海洋平臺鋼懸鏈線立管安裝監(jiān)測技術(shù)研究

李麗瑋，何 寧，王 輝

（1.中國石油大學(xué)機械與儲運工程學(xué)院，北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司工程技術(shù)中心，天津300452） ①

海洋平臺鋼懸鏈線立管安裝監(jiān)測技術(shù)研究

李麗瑋1，何 寧2，王 輝2

（1.中國石油大學(xué)機械與儲運工程學(xué)院，北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司工程技術(shù)中心，天津300452）①

為在深海復(fù)雜工況下把平臺立管安裝到位，需對安裝過程進行監(jiān)測。綜合考慮船舶位移、升沉補償、立管吊裝變形，以聲納和遠程操作潛水器（ROV）監(jiān)測系統(tǒng)為技術(shù)支撐，監(jiān)測管線著陸區(qū)位置、懸鏈線形態(tài)、以及海底地形等參數(shù)，指導(dǎo)立管的安裝過程。形成一套完善的鋼懸鏈線立管安裝監(jiān)測技術(shù)，促進我國深海石油的發(fā)展。

海洋平臺；立管；安裝；監(jiān)測

1994年，殼牌公司在墨西哥灣872m水深的張力腿平臺上安裝了世界上第1條鋼懸鏈線立管，至今已經(jīng)有數(shù)十條鋼懸鏈線立管在墨西哥灣、巴西坎普斯灣、北海、挪威海、印度海和西非投入使用。鋼懸鏈線立管集海底管線與立管于一體，一端連接井口，另一端連接浮式結(jié)構(gòu)，無須海底應(yīng)力連接頭或是柔性接頭的連接，極大降低了水下施工量和難度［1］。由于在深水環(huán)境中存在很多不確定因素，管線會受到來自自身的重力、風(fēng)、波浪力、海流作用以及上部附體運動產(chǎn)生的載荷，從而發(fā)生疲勞破壞、扭曲等狀況，如圖1所示。因此要對整個立管的安裝過程進行實時監(jiān)測，以保證成功地安裝整個立管。為了適應(yīng)不同水深的需要，鋼懸鏈線立管出現(xiàn)了不同的結(jié)構(gòu)形式，本文以簡單懸鏈線立管（Simple Catenary Riser）為例（如圖2所示），研究鋼懸鏈線立管（SCR）的安裝監(jiān)測技術(shù)。

圖1 立管發(fā)生破壞與扭曲

圖2 鋼懸鏈線立管

1 監(jiān)測方法

立管在位時，常規(guī)的檢測與監(jiān)測主要是指對SCR懸掛區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)、著陸點應(yīng)力狀態(tài)以及海流流速分布的監(jiān)測［2］。主要的監(jiān)測方法是在鋪管前，把監(jiān)測所用到的傾斜計、應(yīng)變測量儀、加速度計以及海洋環(huán)境測量儀器等監(jiān)測設(shè)備安裝固定在工程船以及管線上，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過連接電纜傳送到平臺上的總控制室中，監(jiān)測人員根據(jù)不同情況下立管的響應(yīng)對立管形態(tài)做出評估。立管安裝監(jiān)測存在的技術(shù)難題是：立管形態(tài)及著陸點位置會隨著安裝過程的進行發(fā)生不斷的變化，給實時精確監(jiān)測帶來一定難度。由于管線在深水環(huán)境中受多重因素影響，安裝過程中更會發(fā)生多種復(fù)雜的響應(yīng)。

本文從3個方面介紹立管的安裝監(jiān)測過程，即海洋環(huán)境，船舶的運動與位置，立管的鋪設(shè)與吊裝。立管鋪設(shè)過程需要監(jiān)測管道在托管架處受力、立管著陸點位置以及懸鏈線的形態(tài)與位置，立管吊裝過程同樣也需要監(jiān)測立管著陸點以及懸鏈線的形態(tài)與位置。根據(jù)以上的簡單敘述，遵循以下思路對立管實時監(jiān)測，即采用DP系統(tǒng)以及聲納監(jiān)測系統(tǒng)，對一系列對象實施監(jiān)測，實時獲得船舶運動情況與位置、著陸區(qū)位置、懸鏈線形態(tài)、海底地形等重要參數(shù)，并進一步分析懸鏈線三維模型，就此實時模型與預(yù)先規(guī)定的理論數(shù)據(jù)進行對比，進而完善模型，及時調(diào)整安裝過程，避免不必要的損失。

2 監(jiān)測對象

沿著陸點（TDP）的應(yīng)力分布復(fù)雜，更大程度上依賴于土壤性能和立管——海床相互作用［3］。準(zhǔn)確確定立管應(yīng)力集中的立管著陸點位置很困難，該位置隨著船舶位置、立管溝和洋流的改變而改變。船舶位置不僅依賴于選定的位置，還由環(huán)境條件（例如，波浪、洋流和風(fēng)速）決定。因此極端事件，例如風(fēng)暴或高洋流中TDP的位置可能與其他位置明顯不同［3］。

2.1 海洋環(huán)境

立管安裝須進行海洋環(huán)境的監(jiān)測，例如風(fēng)、浪、流等情況，避免在惡劣的天氣下進行管線鋪設(shè)，最大限度地保證管線鋪設(shè)過程中的成功。環(huán)境參數(shù)包括風(fēng)速、波速、流速及他們的方向，以及海床的情況。

對于海洋環(huán)境監(jiān)測，在立管安裝之前把一系列的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（如圖3）安裝完畢，安裝過程中，海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測到的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、空氣濕度、海流速度和方向、海水溫度、表層流等環(huán)境參數(shù)不斷地傳輸?shù)戒伖艽系目偪刂剖?，并分析處理這些數(shù)據(jù)，工作人員根據(jù)獲得的有效環(huán)境信息對立管安裝過程做出準(zhǔn)確及時評估，確保立管順利安裝。

圖3 海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)界面

2.2 船舶

深水管線安裝需要使用具有動態(tài)定位功能的安裝船，其定位系統(tǒng)使用了一個高精度的GPS內(nèi)部位置傳感器，可以用來監(jiān)測整個船舶的橫搖、縱搖、垂蕩以及3個方向的轉(zhuǎn)角，從而繪制出船舶高精度的3D位置圖形。動態(tài)定位系統(tǒng)（DP）（如圖4）結(jié)合了船舶位置、鋪設(shè)裝備參數(shù)、立管的特性以及海底鋪設(shè)軌道地形等數(shù)據(jù)，由于海上常有不可預(yù)測的海況發(fā)生，因此必須加強對動態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測，以便在船體位移發(fā)生變化、不利于鋪管時能及時調(diào)整鋪管過程。

圖4 動態(tài)定位系統(tǒng)

2.3 著陸點與懸鏈線

立管的鋪設(shè)與吊裝過程中，由于管線與海床的接觸，在著陸點（TDP）處很容易發(fā)生疲勞、扭曲、碰撞等情況［2］，因此必須對立管TDP處的形態(tài)與位置加以監(jiān)測。并且由于在安裝過程中，TDP的位置是時刻變化的，所以增加了TDP載荷監(jiān)測的難度。同時，為了保證立管按照嚴(yán)格預(yù)定的位置鋪設(shè)與安裝，并且不對管道過載加壓進而損壞管道［2］，還應(yīng)時刻監(jiān)測懸鏈線的形態(tài)與位置。TDP與懸鏈線形態(tài)與位置的監(jiān)測由遠程操作潛水器（ROV）和海底鋪管聲納監(jiān)測系統(tǒng)（PLS）共同完成。TDP處主要監(jiān)測立管的位移、張緊力以及與海床的接觸等情況。因此當(dāng)強大的流動突然發(fā)生時安裝船能夠具備快速的反應(yīng)能力，及時對安裝操作情況做出修正，以確保立管順利鋪設(shè)與吊裝。圖5表示的是立管的TDP及懸鏈線形態(tài)。

圖5 TDP與懸鏈線形態(tài)

2.4 托管架

在立管鋪設(shè)過程中應(yīng)重視對托管架的監(jiān)測，主要是監(jiān)測管線在托管架上的應(yīng)變及偏離角，如圖6所示。在S型鋪管過程中，管道的焊接和焊縫檢測是在鋪管船上以水平方式進行的，之后通過張緊器到達船尾的托管架，由于受到自身管線的重力作用，管線在鋪設(shè)過程中會形成一定的弧度。管道從鋪管船到海床的整體形態(tài)成懸鏈線狀［4］。

圖6 S型鋪管船托管架

3 安裝監(jiān)測實施辦法

采用DP系統(tǒng)以及聲納監(jiān)測系統(tǒng)，對一系列對象實施監(jiān)測，實時獲得船舶運動與位置、著陸區(qū)位置、懸鏈線形態(tài)、海底地形等重要參數(shù)，并進一步分析獲得安裝船以及懸鏈線的三維模型，就此實時模型與預(yù)先規(guī)定的理論數(shù)據(jù)進行對比，進而完善模型，調(diào)整安裝過程，避免不必要的損失。另外，在遇到突發(fā)情況時，該監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要。

在立管安裝過程中采用2個ROV協(xié)助工作，其中1個ROV對安裝過程中時刻變化的TDP和海底地形進行實時監(jiān)測，ROV由輔助船協(xié)助操作。另外1個ROV作為鋪管聲納監(jiān)測系統(tǒng)（PLS）（如圖7）的承載平臺，由1根臍帶纜連接到安裝船上，構(gòu)成聲納ROV監(jiān)測系統(tǒng)（如圖8）對立管安裝過程中懸鏈線形態(tài)、TDP進行實時監(jiān)測。

圖7 鋪管聲納監(jiān)測系統(tǒng)

圖8 聲納ROV監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 立管鋪設(shè)監(jiān)測

ROV對管道進行監(jiān)測時，船舶上顯示監(jiān)測結(jié)果，工作人員據(jù)此及時了解海底管道的情況。圖9為立管鋪設(shè)過程中的監(jiān)測示意圖。

立管鋪設(shè)與吊裝過程中，聲納ROV監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測鋪管船與海床之間的立管的形態(tài)、海底地形以及著陸區(qū)情況，如圖10所示。安裝過程開始時，安裝在鋪管船下方ROV平臺上的電波掃描聲納傳感器開始監(jiān)測船舶與海床之間的管道；聲納傳感器裝置的發(fā)射單元發(fā)射聲信號，檢測從立管反應(yīng)得到的信號；聲納傳感器裝置的接受單元處理反饋信號并通過臍帶光纜傳輸信號到操作平臺，獲得立管的三維模型，從而檢查懸鏈線的形態(tài)是否出現(xiàn)異常，并且確定立管著陸區(qū)的位置［5］。

圖9 立管鋪設(shè)監(jiān)測

圖10 海底畫面

3.2 立管吊裝監(jiān)測

鋪管過程結(jié)束后，安裝船吊裝立管到平臺，圖11為立管吊裝過程中的監(jiān)測，表示工作ROV（如圖12）與聲納ROV監(jiān)測系統(tǒng)共同監(jiān)測立管。聲納系統(tǒng)通過獨特的聲波操控功能向管道懸鏈線多重目標(biāo)同時發(fā)射信號脈沖，獲得船體運動與位置、TDP的形態(tài)與位置以及懸鏈線的位置等數(shù)據(jù)，這些數(shù)字化的目標(biāo)信息不停地反饋到數(shù)據(jù)庫中，通過比較提煉到一個實時的三維模型中，因此得到一個隨著管道鋪設(shè)操作進程不斷實時校正的“著陸點”，著陸點不斷實時地根據(jù)管道鋪設(shè)操作進程進行校正。

圖11 立管吊裝監(jiān)測

圖12 工作ROV

4 結(jié)論

1） 通過對國內(nèi)外監(jiān)測技術(shù)的研究，結(jié)合環(huán)境、船舶運動、立管鋪設(shè)與吊裝3方面因素，提出了鋼懸鏈線立管安裝時的監(jiān)測技術(shù)，能有效地控制各種隨機因素，保證立管安裝過程的順利進行。

2） 立管監(jiān)測技術(shù)是基于立管在位時的靜態(tài)監(jiān)測，安裝過程實時監(jiān)測技術(shù)并未成熟。本文首次提出了聲納ROV監(jiān)測技術(shù)，在立管鋪設(shè)與吊裝過程中實時監(jiān)測懸鏈線形態(tài)、TDP位置、海底地形等安裝參數(shù)。

3） 實時監(jiān)測技術(shù)對安裝過程中立管所受的應(yīng)力與應(yīng)變的監(jiān)測存在一定的局限性。

4） 鋼懸鏈線立管逐漸成為深海石油平臺立管發(fā)展的主趨勢，聲納ROV監(jiān)測技術(shù)對解決鋼懸鏈線立管安裝過程中的技術(shù)難題起到一定幫助。

5） 本文所做研究未與試驗相結(jié)合，對安裝過程中立管自身強度的研究相對保守。

［1］ 王 毅，段夢蘭，李麗娜，等.深水立管安裝技術(shù)進展［J］.石油礦場機械，2009，38（6）：5－8.

［2］ Roderick Y E，Scientific M S，Craig R C，et al.Load Monitoring at the Touchdown Point of the First Steel Catenary Riser Installed in a Deepwater Moored Semisubmersible Platform［G］.Offshore Technology Conference，Houston，USA：OTC，1999.

［3］ Metin Karayaka，Ph D.Steel Catenary Riser Response Characterization With on－Line Monitoring Devices［G］.International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering.Honolulu，Hawaii，USA：OMAE，2009.

［4］ Dominique Perinet，Acergy France，Ian Frazer，et al.Strain Criteria for Deep Water Pipe Laying Operation［G］.Offshore Technology Conference.Houston，USA：OTC，2008.

［5］ David A M.Subsea pipeline touchdown monitoring［G］.United States，Patent Application Publication，US 2004／0013471A1.Jan.22，2004.

Monitoring Technology of Installation of Offshore Platform Steel Catenary Riser

LI Li－wei1，HE Ning2，WANG Hui2
（1.College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing102249，China；2.Engineering Technology Center，COOEC，Tianjin300452，China）

On the basis of complex natural environment，this paper researchs vessel motion，heave compensation of ship location and riser shape while laying and lifting.With the main ponit－ROV sonar monitoring system，study around touch down point of pipeline，steel catenary riser shapes and seabed topography were made.And then these paraments to guide analysis of riser installation process was used.Finally complete monitoring technologies for steel catenary riser installation was formed，to provide technical support for the development of offshore oil and innovation of monitoring technology for riser installation in China.

offshore platform；riser；installation；monitor

1001－3482（2011）08－0019－05

TE95

A

2011－02－23

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“深水海底管道鋪設(shè)技術(shù)”（2006AA09A105）

李麗瑋（1986－），女，河北衡水人，碩士研究生，主要從事安全檢測與監(jiān)測、海洋立管方面的研究，E－mail：weiweidaolai1986＠126.com。