淺析D P船冬季海底雙層保溫管道鋪設

孟小雨，孟嘉巖，姜宇超，柴昕辰，于 彬

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

1 海底管道鋪設

1.1 海底管道

海底管道是海上油氣開發過程中油氣輸運最經濟、便捷和安全的方式。按照管道橫截面類型分類，海底管道可分為單層保溫管、雙層管和集束管。與陸地管道不同，海底管道在承受管內、外壓力的同時，還受海流與泥沙的沖蝕、海底低溫環境與管內流體的巨大溫差、海底微生物的腐蝕等海洋環境因素的綜合影響。在成分、性能、尺寸控制等方面，海底管道用鋼要求高于陸地[1]。為滿足載荷要求，海管橢圓度與壁厚均需嚴格控制。金屬管道外層常增加瀝青砂膠涂層或者環氧涂層，同時配有陰極保護[2]。管道外部可以通過混凝土或玻璃纖維包裝以保護外壁涂層。

為滿足M管道85℃的運行溫度，M海管更換項目所使用的海管為雙層管，內外管間填充聚氨酯以保溫。內管為管徑12"（30.48 cm）、壁厚15.9 mm的無縫鋼管，外管為管徑18"（45.72 cm）、壁厚12.7 mm的高頻直縫鋼管。

1.2 海底管道鋪設方法

目前，海底管道的鋪設方法主要有4種，分別是拖管法（Tow method/Tow-lay）、S形鋪管法（S-lay）、J型鋪管法（J-lay）、卷管式鋪管法（Reel barge method/Reel-lay）[2-3]。4種鋪管方法各有特點，在不同的鋪設工況下各有優勢：拖管法使用拖輪進行海管鋪設，僅適于離岸較近的淺水海域，后3種鋪管法需鋪管船與駁船配合施工，適于遠離海岸的深水海域[4]。

1.3 S形鋪管法施工流程

鋪設系統主要由焊接站、張緊器、托管架3部分組成。S形鋪管法因鋪設速度快、效率高、適用于大口徑管道和全部水深范圍而備受青睞，是目前應用最廣泛的鋪管方法。

S形鋪管法常規施工過程分為3個階段，分別是起始鋪設、正常鋪設和終止鋪設。受海況條件限制，海上施工有時無法連續作業，故設臨時棄管、棄管回收兩種流程。此外，施工前后還有大量前期準備及后期處理工作。

2 海底管道鋪設作業船舶

2.1 鋪管船

S形鋪管法的應用需以鋪管船為載體，鋪管船主要歷經了“無動力駁船改造—半潛式船型搭配固定式托管架—動力定位鋪管船”三代的發展與改進。動力定位鋪管船鋪設效率高、對水深的適應能力強，成為目前S形鋪管船的主流。

M海管更換項目選用的主作業船海洋石油201船是我國第一艘自主詳細設計和建造的同時具備3000 m深水鋪管能力、4000 t起重能力、DP-3級動力定位，且具備自航能力的深水起重鋪管船，作業管徑為6～60"（15.24～152.40 cm），作業水深為15～3000 m[5]。

2.2 動力定位船

海底管道鋪設的全周期都受到環境條件的限制，包括風、浪、流、潮沙、海冰等，同時也存在地震等意外情況的影響。其中，風荷載、浪荷載與流荷載對鋪設管道的影響最為顯著。施工中多通過對表征環境信息的關鍵參數進行測量，完成環境荷載的監測。

動力定位船舶是一種可執行高精度作業的全驅動水面船，通過對環境載荷的實時監測，由控制系統推演反算，控制安裝在船體各部位的推進器，克服海洋中風浪流等環境因素的影響，獨立的控制船體的縱、橫向位置或艏向達到給定值，以盡可能抵消環境力的影響[6]。海洋石油201船采用DP3動力定位系統，選用康斯伯格（Kongsberg）公司的K-Pos系統（表1）[7]。

表1 環境載荷監測

3 海管鋪設作業線及主要設備

3.1 海管鋪設作業線

海洋石油201船是具有自航能力的動力定位（ABS DPS3；CCS DP3）雙層甲板深水鋪管起重船。在主甲板縱向中心線設有鋪管作業線（以下簡稱主作業線或主線），主作業線的左右兩側設置雙節點管道區域（以下簡稱輔線）。

雙層保溫管道鋪設過程中，管段在鋪管船上經過吊裝、輸送、組對、焊接、無損檢測、保溫材料填充、節點涂敷等流程后，接長為管道經過張緊器，沿托管架入海[8]。根據M項目雙層保溫管道鋪設的作業要求，本次主線系統選配1個采用熔化極氣體保護焊（GMAW）的自動焊接站、3個采用氣保護藥芯焊絲電弧焊（FCAW-G）的半自動焊接站、2個噴砂除銹站、2個防腐補口站及1個陽極安裝站。表2中，NDT為無損檢測，AUT為全自動超聲波技術，PAUT為相控陣超聲檢測技術，UT和MT分別為磁粉探傷和超聲波探傷。

表2 海洋石油201船主作業線工作站

兩側每條輔線選配1個坡口預制區、3個使用埋弧焊（SAW）的焊接站、1個返修站（表3）。

表3 海洋石油201船左、右輔線工作站

3.2 海管鋪設主要設備

高效的鋪管作業依賴于各類裝備的協調工作（表4）。目前鋪管作業線系統上各類裝備的設計、制造基本被國外公司壟斷，如意大利的Goriziane公司、意大利Remacut公司、荷蘭SAS公司以及新加坡PH公司等[8]。

表4 鋪管系統設備布置

3.2.1 A/R絞車

A/R絞車（Abandonment and Recovery Winch，又稱收放絞車）主要用于海底管道鋪設中的棄管作業和收管作業，在實際作業中一般與張緊器配合使用，通過控制系統進行設置，可全自動完成張力轉換[9-10]。

海洋石油201船配有2套A/R絞車，最大張緊力分別為400 t和300 t，分別用于鋪管和船側PLET安裝。A/R絞車安裝在A甲板前部，包括直角型排纜器、儲繩卷筒、牽引卷筒、測量滾輪、導向滾輪、補償滾輪等，A/R絞車由機側控制箱和DP室控制系統共同控制。

3.2.2 張緊器

張緊器（Tensioner）是海底管道鋪設的關鍵設備，作用即實現鋪管過程中的張力控制，用于給已焊接管道提供張力并控制管道下放，并控制管道鋪設速度[11]。

海洋石油201船設有2臺張緊器，安裝在主線5站與6站之間，鋼管鋪設時每臺張緊器最大張緊力為200 t，水泥配重管鋪設時每臺張緊器最大張緊力為120 t，適用管徑為6～60"，由液壓站側控制箱、張緊器側控制箱、DP室控制系統共同控制。

3.2.3 托管架

托管架是S形深水鋪管作業中重要裝備之一，它位于鋪管船尾部或船側，相當于船體的延伸，其功能是按特定的曲率支撐管道，并引導管道以設計的角度進入水下，控制管道下水時的彎曲變形[12]。

海洋石油201船托管架位于船艉，共4節，總長約106 m，最小鋪管半徑為90 m，最大鋪管半徑為365 m。M項目使用了兩節。

3.2.4 ROV

在海管的鋪設施工中，ROV（Remotely Operated Vehicle，水下機器人）可通過遠程遙控，實現水下監控及水下機械操作。M項目選配ROV共2臺，選用的ROV為200 HP（147.1 kW）、3000 m鎧甲纜、TMS內軟纜600 m重工作級水下機器人，配備一個SCHILLING TITAN-4七功能模擬機械手、一個SCHILLING RIGMAS-TER五功能機械手，可外接液壓剪、液壓砂輪機、鉆石切割鋸、吸泥泵等各類液壓工具，具有很強的水下工作能力（表5）[13]。

表5 M項目ROV主要工作

4 施工面臨的問題與效率提升對策

4.1 海況條件惡劣，高效利用天氣窗口

依據設計文件，鋪管作業環境限制條件較為嚴格，風速≤16 m/s，有義波高≤2.5 m，波浪周期≤9 s，流速≤2節。因冬季海況不佳，以往甚少進行雙層海管鋪設作業，根據以往項目經驗，天氣待機取純工期的30%。但實際施工中，冬季海況遠不及預期，作業窗口短暫且不連續。通過對施工海域作業海況的統計分析可以發現，M海域1—2月份天氣待機在總工期中占比高達60.7%，制約鋪管的關鍵因素為有義波高及波浪周期。

針對海況惡劣、施工效率不高的情況，提出如下策略：

（1）選取兩家及以上獨立且可靠性較高的天氣預報服務商，結合鋪管船動力定位系統現場實測數據，選擇合適的天氣窗口施工，在保障質量安全的基礎上盡可能做到連續施工（如相鄰兩施工窗口間隔較短時考慮作業船舶現場避風，節約鋪管船往返錨地與施工現場的時間及油料消耗）。

（2）錨地避風期間按照作業船最大管段儲量自駁船倒駁海管至鋪管船，避免因管段運輸不及時，或現場海況不允許駁船與鋪管船靠泊作業導致的鋪管待機。

（3）根據管端質量將海管分組，在海況相對不佳時優先使用橢圓度更好的管段，以節約焊接組對時間，避免海況不佳時長時間停船帶來的管道疲勞。

（4）錨固件安裝采用陸地預制錨固件管段的方式，將錨固件這一特殊組件的安裝轉化為標準管段的安裝，減少海上作業量，縮短海上作業時間。

（5）海況條件較長時間不支持鋪管作業時，在不影響輔線預制海管作業的情況下，考慮臨近海域其他項目穿插作業，高效利用作業船舶，避免長時間天氣待機。

4.2 主線團隊磨合，焊接效率穩步提升

雙層管道內、外管焊接相互制約，需先進行內管組對、焊接、檢驗合格后，填充保溫材料，然后拉動外管才能繼續外管的組對、焊接，同時露出內管下一道坡口（圖1）。

圖1 雙層管焊接示意

M項目施工過程中，主線焊接效率是制約鋪管作業施工效率的主要原因，對作業線各節點有效作業時長進行統計，可以發現組對、焊接、返修是耗時最長的工藝流程，決定移船時間、制約作業線效率的關鍵節點是主線1站與主線2站（表6）。通過改進作業流程、提升焊接質量、加強焊接管理，可以有效壓縮作業時長。

表6 主線焊接效率提升策略

4.3 強化精細管理，轉型信息化數字化

在海上施工過程中，針對現場出現的各種問題，大量決策依托于施工經驗，缺乏數據支撐。通過統計施工信息，建立成熟的數據庫，可以為現場決策提供更為堅實的理論依據。

（1）油水消耗。通過對作業船舶的油水消耗情況進行統計，可以得到待機狀態與作業狀態的油水消耗速度。將海況信息納入統計，分析耗油與浪高間的關系、耗水與氣溫間的關系。結合造水情況，得到作業船舶的油水消耗曲線，為油水補給節點決策提供數據支撐。

（2）焊接質量。焊接速度是制約施工效率的關鍵因素，其中，焊接質量（返修率）是決定施工效率的決定性指標。為提升焊接質量，優化焊接方法，可進行有針對性的統計與試驗。以預熱溫度、送絲速度、焊接速度、擺動幅度、擺動速度、兩側停留時間等參數為變量，采用控制變量法進行試驗，可得到針對某管道的焊接參數設置最優區間，對焊接工藝進行優化；通過對主線焊口號、焊工編號、焊接時長、缺陷類型、缺陷深度進行統計，對每位焊工的焊接情況進行分析，得到該焊工的作業效率、多發問題，針對每位焊工的作業習慣，進行差異化的定向培訓。

（3）節點時長。海上施工天氣窗口短暫，船舶資源緊張，需要對施工時間有精準的把控。針對不同作業船舶、作業水深、海管參數、海況條件，對施工節點耗時進行統計，明確關鍵節點對應的施工限制，為排產提供更可靠的數據支撐。

（4）可重復利用的工機具。M海管更換項目因施工緊急，常規采辦時間不足，多使用利庫資源或緊急采辦。因關鍵工機具缺乏或型號不符，技術方案多次調整。對于可重復利用的工機具，可探索建立數據庫，明確工機具參數、證書，細化所屬項目、船舶、使用時間，從以所屬項目為主要指標調整為以施工地點、船舶為主要指標，提升工機具使用效率，避免采辦不足引發的方案調整甚至待機。

（5）大型項目所屬海域氣象、海況跟蹤統計。建議在大型油田群以月度為單位，對氣象、海況條件進行跟蹤統計，得到各地區分月天氣待機比例，為項目排產提供數據支撐。

（6）海管檔案。通過建立海底管道全生命周期檔案，可以匯總海管鋪設、維修、廢棄過程中涉及的技術方案、圖紙及施工情況說明，為維修、改造項目提供豐富的歷史數據。