gòu)，確保管纜在進(jìn)出鋪設(shè)系統(tǒng)時(shí)不會(huì)有過彎，均在托架的彎曲半徑以上，同時(shí)在管纜鋪設(shè)時(shí)可以適應(yīng)較深水深時(shí)入水段到托架之間管纜近乎垂直于水面的情況，而不會(huì)對(duì)管纜產(chǎn)生過彎。臺(tái)架作為一個(gè)強(qiáng)力的結(jié)構(gòu)件，其上安裝有排管臂、牽引機(jī)和尾部托架，臺(tái)架的標(biāo)高按照管線的彎曲半徑和進(jìn)出儲(chǔ)管池不過彎的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用型材組焊成框架式的結(jié)構(gòu)架。發(fā)電機(jī)組為儲(chǔ)管池回轉(zhuǎn)、排管臂和牽引機(jī)提供動(dòng)力。考慮設(shè)備安裝的方便，在臺(tái)架底部有安裝鋪設(shè)系統(tǒng)的電控柜，利用臺(tái)架下端的空間，減少對(duì)船舶甲板面積的占用。在控制系統(tǒng)的控制下，按照一定的收放線速度，調(diào)整回轉(zhuǎn)儲(chǔ)管池的轉(zhuǎn)速、牽引機(jī)的夾緊力、牽引線速度以及排管臂的對(duì)應(yīng)位置角度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性的控制。控制系統(tǒng)以線速度為控制變量，將所有裝置的動(dòng)作參數(shù)進(jìn)行整合，簡(jiǎn)化控制，提高作業(yè)效率，由于軟管纏繞是無張力存儲(chǔ)，同時(shí)每圈管道長(zhǎng)度都比較長(zhǎng)，結(jié)合實(shí)際情況排管臂采用人工干預(yù)的方式操作，確保管線接近均勻排布。

整套系統(tǒng)中排管臂、牽引機(jī)、臺(tái)架、尾部托架均為常規(guī)的結(jié)構(gòu)件，按照實(shí)際的需求建造即可。控制系統(tǒng)(布置在臺(tái)架下部)按照動(dòng)作要求和電制、防護(hù)等要求進(jìn)行組裝，發(fā)電機(jī)組(布置在船艙內(nèi)部)為成熟產(chǎn)品，按照最大功率選擇即可。核心的25m臥式旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)管池在國(guó)內(nèi)沒有同樣的產(chǎn)品，同時(shí)國(guó)外的資料較少，需要進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)研究。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

臥式儲(chǔ)管池主要用來存放柔性海洋管道，是滿足存儲(chǔ)噸位要求的具備自轉(zhuǎn)能力的大型裝備，主要組成如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)管池組成示意圖Fig.5 Schematics of carsousel

加固支撐架采用型材組焊構(gòu)造成塔式結(jié)構(gòu)，采用機(jī)械固接的方式與外護(hù)欄連接，確保運(yùn)輸時(shí)儲(chǔ)管池整體的運(yùn)輸強(qiáng)度可靠。加固支撐架結(jié)構(gòu)與船舶甲板剛性固定，將來自外護(hù)欄承受的橫向載荷傳遞到船體，以穩(wěn)定儲(chǔ)管池，并滿足特殊情況下的外護(hù)欄強(qiáng)度補(bǔ)充。考慮船舶橫搖角度是主要的影響因素，在船舶兩舷側(cè)各布置3套加固支撐架，補(bǔ)強(qiáng)橫搖狀態(tài)下池體外護(hù)欄的強(qiáng)度。

外護(hù)欄采用型材框架組焊制成，主要作用是防止管線的徑向滑移，它具有一定的強(qiáng)度，用來克服船舶搖晃時(shí)存儲(chǔ)管線所產(chǎn)生的慣性力。由于在內(nèi)陸場(chǎng)地建造，為了便于陸運(yùn)將外護(hù)欄共分為18分片，弧形分片之間用螺栓連接，并設(shè)置有人員進(jìn)出池內(nèi)部的通道，符合操作和安全要求，每片不超過公路運(yùn)輸?shù)某叽缦拗啤?/p>

底托上主要存放4000t的管線，底托下方帶有導(dǎo)軌與支撐滾輪接觸，圍繞回轉(zhuǎn)軸承進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，為滿足運(yùn)輸需要，儲(chǔ)管池底托也分為18個(gè)扇形板，通過一定的工藝處理使導(dǎo)輪支撐基面處于同一個(gè)平面內(nèi)。每片之間采取螺栓和定位銷組對(duì)，確保在多次拆裝或海上整體吊裝底座時(shí)不會(huì)損壞底托。

芯軸是管線纏繞在儲(chǔ)管池的卷繞軸心，主要作用是防止管線的徑向滑移和提供繞管的內(nèi)芯，具有一定的強(qiáng)度，可以克服船舶搖晃時(shí)存儲(chǔ)管線所產(chǎn)生的慣性力。芯軸采用型材框架和鋼板組焊制成，共分為4件分片，分片之間采取螺栓連接，確保在多次拆裝或海上整體吊裝芯軸時(shí)不會(huì)損壞。芯軸內(nèi)外均設(shè)置有人員出入通道的爬梯和攀爬孔。芯軸根部?jī)?nèi)側(cè)設(shè)置三角筋板，提高結(jié)構(gòu)連接部分的抗彎和抗剪切性能。

支撐滾輪采用單臺(tái)單輪結(jié)構(gòu)，滿足重載狀態(tài)下的受力和安全需求，按照設(shè)計(jì)計(jì)算分析，需要設(shè)置176套支撐滾輪，分布直徑(從內(nèi)到外)分別為： 10m， 16m， 22m；滾輪數(shù)量(從內(nèi)到外)分別為： 32套，64套，80套。滾輪由高強(qiáng)度合金鋼制造，表面進(jìn)行硬化熱處理，通過軸承固定在支撐軸上，兩套軸承均為圓錐滾子軸承，可抵抗運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的橫向載荷的不利影響。

底座主要在船舶甲板焊接，分成3個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，采用厚鋼板建造，作為支撐滾輪的軌道。底座現(xiàn)場(chǎng)焊接到船甲板上固定，同時(shí)進(jìn)行水平找平，保證上部結(jié)構(gòu)安裝的水平基礎(chǔ)，減少后期支撐滾輪的調(diào)整工作，使所有的滾輪盡可能地接觸軌道，以均衡不同部位滾輪的受力，防止部分滾輪不接觸軌道而導(dǎo)致局部滾輪載荷超出允許值，以確保運(yùn)行安全。

驅(qū)動(dòng)裝置采用交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)大減速比的減速機(jī)，帶動(dòng)小鏈輪使布置在底托上的鏈節(jié)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，依據(jù)實(shí)際載荷情況選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)量，最大載荷時(shí)6套驅(qū)動(dòng)裝置均投入使用。驅(qū)動(dòng)裝置有一定的冗余，允許一套出現(xiàn)問題時(shí)其余的5套能滿足低速狀態(tài)運(yùn)行，同時(shí)船舶上有庫(kù)存的電機(jī)備件和減速機(jī)備件。

設(shè)計(jì)完成的儲(chǔ)管池在極端情況(最大載荷4000t，最大橫搖15°)下，經(jīng)過有限元軟件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均在215MPa以內(nèi)，如圖6所示的計(jì)算結(jié)果，少量存在大于245MPa的情況，主要是連接根部的應(yīng)力集中。考慮實(shí)際制造時(shí)有對(duì)位的止口，同時(shí)采用板與板對(duì)接并在建模時(shí)沒有詳細(xì)建出筋板的結(jié)構(gòu)，故應(yīng)力會(huì)局部分散，可以滿足強(qiáng)度要求。

圖6 整體應(yīng)力云圖Fig.6 Von Stress contour of carousel

如圖7所示的整體位移計(jì)算結(jié)果，在極端工況下結(jié)構(gòu)的形變量不超過0.1mm，按照結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和實(shí)際的建造和使用情況，綜合判定形變量復(fù)合需要，以滿足使用要求。

圖7 整體位移云圖Fig.7 Displacement contour of carousel

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

經(jīng)過一年的研制和海上施工，適用于渤海海底復(fù)合軟管的鋪設(shè)系統(tǒng)一次完成4根6英寸海底復(fù)合軟管的碼頭過駁(見圖8)和海上鋪設(shè)，總長(zhǎng)17.338km的管線海上施工僅用20天時(shí)間，連同埋設(shè)犁同步作業(yè)最快鋪設(shè)速度達(dá)2km/d。充分說明此系統(tǒng)的研制是成功的，對(duì)后續(xù)的項(xiàng)目使用具有很好的參考價(jià)值。

圖8 復(fù)合軟管的碼頭過駁Fig.8 Lighting port of flexible pipe

4 結(jié) 語(yǔ)

此次在渤海施工使用甲板駁船搭載基于臥式旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)管池為主體的鋪設(shè)系統(tǒng)，取得了預(yù)期效果，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，為后續(xù)在渤海長(zhǎng)距離的柔性管纜施工提供了更好的解決方案。

隨著我國(guó)海洋油氣資源開發(fā)的不斷發(fā)展和擴(kuò)大，海管的需求也不斷增加，與國(guó)外產(chǎn)品相比，國(guó)產(chǎn)軟管成本優(yōu)勢(shì)明顯，同時(shí)可以快捷方便地供貨和提供相關(guān)的服務(wù)，應(yīng)用前景非常廣闊。

目前國(guó)產(chǎn)軟管的使用還存在一定的局限性，只適用于水深小于200m的海域。軟管技術(shù)的研究方向是管徑更大，適應(yīng)水深更深、耐壓更高的要求。隨著國(guó)產(chǎn)軟管技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，采用軟管在海底輸送油、氣將是未來發(fā)展的趨勢(shì)。

[1] 代志雙，王鴻軒，魯成林，等.復(fù)合柔性軟管用HDPE的蠕變性能[J].海洋工程裝備與技術(shù)，2016,3(2)： 135.

[2] American Petroleum Institute. API RP 17B. Recommended practice for flexible pipe [S]. 2014： 22-23

DevelopmentandApplicationofPipeLayingSystemSuitableforFlexiblePipeinBohaiBay

GONG Hai-chao1， CHEN Wei2， GONG Rui2， WANG Ling-yu2

(1.ChinaNationalOffshoreOilCorporationTianjinBranchCo.,Ltd.,Tianjin300452,China;2.NeptuneOffshoreEngineeringDevelopmentCo.,Ltd.,Tianjin300384,China)

Deployment of subsea flexible pipe just started in Bohai Bay, China. Suitable equipment and vessels for subsea flexible pipe installation are very limited for this area. With tremendous efforts, CNOOC Tianjin Branch and Neptune Offshore Engineering Development Company (NOED) successfully developed a flexible pipe laying system, which is particularly suitable for applications in Bohai Bay. By combining the horizontal rotating pipe storage carousel, tractor and embedding plough, the system is well suitable for transporting and installing subsea flexible pipes in Bohai Bay. The successful installation of the BZ 28/34 flexible pipes demonstrated the system’s adequacy.

flexible pipe; laying; horizontal rotating pipe storage carousel; tensioner; sea plough

U175.5

A

2095-7297(2017)01-0043-05

2016-11-03

龔海潮(1983—)，男，工程師，主要從事海洋工程項(xiàng)目管理工作。