管道終端防沉板安裝設(shè)計與實(shí)踐

李 俊 楊 昆 劉耀江 薛大智

（海洋石油工程股份有限公司安裝事業(yè)部，廣東 深圳 518054）

0 前言

管道終端（PLET，Pipeline End Termination）是海底管道系統(tǒng)的一個重要組成部分，主要用于管線與跨接管、管線與立管之間的連接[1]。管道終端防沉板是1 種支撐管道終端的重力式水下結(jié)構(gòu)物（如圖1 所示），底部四周設(shè)計有裙板，在自重作用下裙板插入海床，這樣可以防止管道終端在安裝后發(fā)生過大的側(cè)移或沉降[2-3]。

管道終端防沉板（以下簡稱防沉板）在管道鋪設(shè)前需先安裝好，在管道鋪設(shè)時，管道終端（包括起始端和終止端）將坐落于防沉板中，防沉板中間設(shè)計有滑道，允許管道終端在縱向一定范圍內(nèi)移動，以消除管道膨脹收縮力[4]，防沉板橫向上需要限位，因此管道終端和防沉板滑道之間設(shè)計預(yù)留的間隙小。為了保證管道終端能順利地坐落于防沉板中，設(shè)計要求防沉板安裝精度非常高，該次項(xiàng)目要求的安裝精度為：艏向±0.5 °，位置±1.5 m，水平度±2 °。

圖1 管道終端防沉板示意圖

1 防沉板安裝設(shè)計

1.1 水下定位設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)防沉板在水下精確就位，通常需要在防沉板上安裝一些水下位置測量設(shè)備。該次安裝設(shè)計采用長基線（以下簡稱LBL）水聲定位系統(tǒng)和水下電羅經(jīng)設(shè)備，LBL 水聲定位系統(tǒng)用于測量大地坐標(biāo)，誤差可達(dá)厘米級，水下電羅經(jīng)設(shè)備用于測量防沉板艏向和水平度，誤差可忽略不計。LBL 水聲定位系統(tǒng)和水下電羅經(jīng)設(shè)備均可以快速實(shí)時地反饋相關(guān)測量數(shù)據(jù)，便于防沉板水下安裝就位。

為了將水下測量設(shè)備牢靠的安裝在防沉板上，該項(xiàng)目在防沉板上設(shè)計了相應(yīng)的安裝底座，如圖2 所示，安裝底座采用插拔式的結(jié)構(gòu)形式，便于設(shè)備甲板安裝和水下解脫，同時，為了確保設(shè)備能真實(shí)測量出防沉板的位置，底座在建造好后需要進(jìn)行位置校準(zhǔn)。

1.2 索具回收設(shè)計

管道終端防沉板安裝就位好后需要回收索具至甲板，該項(xiàng)目防沉板用于深水，安裝就位后無法通過潛水員解開索具。為了實(shí)現(xiàn)水下解開索具并回收，在安裝設(shè)計中通常采用2種方法。第一種在吊裝索具末端連接水下機(jī)器人（以下簡稱ROV）可解的卸扣，另一種在索具末端連接犧牲鋼纜，ROV攜帶專用的液壓剪工具在水下剪切犧牲鋼纜。該項(xiàng)目采用的是第二種回收索具方法，圖3 是防沉板吊裝索具設(shè)計圖。

2 防沉板安裝流程

2.1 LBL水聲定位系統(tǒng)布陣

防沉板由于安裝精度要求高，常用的超短基線（以下簡稱USBL）水聲定位系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足要求，于是該項(xiàng)目改用長基線水聲定位系統(tǒng)（LBL），該系統(tǒng)定位精度高，精度不受水深影響，適用于深水區(qū)域，校準(zhǔn)后定位精度可以達(dá)到厘米級，但是LBL 水聲定位系統(tǒng)相對于USBL 水聲定位系統(tǒng)操作更加復(fù)雜，作用費(fèi)用高[5-6]。

2.1.1 LBL水聲定位系統(tǒng)布陣設(shè)計

LBL 水聲定位系統(tǒng)需要在海底布置1 組LBL 信標(biāo)，至少3 個以上，每個信標(biāo)之間距離上百米到幾千米，為了使信標(biāo)之間信號通信無遮擋，信標(biāo)應(yīng)布設(shè)在防沉板安裝位置外圍，使防沉板盡量處于陣列幾何中心處。

圖3 防沉板吊裝索具設(shè)計圖

2.1.2 信標(biāo)架及信標(biāo)安裝

LBL 信標(biāo)是LBL 水聲定位系統(tǒng)的重要組成部分，信標(biāo)需要根據(jù)布陣設(shè)計布放在指定的位置，為了信標(biāo)布設(shè)方便，設(shè)計了配套的信標(biāo)架，信標(biāo)與信標(biāo)架一起下放坐落于海底，如圖4 所示。

圖4 信標(biāo)及信標(biāo)架安裝

2.1.3 LBL水聲定位系統(tǒng)校準(zhǔn)

相對校準(zhǔn)，將船舶移動到陣列中央位置，使LBL 信標(biāo)之間相互通信，獲取信標(biāo)之間相對位置，獲取陣列內(nèi)信標(biāo)高度數(shù)據(jù)，獲取陣列內(nèi)信標(biāo)之間水聲速度，并輸入到定位軟件Fusion 中，為后續(xù)定位提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

絕對校準(zhǔn)，選擇陣列中距離最長的2 個信標(biāo)，作業(yè)船舶分別以信標(biāo)為中心做半徑為150 m（或大于150 m）的轉(zhuǎn)圈運(yùn)動，通過USBL 水聲定位系統(tǒng)不斷獲取信標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，得到多組位置數(shù)據(jù)后，在定位軟件Fusion 里面進(jìn)行相應(yīng)的計算，得到LBL 信標(biāo)的絕對位置，為了確保獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，通常還需要船舶圍繞信標(biāo)做反方向的轉(zhuǎn)圈航行并計算其絕對位置，比較2 次位置差距，如果相差不大，則取兩者平均值作為該信標(biāo)的絕對大地坐標(biāo)[6-7]。

2.2 安裝預(yù)調(diào)查

在進(jìn)行防沉板安裝之前，需要對安裝位置進(jìn)行目視調(diào)查，深水安裝通常下放ROV 進(jìn)行預(yù)調(diào)查，預(yù)調(diào)查內(nèi)容主要包括3 點(diǎn)。1）調(diào)查安裝區(qū)域海床是否平整。2）調(diào)查海床是否有垃圾，如有需要清理。3）調(diào)查安裝區(qū)域是否有其他影響安裝的異物。

2.3 吊裝前準(zhǔn)備

防沉板屬于大型結(jié)構(gòu)物，在吊裝前需要做好充分準(zhǔn)備，吊裝前準(zhǔn)備工作主要包括以下5 點(diǎn)。1）召開工前會，使參與作業(yè)的各方人員明確整個吊裝作業(yè)過程及其注意事項(xiàng)。2）甲板人員檢查吊裝索具并連接索具。3）定位人員在防沉板上安裝LBL 定位信標(biāo)和電羅經(jīng)設(shè)備，并做好相關(guān)測試，確保都處于正常工作狀態(tài)。4）ROV 操作人員綁扎ROV 輔助工具、噴涂識別標(biāo)識。5）甲板人員指揮吊機(jī)調(diào)整鉤頭位置，使鉤頭位于防沉板重心位置正上方，切割海固，準(zhǔn)備吊裝入水。

2.4 吊裝與水下就位

防沉板吊裝下放之前，需要進(jìn)行吊裝狀態(tài)確認(rèn)：天氣窗口適合吊裝，船舶滿足吊裝條件，通信滿足條件，ROV 已回到TMS。

吊裝狀態(tài)確認(rèn)完畢后，下放防沉板至距離海床約30 m 處停止下放，開啟吊機(jī)升沉補(bǔ)償，ROV 出TMS，根據(jù)定位圖指示飛向防沉板所在的位置，通過聲吶或攝像頭找到防沉板，并用ROV 抓手抓住防沉板上的ROV 手柄，鎖定。

吊機(jī)繼續(xù)下放防沉板至離海床約5 m 后停止下放，并穩(wěn)定一段時間，觀察定位圖上防沉板的位置顯示，通過移船調(diào)整防沉板的位置至安裝目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，完畢后ROV 水下助力旋轉(zhuǎn)防沉板，調(diào)整防沉板的艏向使其滿足精度要求，最后緩慢下放防沉板，使防沉板完成著地，并確認(rèn)鋼絲繩已釋放張力。

防沉板完全著地后，采集LBL 水聲定位系統(tǒng)和水下電羅經(jīng)的定位數(shù)據(jù)，確認(rèn)是否滿足安裝要求，如果不滿足，則繼續(xù)將結(jié)構(gòu)物提起一定高度，調(diào)整位置重新下放就位，直到滿足安裝精度要求。確認(rèn)滿足精度要求后，調(diào)查防沉板裙板入泥情況，要求完全入泥，如不滿足，需要下放配重塊進(jìn)行下壓，直到完全入泥。

2.5 回收與后調(diào)查

安裝精度全部達(dá)標(biāo)后，下放另一臺裝有液壓剪的ROV，分別切斷4 根犧牲鋼纜（如圖5 所示），然后吊機(jī)回收索具至甲板、ROV 回收至甲板。

吊機(jī)用輔鉤下放ROV 鉤索具，在ROV 的協(xié)助下，ROV鉤與水下電羅經(jīng)軟吊環(huán)連接，然后ROV 拔掉電羅經(jīng)底座固定插銷，并抓持住電羅經(jīng)，吊機(jī)緩慢上提，電羅經(jīng)脫離底座，電羅經(jīng)到達(dá)安全位置后ROV 松開，吊機(jī)回收電羅經(jīng)至甲板。

圖5 ROV 剪切犧牲鋼纜示意圖

最后，ROV 圍繞防沉板飛行一周進(jìn)行后調(diào)查，觀察是否有異常，確認(rèn)無異常后ROV 抓取LBL 信標(biāo)，并攜帶LBL 信標(biāo)一并回收至甲板。

3 施工難點(diǎn)及應(yīng)對措施

3.1 LBL水聲定位系統(tǒng)布陣

LBL 水聲定位系統(tǒng)的可靠性將直接影響到整個安裝的成敗，至關(guān)重要。在項(xiàng)目設(shè)計前期應(yīng)優(yōu)化布陣方案，確保信標(biāo)之間通信無障礙。LBL 信標(biāo)布陣時應(yīng)按照要求布放，確保信標(biāo)架平穩(wěn)坐落在海底、信標(biāo)在信標(biāo)架上穩(wěn)固不松動并遠(yuǎn)離可能移動信標(biāo)的外界因素。為了提高系統(tǒng)定位精度，在進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)時應(yīng)盡量選擇好的海況。

3.2 海上吊裝

防沉板尺度大、結(jié)構(gòu)重，屬于海上大型結(jié)構(gòu)物，在海上吊裝時風(fēng)險大。在進(jìn)行吊裝索具配置時，不僅要做常規(guī)吊裝計算，還需進(jìn)行結(jié)構(gòu)物穿越飛濺區(qū)受力分析，以兩者的最危險工況確定索具選型。在進(jìn)行吊裝作業(yè)前，需要制定詳細(xì)的吊裝計劃，提前規(guī)劃好吊裝路徑，確保整個海上吊裝過程安全可控。

3.3 水下就位

防沉板安裝精度要求非常高，在水下定位過程中，由于船舶運(yùn)動的影響防沉板在水下一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)，給防沉板就位帶來了一定難題。

防沉板就位主要參考LBL 信標(biāo)和電羅經(jīng)的數(shù)據(jù)，因此其反饋數(shù)據(jù)的有效性和及時性非常重要，為了提高LBL 信標(biāo)的有效性，LBL 信標(biāo)在防沉板上的安裝位置應(yīng)盡量抬高，這樣可以防止防沉板對信標(biāo)信號的遮擋，保證信標(biāo)之間的通信數(shù)量和質(zhì)量，進(jìn)而提高LBL 信標(biāo)采集數(shù)據(jù)的有效性和及時性。

在水下就位過程中，ROV 需要抓取防沉板以調(diào)整防沉板艏向，根據(jù)ROV 作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，ROV 抓取物為軟繩能更好地控制力度，因此甲板準(zhǔn)備時需在防沉板ROV 手柄上綁扎軟繩環(huán)。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

經(jīng)過前期的精心準(zhǔn)備和后期的準(zhǔn)確施工，防沉板得以順利安裝就位，為后續(xù)的管道終端安裝奠定了良好的基礎(chǔ)。通過防沉板安裝實(shí)踐，我們可以總結(jié)以下經(jīng)驗(yàn)：項(xiàng)目前期安裝設(shè)計很重要，其優(yōu)劣直接影響海上的施工效率；項(xiàng)目應(yīng)盡可能地采用可靠性高的設(shè)備，關(guān)鍵的設(shè)備需要備份，在項(xiàng)目實(shí)施過程中應(yīng)多參考現(xiàn)場定位、ROV 及其他人員的施工意見，這樣更利于項(xiàng)目的順利實(shí)施；海上施工過程情況復(fù)雜多變，項(xiàng)目實(shí)施前需多備應(yīng)急預(yù)案。通過安裝實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，希望能為以后的相關(guān)安裝項(xiàng)目提供一定的參考。