海管終端的鋪管船舷側安裝海試技術研究

原慶東，王火平，董耀鋒，劉 浩

1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067

2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

對于海上油氣田開發項目，在海水深度達到250m以下時，受潛水作業水深限制，傳統的海底管道膨脹彎設計及安裝不再適用[1]，因而采用ROV作業的海管終端（PLET）及防沉板設計及安裝模式。

PLET（包括防沉板）尺寸較小時，可與海管一起在線安裝[2]，但在尺寸較大或較重時，受作業線空間限制，PLET及防沉板不能在線安裝，這時需要PLET和防沉板分體設計和安裝，一般采用防沉板先行安裝就位，再將PLET與海管一起鋪設安裝就位在防沉板上[3]。

在某些特殊情況下，即使PLET與防沉板分體設計與安裝[4]，PLET本身的尺寸和重量也無法滿足在線安裝要求，此時可采用PLET在鋪管船舷側與海管連接的方式實現PLET的安裝。

由于PLET在舷側安裝在國內尚屬首次，能否成功存在很大不確定性，因此非常有必要首先進行PLET假體及海管的海上實際模擬測試，以確保后期海上PLET及海管的安裝能夠順利實施。

1 PL ET及防沉板

南海某油田群開發項目共有4條深水海底管道，其中2條直徑14 in（1 in=25.4 mm），另外2條直徑10 in，油田平均水深420 m。為滿足水下ROV連接作業的需要，每條海管設計有2個PLET。綜合考慮PLET的形式、大小及安裝資源的能力，PLET和其防沉板采用了分體設計方案。由于此項目PLET尺寸、重量較大，無法在鋪管船生產線上在線安裝下放就位，因此考慮采用在鋪管船舷側下放安裝的方法[5]。

此項目中每條管道的2個PLET及防沉板分別位于海底管道的井口側和FPSO單點側，考慮防止漁網拖掛、海上安裝、流動性保障等各方面因素，井口側和單點側的PLET及防沉板設計有所不同。

（1） FPSO單點側PLET及防沉板。FPSO單點側PLET與FPSO立管相連，PLET管端設計有立式連接器端口（HUB）和工藝隔離閥門。單點側PLET防沉板與PLET本體為分體設計，防沉板結構采用防漁網設計，并設計有左右兩個導軌，當海管因流體溫度變化膨脹或收縮時PLET可在防沉板導軌上縱向前后滑動，PLET與防沉板的初始相對位置見圖1。

圖1 單點側PLET與防沉板

防沉板需要預先安裝到海底預定位置，再將PLET連同海管一同精準安裝到防沉板內，PLET應安裝在防沉板導軌上大約中間位置。

（2）井口側PLET及防沉板。井口側PLET通過跨接軟管與水下中心管匯相連，管端采用水平式連接器[5]，設計有安裝旋轉門架及A/R纜連接鉤頭。

井口側防沉板結構設計與單點側防沉板類似，也設計有PELT縱向滑動導軌，但形體大小尺寸稍有不同，PLET與防沉板的初始相對位置見圖2。

圖2 井口側PLET與防沉板

PLET和防沉板安裝有明確的安裝精度，見表1。

表1 PLET和防沉板安裝精度

2 海管終端（PL ET）舷側下放海試技術研究

PLET舷側海試模擬工作除了鋪管船外，還需要在鋪管船主甲板上安裝PLET舷側下放系統，并根據PLET舷側下放安裝系統的功能進行海試模擬方案及工藝研究。

2.1 PLET舷側下放系統（PLS）

PLET舷側下放裝置是海管鋪設與PLET安裝的關鍵設備，由意大利REMAZEL公司制造，包括：A支架和PLET存放平臺、連接平臺和懸掛管卡、導向滑輪及AR纜、液壓動力站等，此裝置通過導向滑輪和船上AR絞車系統相連，形成整個舷側PLET下放系統，如圖3所示。

圖3 PLET舷側下放裝置

A支架上設有液壓系統，它可使PLET進行X、Y、Z三個方向上的調整以便PLET精準對中，下部設有連接工作平臺，用于PLET與海管的焊接、檢驗等。在連接工作平臺的下方設有夾持型懸掛管卡，如圖4所示，通過液壓驅動方式打開或閉合懸掛管卡以懸掛和釋放海管，另外，懸掛管卡能夠沿軸向旋轉一定的角度。

為確保適合不同尺寸和形式的PLET，PLET和下放裝置中間還專門設計了一個PLET底座支架，如圖5所示。

該套系統的工作原理是將PLET放置在A支架上并呈倒立狀態，回收海管并將管頭固定在管卡上，連接PLET與回收海管頭，將其一同下放到已預先在海底安裝就位的防沉板上。利用導向滑輪將鋪管船上的AR纜與PLET相連，通過底座支架下放PLET。

圖4 PLET連接平臺和海管懸掛管卡

圖5 PLET底座支架

PLET舷側下放作業主要由A支架和懸掛卡具來完成。

A支架性能參數主要有：A支架最大荷載為4 000 kN，允許下放的PLET最大質量100 t，最快外移時間小于5 min，允許PLET最大縱移、橫移、上下移動距離分別為±250、±150、±65 mm，允許PLET最大縱軸轉角±1.5°，PLET管段和HOC卡子最小距離4 m，PLET棄置時A架滑輪最大逃離角度1.5°。

懸掛卡具性能參數主要有：懸掛卡子最大荷載為6 000 kN，工作荷載為3 000 kN，最大橫向荷載為600 kN，適用管徑6～24 in。

2.2 PLET舷側下放安裝海試方案及工藝研究

PLET下放安裝模擬測試的目的主要是通過預演整個PLET連接、下放和安裝就位過程，驗證舷側海管的回收、PLET焊接、檢驗和涂敷方案的可行性，評估各個工序安排的合理性以及關鍵路徑的作業時間，檢驗計算參數的有效性，整合并磨合聯合作業的合理性，給后期PLET安裝方案提供必要的經驗和技術支持，減少并解決實際安裝作業過程中可能出現的問題。

海試模擬的基本方案是使用一段南海某油田開發項目的長約70 m、直徑14 in的管段，再連接約1 500 m長的起始纜，模擬平管段的鋪設和回收作業；使用PLET假體模擬在PLS上的安裝就位；然后進行直徑14 in管段及起始纜的舷側回收模擬作業；再進行PLET與回收管段的模擬對口、焊接、涂敷作業，最后進行連接完成后的PLET和海管的整體舷側下放就位模擬作業。圖6為海試模擬的總體示意。

圖6 海試模擬總體示意

海試模擬現場選擇在該油田群FPSO附近的某一油田管纜路由北側約1 km處，和油田管纜路由方向平行，海試區域為2.5 km×1 km長方形范圍（見圖7）。

圖7 海試模擬現場

海試作業海況至少有3天天氣窗口（有義波高低于2.0 m，風速低于20節）；PLET下放裝置工作平臺需要進行防風雨保護，以保證焊接質量。

海試模擬需要準備相應的材料和工具設備，如PLET假體、J-Collar假體及保護器、PHS臨時底座、A/R纜頭、抓力錨、起始纜、14 in海管等；管道焊接用外對口器、水溶紙、切割設備、坡口機、消磁機、焊機、API625材料焊條、300 mm長CRA管短接等；檢驗用外射線機；涂覆作業用噴砂設備、中頻加熱設備、真空檢測設備、熱縮帶、底漆和溶膠等。

PLET與海管之間的焊接工作是連接工作的關鍵一步，由于PLET上的海管與回收海管必須垂直連接，常規氣壩封堵的方案無法滿足焊接要求，經過討論和陸地試驗，決定采用吸水紙方案，并在此次海試期間進行驗證。

經過討論研究，海試模擬PLET下放工藝步驟如下：第一，安裝準備工作就緒。第二，鋪設起始纜。第三，鋪管船回收起始纜，并按正常鋪管方式將長70 m、直徑14 in管段及起始纜下放到海底預定位置。第四，將PLET假體安裝在PLET下放裝置底座支架上。第五，使用PLET下放裝置及AR纜進行該管段舷側回收。第六，在PLET下放系統工作平臺上進行PLET假體和該管段對口、焊接和涂敷作業。第七，下放PLET假體及該管段到海底，模擬下放及就位作業過程。第八，回收PLET假體及該管段海管，海試模擬作業結束。

2.3 PLET舷側下放作業海試模擬與效果

根據PLET舷側下放安裝海試方案和工藝步驟，在經過充分陸地準備后，鋪管船于2019年3月末到達海上指定區域開始海試作業。

長70 m、直徑14 in測試海管由4根共48 m的管道、J-Collar假體及保護罩和兩端吊耳管焊接在一起組成，如圖8所示。PLET假體見圖9。

圖8 長70 m、直徑14 in測試海管

鋪管船于2019年3月27日中午從錨地出發，28日中午到達海試現場。在進行完托管架、抗內波流、AR絞車測試、起始纜預鋪等準備工作后，于3月30日開始進行PLET與海管連接、下放模擬測試，但由于天氣原因，在測試管段回收到下放裝置平臺并懸掛在管卡上后，海管不得不再次下放到海底，3月31日鋪管船返回錨地躲避惡劣天氣。4月5日上午7點鋪管船返回模擬作業現場后，重新開始PLET下放模擬試驗工作，4月6日完成PLET假體的模擬下放，4月7日返航錨地，詳細作業日程見表2。

圖9 PLET假體

通過舷側下放作業海試模擬試驗得出如下結論：

（1）此次海試模擬預演了一次PLET舷側下放過程，對后續PLET下放安裝工作提供了有力的技術支持和經驗，尤其是對PLET與海管的對口、焊接和涂敷過程，有了更清晰的時間概念。

（2）模擬試驗期間進行了船體DP狀態下抗內波流模擬試驗，證明鋪管船對內波流有比較高的抗沖擊能力。

（3） 由于PLET假體是另外某項目提供的PLET防沉板假體，其設計為PLET和防沉板一體設計，因此此次模擬試驗未能完全模擬該油田群開發項目PLET的下放作業，該油田群開發項目在后期PLET實際下放過程中所存在的問題（如可能的反轉）仍應給予重視和進一步研究探討。

（4）由于海底沒有防沉板假體，該項目的PLET下放在防沉板的就位作業未能模擬。

（5）在管匯端PLET連接下放時，由于防沉板已經就位，而管道路由調整比較困難，因此防沉板安裝就位的方位角與管道路由的一致性非常重要，通過此次模擬海試和討論，對這一問題的重要性有了更充分的認識。

（6） 由于海管是懸掛而不是固定在管卡上，海管在對口和焊接過程中存在移動或擺動現象，盡管此次海試使用了外對中器并在管外焊接固定鐵塊來協助對中，但對中焊接后的海管仍存在手摸感觸到的錯邊現象，不滿足焊接質量要求，需要通過改進外對中器等方式繼續提升對中水平。

表2 PLET安裝海試模擬日程

（7） 此次海試PLET假體在剛開始脫離A架時出現一些左右搖擺，未出現大幅搖擺現象，總體可控，為后期PLET下放安裝作業的安全實施提振了信心。

（8）此次海試收尾階段進行PLET帶海管回收作業時，出現J-Collar進入管卡困難的現象。需要進行PLET及海管下放安裝后萬一需要回收的安裝分析及相應對策。

（9）此次海試PLET與海管連接時的管口打底焊接質量未達到要求，焊接過程中出現氬氣密封不嚴、氬氣純度下降快等現象，這個問題解決不好將嚴重影響施工質量和作業工期，需要引起足夠的重視并采取有效措施。

3 結論

對于海上作業新技術的應用和實施，海試模擬是解決技術問題、減少施工安全事故、提高作業效率的有效措施。按照本文研究的方案進行的海上海試模擬作業，解決了諸如PLET在舷側下放過程中是否會發生翻轉、PLET下放到海底時是否能夠平穩就位、PLET就位安裝精度能否能夠保證、PLET和海管的最后一道焊口焊接質量保證等一系列問題，為后期實際PLET舷側下放安裝的順利實施奠定了基礎。