2×8000 t半潛起重鋪管船鋪管系統(tǒng)研究

程 峰

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

隨著中國海洋石油天然氣工業(yè)的發(fā)展，越來越多的油氣資源在水深超過500 m的深水區(qū)被勘探發(fā)現(xiàn)［1］。作為海洋石油開發(fā)的重要組成部分，深水鋪管船在深水油氣開發(fā)中有很廣泛的用途。

我國目前使用的鋪管船大多船齡偏大、作業(yè)水深較淺、作業(yè)效率低，新裝備的鋪管船數(shù)量有限，鋪管水深受限制，如中海油“藍(lán)疆號(hào)”起重鋪管船、2009年度剛剛交付中海油的“海洋石油202”，鋪管水深均小于300 m，主要用于環(huán)渤海灣及南中國海淺水區(qū)的鋪管施工。為了解決我國海洋石油深水區(qū)的油氣開發(fā)中的技術(shù)問題，中國船舶集團(tuán)公司第七○八研究所對一型“2×8000 t半潛起重鋪管船”進(jìn)行船型開發(fā)。本文對該船鋪管作業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

1 “2×8000 t半潛起重鋪管船”簡介

該船為半潛型自航起重/鋪管工程船，可航行于無限航區(qū)，并可在滿足作業(yè)環(huán)境條件的海區(qū)作業(yè)，主要用于海洋工程的吊裝、鋪管等作業(yè)。該船上甲板尾部左右各設(shè)1臺(tái)最大起重能力為8000 t回轉(zhuǎn)起重機(jī)，首部設(shè)居住艙室及直升飛機(jī)起降平臺(tái)。鋪管作業(yè)線設(shè)于主甲板下，沿船體中心線按自首向尾的作業(yè)流程布置。主甲板設(shè)管子堆場，最少能堆600根?1524 mm（含配重層）、長度12.2 m的管子，配備固定基座式起重機(jī)和門吊，用于管子的吊裝。

主要性能參數(shù):

2 鋪管系統(tǒng)設(shè)備的布置

該船中間甲板鋪管設(shè)備布置圖見圖1。船中主作業(yè)線共設(shè)10個(gè)作業(yè)站，其中5個(gè)為焊接站、1個(gè)NDT和修理站、4個(gè)涂敷站。在主作業(yè)線兩側(cè)設(shè)雙節(jié)管預(yù)制線，每個(gè)雙節(jié)管預(yù)制線設(shè)2套外部焊接站，1套內(nèi)/外部組合式焊接站，1套NDT和修理站以及其他輔助設(shè)備。

主甲板鋪管布置圖見圖2。主甲板兩舷設(shè)管子吊機(jī)，用于將運(yùn)管船上的管子過駁。主甲板兩側(cè)設(shè)管子堆場，堆場上有用于管子搬運(yùn)用的門吊，兩側(cè)堆場中間的船中設(shè)背負(fù)式鋪管線，背負(fù)式鋪管線上配3個(gè)焊接站、1套NDT和修理站。主甲板靠船首方向設(shè)背負(fù)線下放至主作業(yè)線的甲板開口。

3 鋪管張力計(jì)算

鋪管分析根據(jù)“DNV OS-F101 Submarine Pipeline Systems”（January 2000）來計(jì)算。 根據(jù)規(guī)范要求，鋪管靜態(tài)張力中管線上彎段最大總應(yīng)力≯85%SMYS（規(guī)定的最小屈服應(yīng)力），管線下彎段最大總應(yīng)力≯72%SMYS；動(dòng)態(tài)張力中管子總應(yīng)力≤96%的 SMYS［2］。 按照管材X-65進(jìn)行鋪管計(jì)算分析，當(dāng)工作水深為3000 m，管子規(guī)格為 16.00″×1.125″，空管的鋪管計(jì)算分析結(jié)果見表1。

表1 工作水深3000 m鋪管分析

當(dāng)工作水深為 300 m，管子規(guī)格為 24″×0.812″，混凝土配重下的鋪管計(jì)算分析結(jié)果見表2［3］。

表2 工作水深300 m鋪管分析

根據(jù)以上鋪管分析計(jì)算結(jié)果，在3000 m工作水深最大鋪管管徑為16 in（0.41 m），管子張力最大600 t，即鋪管作業(yè)時(shí)采用動(dòng)力定位時(shí)考慮尾部管子張力為600 t；在300 m工作水深時(shí)結(jié)合錨泊定位能力考慮，鋪設(shè)24 in（0.61 m）管子時(shí)最大張力為300 t。鋪管設(shè)備按照最大的張力計(jì)算值進(jìn)行選型，即選擇3臺(tái)200 t張緊器和1臺(tái)600 t的A&R絞車。

4 鋪管設(shè)備配置與選型

4.1 管子移運(yùn)起重機(jī)

在主甲板左、右舷各安裝一臺(tái)基座式起重機(jī)，用于管子和其他補(bǔ)給品的吊裝。起重機(jī)額定起吊能力為80 t×30 m，起重機(jī)功能如下:

（1）從補(bǔ)給駁船移運(yùn)單或雙節(jié)管至主甲板堆場；

（2）從補(bǔ)給駁船移運(yùn)單或雙節(jié)管至主甲板橫向傳輸裝置；

（3）從補(bǔ)給駁船移運(yùn)單或雙節(jié)管至主甲板固定式縱向傳輸滾輪；

（4）其他補(bǔ)給品的船內(nèi)外吊裝。

4.2 門吊

兩臺(tái)門吊左右舷對稱安裝于主甲板堆管區(qū)域，用于管子及其他設(shè)備的移運(yùn)。門吊額定起吊能力為50 t，每臺(tái)門吊功能如下:

（1）從固定傳輸滾輪上吊運(yùn)單或雙節(jié)管至堆場；

（2）從管子堆場吊運(yùn)單或雙節(jié)管至主甲板上的橫向傳輸設(shè)備；

（3）其他設(shè)備在船舶內(nèi)部的吊裝。

4.3 主作業(yè)線上設(shè)備

主作業(yè)線是管子直接從鋪管作業(yè)線下到海底的關(guān)鍵設(shè)備，主作業(yè)線工作區(qū)域劃分為A&R絞車區(qū)、對中區(qū)、焊接區(qū)、檢驗(yàn)/修理區(qū)、管子張緊區(qū)、涂敷區(qū)及托管架設(shè)備，主作業(yè)線設(shè)備配置如下:對中區(qū)域設(shè)備包括用于管子粗對中的對中滾輪、用于主作業(yè)線上管線末端支撐的自由支撐滾輪、以及用于管子精對中和第一道焊縫焊接用的內(nèi)對中器及氣動(dòng)絞車；焊接區(qū)域配備了管子預(yù)熱系統(tǒng)、5套雙節(jié)管外部焊接站、焊接保護(hù)氣體分配系統(tǒng)、焊接變流器、焊接移動(dòng)平臺(tái)，焊接區(qū)附近設(shè)焊接設(shè)備維修間和焊材庫等。檢驗(yàn)/修理站設(shè)在第二、三張緊器之間，張緊器后設(shè)有涂敷站點(diǎn)。主作業(yè)線上方配連續(xù)的行車系統(tǒng)，用于設(shè)備及管線的安裝和維修。

該船配備了3臺(tái)額定拉力為200 t的電動(dòng)張緊器。張緊系統(tǒng)可以在鋪管監(jiān)控設(shè)備和DP監(jiān)控設(shè)備上進(jìn)行控制，在管子末端相應(yīng)配置了一臺(tái)額定拉力為600 t的A&R絞車，絞車包含測量滑輪系統(tǒng)和鋼索儲(chǔ)存卷筒，用于在海況惡劣時(shí)棄管和恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)的管線收復(fù)工作。

托管架安裝在船尾，用于支撐管線離開船尾后的上彎段。托管架為固定式，兩鉸接點(diǎn)鉸接在船尾。鉸接點(diǎn)同艉部結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，與艉封板完全平齊。托管架裝配有完整的托管架調(diào)節(jié)系統(tǒng)。托管架的起升以及托管架的彎曲半徑調(diào)整，通過上甲板上的2臺(tái)起升絞車和導(dǎo)向滑輪完成。

4.4 雙節(jié)管預(yù)制線設(shè)備

主作業(yè)線兩側(cè)各配一套雙節(jié)管預(yù)制線設(shè)備，每套雙節(jié)管預(yù)制線系統(tǒng)包括4套管子表面處理系統(tǒng)、2套管子預(yù)熱系統(tǒng)、1套對中站、2套外部焊接站、1套內(nèi)/外部組合式焊接站、1套NDT和修理站、焊接變流器、管子輸送機(jī)等設(shè)備，雙節(jié)管預(yù)制線上方配連續(xù)的行車系統(tǒng)，用于設(shè)備及管線安裝和維修。

4.5 背負(fù)式作業(yè)線設(shè)備

在上甲板上布置有背負(fù)式鋪管線，該作業(yè)線主要設(shè)備包括3個(gè)焊接站，1套NDT和修理站等設(shè)備，在主作業(yè)線張緊器后的上甲板需留有足夠的艙口開口，用于背負(fù)式鋪管線設(shè)備下至主作業(yè)線上方后經(jīng)綁扎一起鋪設(shè)至海底。

4.6 托管架控制室

船尾設(shè)置托管架控制室，控制室的布置有利于對托管架的控制視野。

托管架上最后一個(gè)滾輪旁設(shè)置一套測深儀，并可遠(yuǎn)傳至托管架控制室。船尾也將安裝聲納裝置，以測量船尾的吃水，測量數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)傳于托管架控制室。

在托管架控制室設(shè)置有一套三維監(jiān)視控制托管架位置的面板，可以顯示最后一個(gè)滾輪的吃水、負(fù)載的數(shù)值。在托管架控制室和敷管控制室均設(shè)用于托管架最后一只滾輪工作狀況的監(jiān)視器。

4.7 鋪管控制室

在橋樓甲板上設(shè)有主作業(yè)線的控制室。控制臺(tái)上設(shè)有模擬板，通過電視監(jiān)視器和模擬板上紅色和綠色指示燈顯示所有張緊器、A&R絞車、對中裝置和艉部滾輪的工作狀態(tài)?？刂婆_(tái)可以顯示船舶縱傾、橫傾、吃水、風(fēng)速和風(fēng)向。

主作業(yè)線上的工作站通過控制臺(tái)進(jìn)行控制，配備有聲光警告系統(tǒng)。當(dāng)主作業(yè)線上管節(jié)移動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警。

5 鋪管系統(tǒng)作業(yè)效率

5.1 鋪管作業(yè)工作流程

鋪管作業(yè)中管子需要進(jìn)行的作業(yè)流程為:舷側(cè)吊機(jī)將管子從運(yùn)輸船上吊裝至主甲板上的管子橫向輸送線→管子經(jīng)橫向輸送至升降機(jī)、下放至中間甲板的雙節(jié)管預(yù)制線上的橫向輸送機(jī)→坡口加工→消磁、加熱→對中→3個(gè)站點(diǎn)的單節(jié)管焊接→檢驗(yàn)（不合格在下一站返修）→主作業(yè)線橫向輸送機(jī)→主作業(yè)線對中前消磁加熱→主作業(yè)線對中→5個(gè)站點(diǎn)的雙節(jié)管焊接→檢驗(yàn)/返修→經(jīng)3臺(tái)張緊器張緊→管子涂敷后經(jīng)托管架輸送至海底。

其中同時(shí)進(jìn)行的另一個(gè)作業(yè)線是主甲板上的背負(fù)式作業(yè)線。小型管道經(jīng)過吊裝，橫移至背負(fù)式作業(yè)線，并經(jīng)焊接檢驗(yàn)/返修，從主甲板尾部艙口（主作業(yè)線涂敷站上方）下放至主作業(yè)線，與涂敷后的主作業(yè)線一起綁扎后隨主管道一起下放至海底。

5.2 影響鋪管作業(yè)流程的關(guān)鍵因素

鋪管系統(tǒng)的作業(yè)效率受很多因素的影響。鋪管作業(yè)流程包括管子從運(yùn)管船往鋪管船上吊運(yùn)開始，直至管子通過托管架下放至海底為一個(gè)大的工作循環(huán)。鋪管作業(yè)線就是在船上布置了一套作業(yè)流水線，流水線的作業(yè)效率高低取決于整個(gè)流水線的設(shè)備配置、工藝流程的編制、以及船舶定位等影響。在整個(gè)流水線的工作過程中，焊接站的數(shù)量、焊接設(shè)備的先進(jìn)程度、焊接人員的素質(zhì)是影響鋪管系統(tǒng)作業(yè)效率的關(guān)鍵因素。

主作業(yè)線上各站點(diǎn)的工作時(shí)間直接決定了鋪管船的作業(yè)效率。并且為了使整個(gè)鋪管作業(yè)流程順利進(jìn)行，每個(gè)工序的工作時(shí)間必須小于主作業(yè)線焊接站速度最慢的焊接站所花費(fèi)的時(shí)間。需要考慮設(shè)備配置的原則是雙節(jié)管預(yù)制線作業(yè)效率對主作業(yè)線作業(yè)效率而言應(yīng)該有一定的余地；其次，由于背負(fù)式作業(yè)線所鋪管徑相對小很多，焊接速度大大高于主作業(yè)線的工作速度，故背負(fù)式作業(yè)線的工作時(shí)間只要滿足稍快于主作業(yè)線的工作時(shí)間即可。因此，提高主作業(yè)線的工作效率是鋪管船設(shè)計(jì)與鋪管設(shè)備配置的最主要因素。而主作業(yè)線上的10個(gè)作業(yè)站中，焊接站的工作效率是關(guān)鍵因素。

由于船舶的縱向長度受限制，主作業(yè)線的長度與船長緊密聯(lián)系。對于要求鋪管速度較高的專業(yè)鋪管船而言，應(yīng)該考慮雙節(jié)管的鋪管作業(yè)工況以最大程度地提高鋪管速度；同時(shí)，海洋管道直徑一般從6″～60″（6～60 in），甚至更大，為了提高作業(yè)速度，一般采用雙火炬焊接的自動(dòng)焊系統(tǒng)。一般大型鋪管船的設(shè)計(jì)時(shí)考慮鋪管效率和船體性能及建造成本，船舶主尺度一般滿足5個(gè)雙節(jié)管焊接站以上的設(shè)備布置，即無論是船型或半潛式鋪管船，如要達(dá)到較高的作業(yè)效率，船長方向的尺度基本可以確定在220 m左右；如需布置6～7個(gè)雙節(jié)管焊接站，整個(gè)船長需相應(yīng)增加24 m或48 m。不過從鋪管船整體市場看，船長在220 m左右比較經(jīng)濟(jì)。

因此，世界上相應(yīng)的焊接設(shè)備供應(yīng)商在提供鋪管船焊接設(shè)備時(shí)，一方面開發(fā)了多火炬頭焊接系統(tǒng)，同時(shí)，提供施工方設(shè)備時(shí)提供不同管徑、厚度的鋼管焊接施工工藝流程，如根據(jù)幾個(gè)焊接站，一個(gè)坡口需要多少道焊縫，每站焊接時(shí)完成幾道焊縫，焊接設(shè)備供應(yīng)商在提供設(shè)備的同時(shí)提供了焊接設(shè)備控制編程程序，根據(jù)焊接站數(shù)量、管徑大小、壁厚、材質(zhì)制訂有多達(dá)三十多種焊接程序，如世界上最先進(jìn)的管道焊接設(shè)備供應(yīng)商有法國的SERIMER公司和美國的CRC公司，特別是SERIMER公司在海洋工程中應(yīng)用最廣泛。如SERMER公司針對鋪管船上管徑?30″、壁厚17.5 mm的鋼管，開深U型坡口共需進(jìn)行9道焊縫，可以通過5個(gè)焊接站進(jìn)行的5輪焊接作業(yè)完成一個(gè)焊縫的焊接工作，把5輪焊接工作均勻分配至5個(gè)焊接站點(diǎn)，在最長時(shí)間的焊接站完成焊接和打磨等工作后進(jìn)行移船操作，達(dá)到最高的作業(yè)效率。焊接作業(yè)的時(shí)間還包括將焊頭固定在導(dǎo)軌以及打磨等步驟。根據(jù)焊接設(shè)備供應(yīng)商的焊接流程，焊接作業(yè)都是均勻分布在焊接站里的，從而使焊接站之間的操作保持平衡。

5.3 鋪管速度的計(jì)算

鋪管速度決定于主作業(yè)線關(guān)鍵站點(diǎn)工作時(shí)間、移船時(shí)間以及管子維修時(shí)間。主作業(yè)線上關(guān)鍵站點(diǎn)根據(jù)焊接施工工藝流程的不同也會(huì)有所不同，但主要是第一站點(diǎn)對中/夾緊和根焊時(shí)間，或分配至其他焊接站的焊接和打磨時(shí)間（有的焊接站需要完成兩道焊縫）。鋪管速度計(jì)算所需要時(shí)間如下:

（1） 移船時(shí)間:1～1.5 min；

（2）焊接作業(yè)時(shí)間。

表3是中海油藍(lán)疆號(hào)48″管在焊接施工過程中5個(gè)焊接站的工作時(shí)間。

表3 焊接站作業(yè)時(shí)間

從表中看到，第4焊接站的作業(yè)時(shí)間還超過了第一站管子組對和焊接的時(shí)間，主要是因?yàn)楦亢附雍傅酪蟛桓?，因此所需時(shí)間不多。

（3） 返修時(shí)間

在5個(gè)焊接站完成焊接工作后進(jìn)行焊縫探傷工作，根據(jù)焊接設(shè)備的性能以及材質(zhì)的焊接難易程度、焊接質(zhì)量，即返修率一般考慮在平均生產(chǎn)率估算內(nèi)（2%～3%）。

綜合以上三點(diǎn)因素，鋪管速度的計(jì)算見表4。

表4 鋪管速度計(jì)算結(jié)果

綜上所述，提高鋪管作業(yè)速度主要取決于焊接站的最大作業(yè)時(shí)間，提高的方向在于增加焊接站數(shù)量，或合理分配好各個(gè)站點(diǎn)的焊接時(shí)間。

6 結(jié) 論

本文介紹了“2×8000 t半潛起重鋪管船”鋪管系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況，以及鋪管系統(tǒng)的工作流程；同時(shí)對鋪管系統(tǒng)的張力和鋪管效率的計(jì)算原則進(jìn)行了初步探討，使讀者對鋪管船作業(yè)系統(tǒng)特點(diǎn)有一定的認(rèn)識(shí)和了解，達(dá)到相互探討、共同提高的目的，為鋪管船鋪管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加優(yōu)化提供參考。

［1］宋儒鑫.深水開發(fā)中的海底管道和海洋立管［Z］.船舶工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息.2003.06.

［2］Offshore Standard DNV-OS-F101［S］.Submarine Pipeline System.2000.

［3］Pipelay Capability Study.RPT-SM-PL-1028［Z］.BTHL Technology （Beijing） LTD.