海底管道及膨脹彎海上安裝效率分析研究

馮愛民，張 璐，董兆佳，韓延波，左 勝

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.深圳海洋工程技術服務有限公司，廣東 深圳 518067)

0 引言

海上石油和天然氣的開采，以海上固定或浮式平臺為開采和處理設施，以海底管道為傳輸載體，將海底開采的石油和天然氣資源源源不斷地送至陸地終端。海底管道是海上油氣田開發生產系統的主要組成部分，也是最快捷、最安全和經濟可靠的海上油氣運輸方式[1]。除海底管道登陸段、淺灘和極淺海域外，一般采用鋪管船法進行海底管道的鋪設。以鋼制海底管道為例，在鋪設之前，海底管道在陸地經過涂敷、配重后，用駁船運輸至鋪管船上；進行海底管道鋪設過程中，先將分段海底管道在鋪管船上進行逐段地組裝、焊接，待檢驗合格后，在鋪管船向前移動時，從船尾部的托管架上滑入海中，在靠近平臺側，安裝膨脹彎以連接海底管道和平臺立管；同時，為增加在位坐底穩定性，減少漁業活動對裸露海底管道的影響，還要進行挖溝填埋處理。

在一般海域中鋪設一條海底管道需要一支由鋪管船、挖溝船和多條輔助作業的拖船，如海底管道運輸船、交通船、物料補給船等組成龐大的專業船隊。船隊的費用是海底管道施工中的主要費用，由于這一費用較高，使海底管道施工費用比陸上同類管道要高2倍左右。因此，針對海管鋪設的各項影響因素提出改進措施，提高海底管道的鋪設效率，縮短鋪設船天，成為降低海底管道投資建設的主要途徑。

1 效率影響因素及應對措施

1.1 效率影響因素

海管鋪設及膨脹彎安裝的效率影響因素主要包括天氣和海況因素、人員和返修因素、船舶和設備因素、設計和方案因素。

(1)天氣和海況因素包括因季節氣候所帶來的涌浪和短時天氣產生的大風、大霧等。涌、浪、風等導致船舶在海上施工期間失去穩性并有可能對海管的完整性產生破壞，同時人員暈船也導致焊接難度增加，直接降低施工效率[2-3]。大霧降低了能見度，影響了海上施工人員的視野范圍，一些海面以上的大型施工作業需要待機等待霧散。

(2)人員和返修因素，包括施工人員的技術水平和熟練程度。技術水平不僅關系到施工效率，還影響到施工合格率。技術水平較低的人員，不僅速度慢，而且會因為返工導致重復作業，增加施工周期。長時間和重復性的作業，會讓施工人員產生倦怠心理，這種心理逐漸地讓施工人員無法專注投入施工作業中，從而降低施工效率[4]。

(3)船舶和設備因素，其中船舶待機，比如因為管理溝通不善，施工船舶在進入施工現場時，其他船舶還未完成作業，使工作不能按期開展，因受到其他船舶的干涉產生待機。而設備待機指位于鋪管船上的施工作業線出現故障，其中出現故障率最大的為對中器和坡口機，一旦設備出現故障，使生產線某個環節暫停，會導致海管焊接作業線整體停滯。

(4)設計和方案是施工的前提，直接關系到工作量和施工難度。施工方案是在原有開發建設方提供的基礎資料和數據下，根據既定的輸入條件，如船舶、海管參數等，進行研討和設計。不同的方案下，施工量會有較大差異，例如海管路由的選擇，不同的路由方案直接影響到海管的總長度。

1.2 應對措施

以上因素中，天氣和海況是自然客觀條件，尤其是可命名的臺風，屬于不可抗力，一般可以得到工期補償，而12級風以下的惡劣天氣，應對的方式是在施工計劃編制時預留浮時和根據天氣預報擇機施工以減少待機影響。其余因素，可以通過采取針對性措施減少工期影響。例如，人員的技術水平可以通過培訓來提高，建立人員篩選機制，優勝劣汰，如果能將鋪管船上施工的焊接人員固定化，這樣施工人員對施工環境、船舶特點、設備性能等了解更深，對施工效率是有極大提高的；對于故障率較高的設備應在項目前期準備好充足的備件及備用設備，并在平時多進行設備的維修保養，使其在鋪管過程中具備良好的狀態[5]；設計和方案，可以選擇具有豐富經驗的設計團隊，對方案進行優化，降低工作量或施工難度，達到節約工期和成本的目的。

2 項目實例

2.1 項目概況

潿洲11-2油田二期開發工程項目位于南海北部灣海域內，水深40 m，年平均氣溫23 ℃，每年5—11月為臺風季節，其余月份為季風季節。項目海底管道設施包含一條直徑20 cm(6寸)的4.0 km注水海底管道和一條直徑33.3 cm(10寸)的4.0 km海底油水混輸管道。海管鋪設及膨脹彎安裝原計劃采用海洋石油202船(以下簡稱“HYSY202”)，因船舶檔期問題，調整為濱海109船(以下簡稱“BH109”)。

2.2 施工準備及平管鋪設

BH109船3月24日開始在潿洲錨地進行海管倒駁及焊接、檢驗、潛水和定位等設備的安裝調試等準備工作，3月26日現場拋錨就位后開始注水管線的起始鋪設，4月2日完成注水管線鋪設，4月3日移錨就位后開始混輸管線的起始鋪設，4月16日完成混輸管線鋪設。

施工計劃中天氣待機6 d，實際發生3.5 d(含1 d故障待機)，計劃施工時間19.5 d，實際施工時間17.5 d，最終早于計劃4.5 d完成平管鋪設工作，如表1所示。剔除掉天氣待機之后的正常鋪設(不包含起終止)效率分別為注水管線593 m/d，混輸管線452 m/d，作為比較計劃中目標設置為注水管線800 m/d，混輸管線400 m/d。

表1 海管鋪設計劃與實際工期偏差對比

導致實際施工效率低于計劃施工效率(工期增加)的原因有：(1)施工前期人員磨合階段所占時間較長，焊接出現多次返修，合格率低。先鋪設的直徑20 cm(6寸)注水海底管線實際效率低于計劃效率，平均每天比計劃少鋪設207 m。(2)BH109一般在渤海海域施工作業，此前從未到過南海西部海域作業，船舶抗風能力不足，施工海域又持續受西南風及暗涌影響，船舶隨涌浪搖擺幅度較大，施工作業經常中斷，導致整體作業效率降低。(3)BH109服役已超過40 a，船上施工設施和設備老舊、維護保養不足，設備出現故障待機，直接導致施工中斷，需要停工對設備進行檢查維修。

導致實際施工效率高于計劃施工效率(工期節約)的原因有：(1)BH109在前往作業現場之前的施工準備工作做得非常充分，將4.5 d的設備調試等施工準備工作，由4.5 d縮短至2.0 d。(2)先鋪設的注水海底管線因施工人員對工藝和環境陌生而效率降低。而后鋪設的混輸海底管線，施工人員經過長達一周的對施工工藝的磨合，已經逐漸熟悉作業環境和施工機具，并增加團隊協作默契，使返修率逐漸降低，使得混輸海底管線鋪設實際效率高于計劃效率，平均每天比計劃多鋪設52 m。(3)項目組向氣象權威機構訂閱中期(未來15 d)專業海洋天氣預報，通過展望和評估天氣和海況，選擇風、浪在一段時間內較為平穩的時機開始施工，降低海上天氣待機率。(4)制定激勵機制，根據項目機械完工的里程碑點，每提前一天，給于一定的獎勵以提升施工人員的積極性。

2.3 主作業船模式轉換及膨脹彎安裝

BH109船4月16日完成混輸管線鋪設后開始人員動復員、機具設備倒駁、托管架拆除等施工轉換工作，4月19日開始注水管線膨脹彎尺寸測量至5月19日全部膨脹彎安裝完成，包含施工準備和天氣待機影響，計劃工期28.5 d，實際工期30.5 d，影響因素及工期如表2所示。

表2 膨脹彎安裝計劃與實際工期偏差對比 單位：d

導致實際施工效率低于計劃施工效率(工期增加)的原因有：(1)膨脹彎施工區域水深超過40 m,對于空氣潛水作業已接近較深的潛水深度，潛水人員入水時間受限，同時出水減壓時間過長，影響測量效率，膨脹彎實際測量天數超過計劃1.5 d。(2)受天氣影響較大，作業窗口短且不連續。同時，膨脹彎焊接為船舶甲板作業，風雨天氣及高溫給施工環境帶來的影響較大，施工人員效率受到影響，頻繁中斷施工，使膨脹彎預制周期超出計劃周期2.5 d。(3)膨脹彎安裝大部分時間為潛水作業，對施工區域的潮水、附近船舶等均有較嚴格的要求，施工期間多次發生等待潮水的情況，因天氣和海況原因出現了待機，相比計劃待機天數多2.5 d。

導致實際施工效率高于計劃施工效率(工期節約)的原因主要是膨脹彎路由的方案優化。潿洲11-2項目2條海管原設計方案，路由位置在平臺同側，并且兩條海底管道設計間距50 m，前期計劃使用HYSY202船完成兩條海底管道的鋪設，由于HYSY202船體較寬，并且作業線在船體右舷，棄管的時候為了躲避已在位的平臺，外側混輸海管設計路由偏離平臺超過100 m，采用4節膨脹彎連接，注水海管采用3節膨脹彎連接。當海管鋪設船由HYSY202換成了BH109，由于BH109船船體較窄，設計團隊具有了方案優化的空間，BH109船在棄管作業時在保證安全的前提下盡量靠近平臺鋪設，并且采用BH109船在經過平臺后移船到海管設計路由側，采用加大張力將平管牽引回設計路由的方式，將注水海管原設計路由的3節優化為1節(見圖1)，將混輸海管原設計的4節優化為2節(見圖2)。經過此次方案優化，大幅降低了海上膨脹彎安裝工作量、壓塊采辦量、壓塊擺放施工工作量，減少了4對法蘭的設計用量和連接工作量，降低了海管泄露及被錨纜和漁網拖掛的風險。

圖1 注水海管膨脹彎優化前(左)后(右)方案對比

圖2 混輸海管膨脹彎優化前(左)后(右)方案對比

2.4 小結

在潿洲11-2項目海管鋪設和膨脹彎海上安裝過程中，通過海管和膨脹彎安裝實際工期與計劃工期對比分析得出，人員返修因素和天氣海況因素對工期的負面影響較大，分別為5.7 d和2.5 d，造成工期延誤較多。而設計方案因素和天氣海況因素對工期的正面影響較大，節約工期較多，分別為4.5 d和3.5 d。項目總工期共節約2.5 d，各因素對工期影響分布，如圖3所示。

圖3 各因素對工期延誤和節約影響統計

項目整個施工周期約2個月，而中期天氣預報是進行15 d的滾動預測，對于15 d后的天氣情況，預報的準確率逐步降低。即便在施工開始時選擇了較為理想的開工時機，但后續仍會出現較長天氣待機的情況。

除去天氣和海況的客觀因素，在工期節約方面，設計方案優化的貢獻最大，但僅限于膨脹彎的施工部分，且方案的優化是在船舶更換后，即基礎輸入條件發生后所實施的。在工期延誤方面，人員返修的貢獻最大，由于海管長度僅4 km，在人員磨合適應了施工環境后，就已經進入了施工中后期，所以對于人員和返修所采取的提升措施和激勵并未發揮出較為明顯的作用，但在長距離的海管鋪設施工中，對于人員和返修的改進措施和激勵機制將節省更多的工期。在僅考慮所采取措施對工期節約的貢獻時，總節約工期11.7 d，占總工期54 d的21.67%，排除天氣和海況的客觀因素，節約工期占比為15.19%，節約效果顯著。

3 結語

海管鋪設和膨脹彎安裝效率受到天氣和海況因素、人員和返修因素、船舶和設備因素、設計和方案因素的影響，導致施工工期出現節約或延誤。潿洲11-2項目對影響因素進行分析，采取針對性措施，有效地節約施工周期。該項目節約工期的措施及方式方法，可以為后續項目提供經驗和借鑒。