動(dòng)態(tài)海纜海底濕存技術(shù)研究及應(yīng)用

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

中國(guó)南海某油田群的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船F(xiàn)PSO達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，需要進(jìn)塢維修。塢修期間對(duì)其內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)浮筒進(jìn)行更換，需要提前在海上對(duì)動(dòng)態(tài)海纜進(jìn)行解脫和濕存工作。

受FPSO塢修和單點(diǎn)浮筒更換周期的影響，海纜動(dòng)態(tài)段需要臨時(shí)存放在100 m水深的海底長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月。該海纜已服役達(dá)15年之久，根據(jù)以往項(xiàng)目案例[1-2]，該海纜接近設(shè)計(jì)使用壽命，存在材質(zhì)老化、機(jī)械強(qiáng)度弱化和阻水功能退化等較為嚴(yán)重的問(wèn)題，一旦受損或進(jìn)水將會(huì)影響整個(gè)油田的復(fù)產(chǎn)計(jì)劃。

針對(duì)以上特點(diǎn)，該工程自主設(shè)計(jì)并制造了海纜索節(jié)式牽引頭等一批結(jié)構(gòu)件，對(duì)海纜密封、下放和濕存方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，并在實(shí)際施工作業(yè)中取得了良好效果。該關(guān)鍵技術(shù)的成功應(yīng)用可為今后其他工程項(xiàng)目的安裝設(shè)計(jì)及實(shí)施提供借鑒和參考。

1 動(dòng)態(tài)海纜端部密封工藝

動(dòng)態(tài)海纜的永久錨固由外殼和內(nèi)核組成，其中內(nèi)核與海纜鎧裝鋼絲澆筑成一體，作為承受海纜重量的關(guān)鍵部件。內(nèi)核至端頭部分的海纜由于剝離鎧裝層、內(nèi)層護(hù)套、外層護(hù)套及填充，不具備受力能力，阻水能力較差。為保證動(dòng)態(tài)海纜在水下的設(shè)計(jì)狀態(tài)，該段海纜需要保留并在回接時(shí)重新接入接線箱內(nèi)。因此內(nèi)核以上的海纜防水密封和機(jī)械防護(hù)至關(guān)重要。

圖1 海纜錨固外殼移除、內(nèi)核提升和新錨固內(nèi)核安裝

如圖1所示，海纜密封和濕存前需要首先將其電單元、光單元纜芯的端頭從接線箱內(nèi)分離，拆除海纜錨固件外殼。由于錨固內(nèi)核以上海纜已將內(nèi)、外層護(hù)套剝離，無(wú)法安裝用于密封的熱縮三指套，需要使用內(nèi)核提升件將海纜向上提升少量距離，為海纜在浮筒頂部安裝臨時(shí)固定卡具，最后拆除舊錨固內(nèi)核，安裝新錨固內(nèi)核。

如圖2所示，將新、舊錨固內(nèi)核間統(tǒng)包海纜外層聚乙烯護(hù)套及鎧裝少部分剝離，漏出內(nèi)護(hù)套。將遇水變色試劑分散涂在各纜芯上，用于鑒定是否進(jìn)水。將3根電單元分別套入熱縮三指套的每個(gè)手指，光單元插入附近電單元的手指內(nèi)，并使三指套主管套入統(tǒng)包海纜內(nèi)護(hù)套上。加熱熱縮，使三指套緊密結(jié)合在統(tǒng)包海纜內(nèi)護(hù)套及光電單元纜芯上，避免內(nèi)部殘存空氣。

使用整根熱縮中壁護(hù)套管套在纜芯上，一端與三指套手指搭接重疊，一端與纜芯端頭重合，加熱熱縮。使用熱縮封帽外套在光電單元纜芯端頭，加熱熱縮，在熱縮封帽與熱縮中壁護(hù)套管搭接處使用防水膠帶纏繞數(shù)圈，加強(qiáng)密封效果。

使用強(qiáng)力膠帶將密封的光、電單元纜芯收緊、捆扎。使用金屬帽套在光電單元纜芯端頭外部，用于對(duì)纜芯端頭進(jìn)行機(jī)械防護(hù)。使用雙組分聚氨酯灌入金屬帽與纜芯間的空隙內(nèi)，進(jìn)行硫化處理，為保證硫化效果，建議硫化時(shí)間不少于24 h。使用熱縮封帽套在金屬帽外層，加熱熱縮。在熱縮封帽外層及三指套主管上各纏繞1圈密封膠條。

將熱縮中壁護(hù)套管套從熱縮封帽末端一直套到統(tǒng)包海纜內(nèi)護(hù)套上，使熱縮封帽及三指套主管均置于該熱縮中壁護(hù)套管內(nèi)部，從該熱縮中壁護(hù)套管中間向兩端均勻加熱，避免內(nèi)部殘存空氣。將一圈密封膠條套在上層熱縮中壁護(hù)套管外層端頭附近，使用一熱縮封帽套在上層熱縮中壁護(hù)套管外層，加熱熱縮。使用防水膠帶在熱縮封帽、海纜內(nèi)護(hù)套與其內(nèi)層熱縮中壁護(hù)套管重合處，纏繞數(shù)圈。然后使用一層熱縮中壁護(hù)套管套熱縮在上一層熱縮中壁護(hù)套管套外層及動(dòng)態(tài)海纜外層護(hù)套上，避免海水從海纜外層護(hù)套和內(nèi)層護(hù)套之間進(jìn)入。至此，動(dòng)態(tài)海纜端頭完成防水密封。

2 多節(jié)互鎖式索節(jié)牽引頭設(shè)計(jì)

完成海纜端頭防水密封后，需要為該段海纜安裝多節(jié)互鎖式索節(jié)牽引頭。牽引頭設(shè)計(jì)主要考慮以下5點(diǎn)：1）密封段海纜已剝離鎧裝層，牽引頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮包覆在海纜的外部，起到機(jī)械防護(hù)的作用。2）密封段海纜已剝離鎧裝層，無(wú)法直接承受動(dòng)態(tài)段海纜重量的牽引力，需要將牽引頭末端與海纜的錨固內(nèi)核進(jìn)行連接，作為動(dòng)態(tài)海纜向上牽引的受力點(diǎn)，牽引頭首端可通過(guò)索具連接絞車進(jìn)行牽引。3）海纜在下放和回收時(shí)需要通過(guò)單點(diǎn)浮筒內(nèi)的護(hù)管，并且需要保證在與海床接觸時(shí)不能過(guò)度彎曲，因此將其設(shè)計(jì)成索節(jié)式，兼具柔性同時(shí)限制海纜的彎曲半徑。4）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的外徑應(yīng)能使海纜牽引頭順利通過(guò)護(hù)管，在端頭位置和靠近錨固內(nèi)核位置的海纜相對(duì)外徑較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。5）牽引頭首端吊耳的強(qiáng)度在設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮動(dòng)態(tài)海纜在濕存和回接過(guò)程中所需的最大牽引力。

基于上述因素設(shè)計(jì)，牽引頭主要由拖拉頭、首端索節(jié)、主體索節(jié)、尾端索節(jié)、短節(jié)、懸掛擋板和懸掛圓鋼等結(jié)構(gòu)組成。拖拉頭與首端索節(jié)通過(guò)法蘭螺栓連接，首端索節(jié)與主體索節(jié)，主體索節(jié)與主體索節(jié)，主體索節(jié)與尾端索節(jié)之間通過(guò)球形結(jié)構(gòu)互鎖，連接成一個(gè)整體。尾端索節(jié)與短節(jié)之間通過(guò)法蘭螺栓連接，短節(jié)連接至海纜的錨固內(nèi)核法蘭上，如圖3所示。

將懸掛擋板置于單點(diǎn)浮筒頂部的法蘭上，兩者通過(guò)螺栓緊固連接。當(dāng)完成密封段海纜的索節(jié)牽引頭裝配工作后，通過(guò)索具提拉或下放索節(jié)頭，使其穿過(guò)單點(diǎn)浮筒內(nèi)的護(hù)管。當(dāng)首端索節(jié)提拉至懸掛擋板的位置時(shí)，將懸掛圓鋼橫向穿過(guò)首端索節(jié)，兩端置于懸掛擋板上，索節(jié)頭整體結(jié)構(gòu)懸掛于浮筒頂部。

多節(jié)互鎖式索節(jié)牽引頭設(shè)計(jì)精巧，可以分片預(yù)制，組裝時(shí)通過(guò)相鄰索節(jié)頭圓弧板和球形體的互鎖，使整個(gè)索節(jié)頭連成1個(gè)整體。主體結(jié)構(gòu)均為普通鋼材加工焊接而成，制作簡(jiǎn)單，成本低。通過(guò)增減主體索節(jié)的數(shù)量，能夠調(diào)整索節(jié)頭的長(zhǎng)度，可以重復(fù)利用。

3 動(dòng)態(tài)海纜濕存設(shè)計(jì)

在單點(diǎn)艙內(nèi)進(jìn)行海纜終端拆除和密封前，需要空氣潛水船靠泊在FPSO 1側(cè)，對(duì)海纜限彎器進(jìn)行水下拆除，在該空潛作業(yè)期間需要對(duì)FPSO進(jìn)行限位作業(yè)。

動(dòng)態(tài)海纜限彎器通常為套入式設(shè)計(jì)，無(wú)法在水下將其保護(hù)性回收，如果計(jì)劃在海纜回接后繼續(xù)使用，需要通過(guò)空氣潛水員將其與浮筒分離后臨時(shí)固定在海纜上，待回接時(shí)再次固定至浮筒上。

圖2 海纜端頭防水密封過(guò)程

圖3 多節(jié)互鎖式索節(jié)牽引頭設(shè)計(jì)圖

如圖4所示，潛水員下潛至單點(diǎn)浮筒底部，拆除原海纜限彎器下方的限位止滑器。利用高壓水槍從單點(diǎn)浮筒底部向下對(duì)海纜及其附件上的海生物進(jìn)行清理，包括彎頭、限彎器及海纜，清理限彎器以下需要向上提拉并密封的海纜段。

在限彎器上捆綁吊帶，通過(guò)倒鏈葫蘆等索具與浮筒底部的吊耳連接并收緊。在FPSO單點(diǎn)艙內(nèi)進(jìn)行海纜提拉作業(yè)，海纜將通過(guò)限彎器向上移動(dòng)。

單點(diǎn)內(nèi)部完成海纜提拉后，潛水員在海纜限彎器下方安裝新的限位止滑器。將限彎器與彎頭間的螺栓拆除。放松鏈條葫蘆，限彎器緩慢下沉，重量逐漸落到限位止滑器上。鏈條葫蘆不受力時(shí)，拆除葫蘆及吊帶。利用緊固帶將限彎器固定在限位止滑器上。

動(dòng)態(tài)海纜限彎器水下拆除和固定后，F(xiàn)PSO與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)完成解脫，施工主作業(yè)船即可進(jìn)場(chǎng)開(kāi)始進(jìn)行動(dòng)態(tài)海纜的海底濕存工作。

動(dòng)態(tài)海纜端頭完成防水密封并安裝多節(jié)互鎖式索節(jié)牽引頭后，下放至單點(diǎn)浮筒頂部臨時(shí)懸掛。當(dāng)FPSO離開(kāi)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)后，施工主作業(yè)船進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)海纜海底濕存工作。

通過(guò)計(jì)算分析得知單點(diǎn)浮筒解脫后將下潛一定深度，施工主作業(yè)船搭載飽和潛水設(shè)備及人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，飽和潛水員入水至浮筒頂部位置。如圖5所示，作業(yè)船甲板絞車下放鋼絲繩，將其與海纜首端連接，拆除臨時(shí)固定卡具。

甲板絞車下放海纜首端通過(guò)護(hù)管到達(dá)浮筒底部。將海纜首端通過(guò)長(zhǎng)索具懸掛在浮筒底部，拆除絞車鋼絲繩并回收至甲板。

主作業(yè)船移船至設(shè)計(jì)位置，甲板絞車入水再次與海纜牽引頭進(jìn)行連接。注意如果海纜下放過(guò)程中與其他軟管、海纜或錨纜存在交叉，應(yīng)調(diào)整絞車鋼絲繩并在其下方繞過(guò)避免接觸。

如圖6所示，通過(guò)移船并調(diào)節(jié)絞車鋼絲繩長(zhǎng)度，使與浮筒底部連接的懸掛索具松弛后，斷開(kāi)連接。

主作業(yè)船調(diào)整船舶艏向，并繼續(xù)沿設(shè)計(jì)路由進(jìn)行移船，同時(shí)操控甲板絞車下放海纜，直至海纜末端到達(dá)海底。如圖7所示，吊機(jī)下放配重塊至海底，水下機(jī)器人ROV在水下將其與海纜末端進(jìn)行連接，增加海纜在海底的穩(wěn)定性，防止?jié)翊嫫陂g海纜移位。至此，動(dòng)態(tài)海纜海底濕存完成。

4 結(jié)語(yǔ)

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)南海海域的多個(gè)油氣田區(qū)。其中部分FPSO及單點(diǎn)生產(chǎn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件（如單點(diǎn)浮筒等）近些年將陸續(xù)達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，需要根據(jù)要求進(jìn)行維修和更換。該次動(dòng)態(tài)海纜解脫及海底濕存技術(shù)的成功應(yīng)用，為項(xiàng)目的順利完成奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)為以后其他的類似項(xiàng)目提供了借鑒和參考。

圖4 限彎器海生物清理、固定及止滑器安裝

圖5 牽引頭從單點(diǎn)浮筒頂部下放并臨時(shí)懸掛于浮筒底部

圖6 海纜水下傳遞

圖7 海纜牽引頭與配重塊連接