滑移下水導管架長距離濕拖方案優(yōu)化設計

崔廣亮， 陳凱超， 魏佳廣， 董振強， 劉 濤

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引 言

深水導管架具有建造投資高、拖航難度大、運輸風險高等特點，一旦出現(xiàn)意外事故，將造成巨大的經(jīng)濟和財產(chǎn)損失。在國際上，深水導管架一般采用干拖的方式進行運輸，濕拖方式僅限于導管架安裝階段的短距離運輸。

深水導管架通常采用滑移下水，濕拖到就位區(qū)域的方式進行海上安裝。導管架滑移下水區(qū)域一般選擇距離平臺場址1～2 n mile(1 n mile=1.852 km)的位置，以便縮短導管架濕拖距離，降低導管架在濕拖過程中密封艙波浪拍擊進水及拖纜磨損斷裂等風險。

相比短距離濕拖，導管架長距離濕拖過程會經(jīng)歷多次潮流變化及風向變化，如何克服氣象變化帶來的影響，保證濕拖方案安全可靠是長距離濕拖面臨的最大難題。本文以東方13-2CEPB導管架安裝為例，梳理了影響導管架長距離濕拖的主要因素，對導管架長距離濕拖方案進行了研究及方案優(yōu)化，降低了長距離濕拖的作業(yè)風險，同時為工程節(jié)約了施工成本。

1 技術方案研究

東方13-2CEPB導管架長80 m，寬72 m，高36 m，重量約為8 200 t，受油田區(qū)域水深不足的影響，導管架需要選擇距離平臺場址17 n mile的較深海域滑移下水，然后采用長距離濕拖的方式將導管架拖帶至安裝現(xiàn)場。

針對可能的影響因素，為保證導管架長距離濕拖作業(yè)的可靠性，對導管架濕拖方案進行了初步設計。

1.1 濕拖方案設計

由于該導管架底部外形尺寸很大，因此大大增加了其在濕拖過程中的海水阻力。在導管架長距離濕拖的過程中，為了提供足夠的濕拖力，在方案初步設計中采用2艘200 t系柱拖力拖輪(見圖1中拖輪1和拖輪2)作為“主拖輪”，主要提供導管架濕拖方向的拖拉力，采用2艘150 t系柱拖力拖輪(見圖1中拖輪3和拖輪4)作為“輔助拖輪”，主要起到導管架穩(wěn)向作用，導管架長距離濕拖布置方案如圖1所示。

1.2 拖點設計

通常，用于濕拖的拖點設計在導管架主腿側(cè)面，在導管架安裝設計階段進行設計，其主要優(yōu)勢在于用鋼量小，容易加工，并且容易切除；但此類拖點一般設計許用拖力較小，使用時容易產(chǎn)生疲勞損壞。常用拖點設計如圖2所示。

圖2 導管架濕拖常用拖點示意圖

為了使拖點能夠滿足項目需要，東方13-2項目拖點設計前置到導管架詳細設計階段，設計位置在導管架主腿的頂部，此方案雖然用鋼量有所增加，但在增大拖點設計能力的同時能夠提高長距離濕拖過程中拖點的耐疲勞能力。拖點設計如圖3所示。

圖3 東方13-2項目導管架濕拖拖點示意圖

1.3 濕拖系統(tǒng)設計

為保證導管架長距離濕拖過程中濕拖系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，綜合考慮受力能力、耐磨性及海況等的影響，濕拖系統(tǒng)選用高強纜繩作為拖纜，可以在相同破斷力情況下減小拖纜的直徑，增加可靠性和操作性。針對高強纜繩耐磨性能較差的特點，選用一段環(huán)形鋼纜連接濕拖點和高強纜繩，減小導管架運輸及濕拖過程中拖纜的磨損。

濕拖系統(tǒng)需要在導管架裝船階段進行預布，方便海上連接，如圖4所示。

圖4 濕拖系統(tǒng)在駁船甲板布置示意

濕拖系統(tǒng)海上連接方式如圖5所示。

圖5 濕拖系統(tǒng)海上連接方式示意圖

2 濕拖力計算分析

本文中的濕拖計算分析采用MOSES軟件，根據(jù)海水流速、風速及導管架濕拖速度的不同，選擇3種環(huán)境工況對導管架長距離濕拖進行計算分析。其中海水流速選擇“一年一遇”的1.17 m/s和“常規(guī)作業(yè)”的0.60 m/s兩種，風速選擇“一年一遇”的24.4 m/s和“常規(guī)作業(yè)”的12.0 m/s，濕拖速度選擇0.5 kn(1 kn=1.852 km/h)和1.0 kn兩種，詳細環(huán)境工況組合如表1所示。

表1 環(huán)境工況參數(shù)取值

長距離濕拖方向及環(huán)境力方向選取如圖6所示。

圖6 導管架長距離濕拖方向及環(huán)境力方向

根據(jù)選取的環(huán)境工況，通過計算得出長距離濕拖計算分析結果如表2所示[1]。

表2 長距離濕拖計算分析結果

從表2可以看出，在工況A情況下，濕拖力最大為569 t。若按照此設計方案執(zhí)行，2艘200 t拖力拖輪無法提供足夠的濕拖力，不能滿足項目需求，若更換300 t拖力的拖輪來完成此次濕拖任務則需要付出相當大的成本，且市場拖輪資源極其有限，會影響項目的工期計劃。因此，導管架長距離濕拖方案優(yōu)化成為解決問題的最佳途徑[2]。

3 方案優(yōu)化設計

根據(jù)上述計算結論，導管架長距離濕拖受海水流速影響較大，經(jīng)過深入研究，從選取的環(huán)境工況和導管架長距離濕拖方案兩個方面入手，進行設計優(yōu)化最為可行。

3.1 工況合理選取

將上述選取的環(huán)境工況參數(shù)、油田區(qū)域水文氣象特點及國家海洋局的統(tǒng)計資料[3]進行對比，發(fā)現(xiàn)選取的“一年一遇”環(huán)境工況參數(shù)較實際值偏大。通過對國家海洋局的統(tǒng)計資料的認真分析，綜合考慮東方13-2CEPB導管架施工季節(jié)，選取施工當月最大的流速及風速值作為計算依據(jù)較為合理，選取的最大流速為0.62 m/s，選取的最大風速為10.0 m/s。優(yōu)化后選取的環(huán)境工況如表3所示。

表3 優(yōu)化后環(huán)境工況參數(shù)取值

根據(jù)優(yōu)化后選取的環(huán)境工況參數(shù)，計算不同濕拖速度下的拖力，得出長距離濕拖計算分析結果如表4所示。

表4 優(yōu)化后長距離濕拖計算分析結果

從優(yōu)化后的長距離濕拖計算分析結果可以看出，在工況E情況下，濕拖力最大為328 t。若按照此設計方案執(zhí)行，2艘200 t拖力拖輪能夠提供足夠的濕拖力，可以滿足項目需求。但是，200 t拖力的拖輪資源對于工程來說成本仍然偏高，因此從工程實際出發(fā)[4]，有必要對導管架長距離濕拖方案進行優(yōu)化設計。

3.2 濕拖方案優(yōu)化設計

根據(jù)市場資源狀況，系柱拖力大于150 t的拖輪資源非常豐富。若濕拖均選擇該能力類型的拖輪，則能夠節(jié)約大量項目成本。依據(jù)導管架濕拖受力分析，濕拖方案可以通過調(diào)整“輔助拖輪”(見圖7中拖輪3和拖輪4)航向的方式進行優(yōu)化設計，使“輔助拖輪”調(diào)整航向后不僅能夠提供濕拖方向上的拖力，分擔“主拖輪”(見圖7中拖輪1和拖輪2)部分濕拖力，同時能夠滿足保持濕拖方向的能力。

優(yōu)化后的長距離濕拖布置方案如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的長距離濕拖布置方案

環(huán)境工況合理選取和濕拖方案優(yōu)化后，選取4艘150 t拖力拖輪完成長距離濕拖任務，能夠滿足濕拖力及濕拖作業(yè)要求，達到了節(jié)約項目成本的目的。

通過東方13-2項目的作業(yè)實踐，該方案的可行性得到了驗證。隨著我國海上石油資源的大開發(fā)，類似東方13-2CEPB導管架滑移下水水深不足的情況將時有發(fā)生，因此在降本增效的大環(huán)境下，該方案的推廣應用顯得非常重要。

4 結 語

導管架長距離濕拖方案在東方13-2項目的成功應用，不僅為項目節(jié)約了大量的成本，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益，也為后續(xù)項目在導管架長距離濕拖方案設計及實施方面積累了大量經(jīng)驗，主要經(jīng)驗總結如下：

(1) 現(xiàn)場海況的合理選取。作為濕拖最大的影響因素，現(xiàn)場海況的選取，特別是流速的選取直接影響濕拖計算結果。建議后續(xù)項目在設計階段充分考慮施工海況的環(huán)境參數(shù)，為設計工作提供切實可行的數(shù)據(jù)依據(jù)。

(2) 導管架濕拖系統(tǒng)預布置。導管架濕拖系統(tǒng)需要在運輸駁船出港前布置在駁船甲板上，濕拖高強纜繩需要在導管架上固定，防止在導管架運輸過程中高強纜磨損，影響現(xiàn)場使用。

(3) 若導管架濕拖力不大于250 t，即單根濕拖纜繩使用拉力小于125 t，建議將高強纜采用漂浮尼龍纜進行替換，從而降低濕拖系統(tǒng)的采購費用。

(4) 導管架下水窗口的選擇。在施工過程中，建議根據(jù)現(xiàn)場潮汐情況選擇導管架下水的窗口期，利用海水流向的變化，減小導管架濕拖過程中流速帶來的阻力。

(5) 濕拖速度的選擇。濕拖航速建議選擇1～1.25 kn，既能縮短濕拖的時間，有效利用海上施工窗口，又能降低拖力要求，避免使用大型拖輪資源，節(jié)約項目成本。

在導管架長距離濕拖時，濕拖方案的設計需要考慮船舶資源、拖帶系統(tǒng)及水文氣象等因素的綜合影響[4-7]。本文結合工程實際和施工海域氣象條件，合理選取計算條件，優(yōu)化導管架長距離濕拖方案，為工程的順利實施提供了保障，同時對今后導管架長距離濕拖具有較好的參考指導作用。