新型深水高精度終止棄管技術研究

宋艷磊,郭 慶,高慶有,甘惠良,柴昕辰

海洋石油工程股份有限公司,天津 300461

0 引言

在1 500 m水深的條件下,須從水面的鋪管船上將海管棄管至海底指定的設計位置,并要求誤差在±1.5 m內,難度非常大.常規方案需要先將海管臨時棄管至海底,并保證海管端部在海底長基線水聲定位系統(LBL)內,然后由水下遙控機器人(ROV)采用LBL系統測量管端的位置,然后測量距離終止點的位置,再將海管回收至鋪管船將剩余的海管鋪設完畢,此工藝終止鋪設精度較高,主要是依靠ROV定位設備的測量精度。但是在1 500 m水深完成一次棄管和回收作業,需要焊接棄管封頭,安裝棄管鎖具,張力轉換,將約2 km長的海管完全棄至海底,施工工作量非常大,且施工風險很高,施工效率低。因此,本文提出一種新的工藝技術以解決以上問題。

1 新型深水高精度終止棄管技術

在面對帶有管端結構物或對終止鋪設精度要求較高作業時,傳統工藝采用如下方案。①當海管鋪設距離終止點還有4根管時,不再繼續焊接海管,而焊接臨時棄管封頭進行臨時棄管。②在臨時棄管封頭和絞車纜(AR)間連接棄管纜進行臨時棄管,當海管著泥后,由ROV對海管的端部進行測量,由于終止點的LBL陣的測量范圍在50 m半徑左右,所以要確保海管端部到達海底后要在LBL陣的測量范圍內。③ROV測量得到管端坐標后,得到管端距離終止點的距離,計算出再焊接的管線根數和調整管的長度。④回收管線至作業線,完成鎖具拆除、AR絞車和張緊器的張力轉換,切割棄管封頭等工作。⑤根據測量點定位的數據,計算出后續需要焊接的管線和調整管長度,最后進行管段和調整管的焊接。⑥焊接完所有管線后,在焊接終止封頭連接棄管索具、AR絞車和張緊器的張力轉換進行終止棄管,海管到達海底后,測量確認管端位置是否滿足設計要求[1]。

傳統工藝可以實現高精度的棄管,但是存在以下問題。①需要臨時棄管1次,包括焊接臨時封頭、連接棄管索具、AR絞車和張緊器張力轉換、海管通過張緊器和托管架逐步到達海底,以上工作施工量大并且時間長。②測量完畢后再回收1次,包括海管通過張緊器和托管架從海底返回作業線、AR絞車和張緊器的張力轉換、拆卸棄管索具、切除終止封頭等工作。③棄管和回收過程中施工風險大,在張力轉換環節、海管通過托管架期間,海管沒有張緊器的夾持屬于自由不穩定狀態,海管受力張力變化大,需要從鋪設張力幾十上百噸降低至零,再從零恢復到幾十上百噸,這些都屬于高風險操作,施工風險高,對海況要求高[2]。

本文提出一種新工藝可成功解決以上傳統工藝的難題,不需要臨時棄管就可以實現高精度終止棄管,大大提高了施工安全性和施工效率。新工藝作出以下創新。①除在終止點處增加1套LBL系統外,在海管的著泥點也增加了1套LBL系統,為ROV在測量海管著泥點時提供高精度定位支持。②在海管某節點處外表增加1處標記,并保證此標記到達著泥點時,ROV測量標記處的實際位置,得出標記位置和設計終點位置的直線長度,此時剩余約2～4根海管尚未鋪設,以便有時間準備特定長度調整管。③人工測量海管后標記焊接的每根海管長度,以便ROV測量得出測量點和終止點直線距離后,計算出最后1根不規則的調整管長度。

2 施工流程

新型深水高精度終止鋪設工藝施工流程如圖1所示。

圖1 深水高精度終止棄管施工流程

2.1 安裝設計

在施工前須進行安裝設計,需要確定以下參數。①鋪設時靜態張力。②鋪設時動態張力。③海況適應性分析,得出海管鋪設的允許海況。④海管鋪設疲勞分析。⑤海管懸鏈線長度。⑥海管著泥點與船張緊器距離。⑦剩余2～4根海管完成鋪設時,此時著泥點的位置即為LBL陣安裝位置。⑧ROV在著泥點測量精度。⑨海管長度測量方案。⑩調整管準備方案,可現場預制或提前準備多根不同長度的調整管。在排版圖中確定標記管的編號和節點位置。

以在896 m水深鋪設20寸管線采用水平作業線海管鋪設(S-lay)工藝鋪設為例,經過靜態計算分析得出關鍵參數詳見表1。從表1中得出從著泥點到張緊器的海管懸鏈線長度為1 191 m,再考慮張緊器到1站焊接站的距離約120 m,共計1 310 m,如果采用臨時棄管方案需要將AR纜和海管連接后將1 310 m的海管全部棄置海底,由于正常鋪設時由張緊器夾持為海管提供張力188 t,在通過動態計算考慮船舶在360°各個方向來和各個周期的涌浪,得出船舶可抵抗來至各個方向和周期的多大的涌浪,張緊器具有動態調整的作用,如果船舶因海況晃動劇烈時張緊器可自行調整增大或減小海管的夾持張力,以保證海管的受力安全。但是連接AR纜后鋼纜和海管屬于剛性連接,沒有張緊器的調整能力,如果此時海況惡劣就會導致海管受力188 t瞬間變小或正大增加海管的屈曲風險,且張緊器和AR絞車的大張力轉換時操作風險高,棄管索具通過托管架滾輪等易出現卡頓的風險,所以臨時棄管操作一直屬于海管鋪設中高風險的作業,在惡劣天氣時盡量避免臨時棄管作業[2]。

表1 海管鋪設受力分析參數表

2.2 施工準備

在完成安裝設計后,根據施工方案進行人機料準備。

1)人員方面:準備焊接人員、檢驗人員、防腐人員、標記人員、ROV操作人員、定位人員、海管測量人員、技術工程師。

2)設備方面:準備焊接設備、檢驗設備、防腐設備、ROV設備、USBL設備、LBL設備、激光測量儀。

3)物料方面:準備焊材、防腐材料、標記筆刷、白色防水油漆、LBL架。

2.3 LBL系統安裝

根據施工方案確定ROV在測量標記點時在水下設計位置,然后由潛水支持船(DSV)攜帶LBL支撐架在設計位置就位,一般LBL陣擁有5個定位信標,由DSV船的深水吊機將5個信標架放置在安裝位置,由ROV將支架安裝在海管標記點的周圍,一般以海管標記點為中心形成五邊形,LBL陣布置如圖2所示,安裝支持架完畢后,由ROV將水下定位信標插入支架內,完成所有LBL信標安裝后,由ROV攜帶短基線高精度定位系統(USBL)對每個LBL信標進行校準。然后在終止點的周圍按照同樣的方法安裝1套LBL陣用于最后管端位置的測量。

圖2 最終調整管計算示意圖

2.4 標記點標記

隨著海管持續鋪設,在距離終止鋪設端大概2 km時,要根據安裝設計中海管懸鏈線的長度和ROV實際在著泥點監控位置得到的海管懸鏈線實際長度,經精確計算后在海管特定某根海管節點上使用防水油漆制作標記,此節點的標記要保證標記到達著泥點時,還剩余2～4根海管待鋪設,可以提前標記,但不能晚標記,要根據海管懸鏈線設計值和現場海管懸鏈線的測量值綜合評估,然后確定標記點的位置。

2.5 海管測量

海管標記完成后,需要將標記點后面所有的每根海管長度全部進行精確測量,采用激光測距儀進行逐根測量,并根據每根海管上面的編號查詢出廠時的尺寸信息,然后進行雙重核對,力保現場測量的海管長度數據準確,直至標記點到達著泥點,由ROV對標記點的位置坐標進行測量。

2.6 標記點測量

當標記點到達著泥點后,由ROV攜帶USBL信標對標記位置進行測量,首先確認標記點是否在事先已經安裝的LBL陣內,并確認標記點是否已經通過著泥點并完全著泥穩定,ROV利用周圍的LBL高精度信標對本身攜帶的USBL信標進行校準,多次校準后得到誤差在毫米級的標記點位置,通過此標記點的坐標和設計終點坐標的相對距離,得出標記點后面的海管長度。

2.7 調整管準備

通過對標記的坐標進行測量,可以得出標記點和終止點之間的海管長度L,通過對標記點后面所有海管長度的測量,得出標記點后共鋪設的海管長度為L1,L1需要包含海管下彎段、上彎端和作業線上所有已經焊接的海管,通過L-L1計算得出最后剩余的海管長度L2,詳見圖1中標識,一般L2長度為2～4根標準管(長度12.192 m),然后測量最后2～4根海管的長度,從而計算出最后需要的調整管的長度,如果計算得出的調整管長度和前期已準備的調整管長度偏差不大,差值滿足設計誤差要求,可以不需要現場再臨時制作調整管,可直接使用事先準備的調整管;如已準備的調整管長度不滿足計算要求,則需要將現場標準管切成所需要長度的調整管。

2.8 終止棄管

在確定調整管后,最后將調整管焊接在主管線上,根據最后的管端結構物(PLET)安裝工藝不同,如采用S-lay方式安裝則直接按照計算的長度完成主管線鋪設和終止棄管封頭焊接;如采用船舷側方式安裝,則最后1根海管應是提前預制好的懸掛管和焊接終止棄管封頭,再使用棄管鎖具將終止封頭和AR纜連接,由鋪管船使用AR纜將海管棄至海底,由ROV再次測量確認管端已經進入終止點的LBL陣內,然后測量海管端部的位置與設計終止點的間距,確認間距是否滿足設計誤差的要求,滿足要求后將棄管纜切斷或是將棄管纜和AR纜分離,最終完成終止鋪設,等待后續結構物安裝工作[1]。

3 結束語

采用新工藝的高精度終止棄管技術實現了1 500 m水深海管高精度的終止棄管技術,精度可以達到厘米級,其主要誤差為海管長度人工測量誤差和海底面不平整帶來的誤差。相比原傳統方案,減少了一次臨時棄管和回收的工作,大大提高了海上施工效率,降低了施工風險和海上施工成本。新工藝僅是增加了1套水下長基線高精度定位系統(LBL),在成本增加不大的情況下,完美地解決了傳統工藝在效率、風險和成本上的難題,此工藝可以在深水領域高精度終止棄管的海管鋪設項目中推廣應用。