深水海底管道J型鋪設(shè)工藝及設(shè)備研究

楊 偉，葉 茂，何 寧，段夢蘭，劉 偉，王 懿

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249） ①

我國南海深水區(qū)域蘊藏著豐富的石油和天然氣資源，是我國深水開發(fā)的重點區(qū)域。目前，適用于深水海底管道鋪設(shè)的方法主要為S-Lay和J-Lay。由于S-Lay的鋪管特點，使得管道在上彎段產(chǎn)生較大的塑性變形，為彌補該缺陷就需要相應(yīng)增大托管架和張緊器能力，從而限制了S-Lay的適用水深。J型海底管線鋪設(shè)法是一種將管線接近垂直的形態(tài)下放到海床上的管線鋪設(shè)方法。由于該鋪設(shè)方法所需的管線張力小、鋪設(shè)過程中管線懸掛長度小、鋪設(shè)后管線殘余應(yīng)力小等優(yōu)點，被認(rèn)為是深水和超深水管線鋪設(shè)的最適用方法［1－4］。典型的J型鋪設(shè)方法如圖1所示。

圖1 典型的J型鋪設(shè)方法

對于不同的J型鋪管船，J型鋪設(shè)系統(tǒng)組成不盡相同，典型的J型鋪設(shè)系統(tǒng)包括：J型鋪設(shè)塔、管段裝載裝置、管段對中站、焊接站、NDT（Non-Destructive Testing，無損檢測）站、涂裝站、張緊器、管線夾持機構(gòu)、A＆R絞車、管線監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)今國際上先進(jìn)的J型鋪管船主要有Saipem 7000、DCV Balder等，其典型的J型鋪管系統(tǒng)如圖2～3所示。表1給出了這2艘船鋪管系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)對比［5－6］。

圖2 Saipem 7000鋪管船及其鋪設(shè)系統(tǒng)

圖3 DCV Balder鋪管船及其鋪設(shè)系統(tǒng)

表1 Saipem7000和DCV Balder J-Lay系統(tǒng)對比

本文將分別從鋪管設(shè)備、鋪設(shè)工藝、鋪設(shè)監(jiān)測3個方面對J型鋪管法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 J型鋪設(shè)關(guān)鍵設(shè)備

J型鋪設(shè)系統(tǒng)主要由管段水平傳輸系統(tǒng)、鋪設(shè)塔、張緊器、焊接站、對中器、角度調(diào)節(jié)器等設(shè)備組成。

1.1 管段水平傳輸系統(tǒng)

管段的水平傳輸系統(tǒng)由多組V形滾輪組成，組件采用從動／主動滾輪的組合形式。組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮到起重機或升降機把管段放到傳輸機上時的沖擊載荷；同時也應(yīng)考慮船的運動。每一個縱向傳送裝置的設(shè)計垂直載荷＞200kN；管段移動的最大速度為1.0m／s。

1.2 鋪設(shè)塔

管線的J型鋪設(shè)由安裝在鋪管船上J型鋪設(shè)塔完成。大型的J型鋪管塔約100m高（例如Saipem 7000型船的塔高130m，DCV Balder型船的塔高101m），安裝位置也有不同，既可以安裝在船尾，也可以安裝在船中，還可以安裝在左舷或右舷的中間某一位置，具體視情況而定（如圖2～3所示）。為保證船體的穩(wěn)定，鋪管塔結(jié)構(gòu)設(shè)置為上部“桁架結(jié)構(gòu)”和下部“箱形結(jié)構(gòu)”，盡可能地減輕其質(zhì)量，降低垂心。此外，鋪管塔也可以采用由液壓缸支撐，通過調(diào)節(jié)液壓缸可以改變鋪管塔的高度。

1.3 張緊器

張緊器是海底管道鋪設(shè)系統(tǒng)的核心部分之一。張緊器能起到固定管線的作用，使得鋪管塔上的焊接作業(yè)能正常進(jìn)行；張緊器還能控制管線張力，使得鋪管船在波動或是風(fēng)浪的作用下，管線的張力能保持在允許值范圍內(nèi)，避免管線超過許用應(yīng)力而破壞［7－8］。典型的張緊器如圖4所示。

圖4 履帶式張緊器

1.4 焊接站

J型鋪設(shè)系統(tǒng)上采用旋轉(zhuǎn)焊接站（如圖5）完成管段的焊接作業(yè)。旋轉(zhuǎn)焊接站實際上是一個自動的焊接工作站，所有的焊接設(shè)備和所消耗的焊料都被放到該工作站上。隨著圓盤旋轉(zhuǎn)，焊點也跟著旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)均勻焊接。焊接圓盤完全有能力在垂直方向和水平方向運行。預(yù)熱、焊接、無損檢測和涂料是在焊接站內(nèi)完成的。

圖5 旋轉(zhuǎn)焊接站

1.5 對中器

管道對中器分為外部對中器和內(nèi)部對中器（如圖6～7所示）。對中器用以實現(xiàn)管段之間的精確對中，保證焊接的質(zhì)量。

圖6 內(nèi)部對中器

圖7 外部對中器

1.6 角度調(diào)節(jié)器

J型鋪管塔一般并不是處于垂直位置，它與水平面之間的角度大小決定了鋪設(shè)管道的入水角度，而鋪管塔的角度由鋪設(shè)管徑和水深共同決定。使用鋪管塔角度調(diào)節(jié)器不僅能調(diào)節(jié)塔臺的角度，還能對塔臺起到一定的支撐作用，Saipem7000和DCV Balder分別采用卡孔式角度調(diào)節(jié)器和液壓缸式角度調(diào)節(jié)器2種，如圖2～3所示。

1.7 A＆R絞車

A＆R 絞 車 （即 Abandonment ＆Recovery Winch）是鋪管船上的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于鋪管過程中遭遇大風(fēng)浪無法進(jìn)行鋪管作業(yè)時的棄管，以及過后重新鋪管時的收管；也可用于其他拖曳和起重等輔助工作。隨著鋪管水深的增加，對A＆R絞車的張力及儲纜能力也不斷增加［9－10］。

2 深水J型鋪設(shè)工藝

不同的鋪設(shè)系統(tǒng)所對應(yīng)的鋪設(shè)工藝稍有差異，常用的J型鋪設(shè)流程如圖8所示。

圖8 J型鋪設(shè)流程

2.1 鋪設(shè)前期準(zhǔn)備

在J型鋪設(shè)作業(yè)實施之前，應(yīng)對海床情況進(jìn)行探測，以便找出一條能繞開崎嶇的海底地形，保證管線安全的鋪管路線。通過海床探測系統(tǒng)（例如，長基線水下聲波定位系統(tǒng)、雙探頭多波束感應(yīng)器等）制作出海床的三維立體模型，以便選擇合理的鋪管路徑，并針對海床情況對路徑進(jìn)行必要的處理以盡量減少海管的自由懸跨。各種海床處理方法包括定位、礫石去除、挖泥、挖溝、犁、填石和開渠［11］。

海管鋪設(shè)前應(yīng)進(jìn)行管道的預(yù)制。海管在深海中處于高壓、高腐蝕的環(huán)境，同時在鋪設(shè)過程中承受著彎曲及較大的徑向壓力和軸向拉力的作用，因此在管線制作過程中應(yīng)嚴(yán)格控制管線的各種幾何尺寸。海管一般由鋼板卷曲焊接而成，其外層由混凝土及鋼筋網(wǎng)保護(hù)并加強，金屬外層上加有瀝青砂膠涂層或者環(huán)氧涂層及犧牲陽極，當(dāng)管道傳輸腐蝕性流體時，同樣金屬內(nèi)壁上加有防腐涂層。海底管道結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 海底管道結(jié)構(gòu)形式

在管道加工完以后，每根管道都必須有特定的編號，指定放在管線存儲區(qū)域的特定位置。鋪管作業(yè)時管段將通過起重機轉(zhuǎn)運到管線補給船上，并由其運輸?shù)戒伖艽?。補給船停靠到鋪管船后，管線將由鋪管船上的吊機起吊，轉(zhuǎn)運到鋪管船上的存儲區(qū)域。

2.2 管線鋪設(shè)流程

在起始鋪設(shè)之前，應(yīng)根據(jù)鋪設(shè)管徑、水深等因素對鋪設(shè)塔角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足鋪管角度要求。由于J型鋪設(shè)塔中只有1～2個工作站，嚴(yán)重影響鋪設(shè)速度，因此預(yù)先將多段雙節(jié)點管段在加工場地連接成4或6節(jié)點管段后再進(jìn)入J型鋪設(shè)系統(tǒng)［12］。該多節(jié)點管段由駁船吊運至甲板上的堆管區(qū)域進(jìn)行存儲的同時，鋪管船上的吊運小車不斷地將待鋪設(shè)的管段吊運至坡口站進(jìn)行管線端部的清潔、預(yù)熱及坡口處理，并嚴(yán)格控制坡口形式及尺寸。處理完的第1根管段通過水平傳輸系統(tǒng)及裝載臂向J型鋪設(shè)塔上傳遞。該過程如圖10～11所示。

圖10 管線開坡口過程

圖11 裝載臂傳輸過程

管段在裝載臂的轉(zhuǎn)動下到達(dá)垂直位置以后，鋪設(shè)塔上的傳送臂會從塔臺上部下移至底部，精確定位后，傳送臂夾具夾持住待鋪管段，裝載臂松開管段并恢復(fù)水平位置。傳送臂夾住管段上行至塔臺終端停止，準(zhǔn)備由轉(zhuǎn)動軸接收管段。轉(zhuǎn)動軸通過夾具接收管段后，將其旋轉(zhuǎn)到流水線的中央，在管線外部對中器夾持下下放管段到旋轉(zhuǎn)焊接站。

管段進(jìn)入焊接站后，采用內(nèi)部對中器與已存在管段對中。對中完成后，2根管段通過全自動焊接站完成打底焊、填充焊、蓋面焊等，焊接在一起。焊接完成后，管段通過履帶式張緊器下放，此時管線的重力由張緊器承受。

當(dāng)管段的焊接節(jié)點到達(dá)位于張緊器下端的檢測工作站之后，將采用 AUT（Automatic Ultrasanic Testing，全自動超聲波檢測）對焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測并進(jìn)行相應(yīng)記錄。如果管道焊接存在缺陷，需要立即進(jìn)行修復(fù)，在修復(fù)完成后再次進(jìn)行檢測以確保管道焊接無缺陷。

在焊接和NDT完成并復(fù)核后，管段被繼續(xù)下放到涂裝站以完成涂裝作業(yè)。在涂裝站內(nèi)將對管線進(jìn)行清潔、預(yù)熱、涂層、安裝套筒、注入粘合劑等操作。涂裝的主要作用是防止管線節(jié)點連接處被海水腐蝕，保證管線的耐久性及安全性。涂裝過程如圖12所示。

圖12 管道節(jié)點涂裝過程

管線在鋪設(shè)過程中應(yīng)由管線記錄人員檢查并記錄管道長度、外徑、壁厚和涂層狀況。一旦管節(jié)點下放入水，管道跟蹤是能找回節(jié)點信息的唯一方法。

2.3 起始鋪設(shè)

在下放第1根管段之后，需要在管段的底端安裝起始PLET，該過程為J型起始鋪設(shè)。深水區(qū)域管線起始鋪設(shè)與淺水區(qū)域起始鋪設(shè)不同，深水起始鋪設(shè)采用吸力錨代替起始錨作為起始纜的固定點，PLET通過起始纜與吸力錨連接，從而達(dá)到固定PLET的作用。起始過程如圖13。

1） 安裝起始吸力錨。

2） 張緊器向上提升管段，并且只用上部的張緊器夾住管線，下部的張緊器張開給PLET提供足夠的空間，并在底部管線端頭焊接上法蘭，并對焊縫進(jìn)行檢測及涂裝處理。

3） 在吊機的輔助下將PLET放在管線下面，安裝彎曲控制器和陽極，使PLET上部和管線端部的法蘭相連接，PLET另一端連接A＆R纜繩。

4） 張緊器向下下放管段，同時下放PLET和浮筒。

5） 連接后續(xù)管段，持續(xù)下放PLET及浮筒，直到浮筒下放過飛濺區(qū)。

6） 當(dāng)管段上焊接了3個管段時，重新調(diào)整推進(jìn)器，并將鋪管船調(diào)整到正常鋪管模式。

7） 下放PLET直到接近海床。

8） 利用纜繩將PLET拉至水平狀態(tài)。

9） 打開PLET的基座，準(zhǔn)備PLET著陸。

10） PLET降落至指定位置，初步檢查PLET的位置、朝向等。

11） 將PLET與吸力錨連接。

圖13 起始PLET下放過程

在起始安裝時，吸力錨及PLET上均應(yīng)安裝應(yīng)答器，以便確定安裝后的位置，當(dāng)確定安裝坐標(biāo)后可將應(yīng)答器移除。

2.4 正常鋪設(shè)

在PLET下放到海床上之后，鋪管作業(yè)即進(jìn)入正常鋪設(shè)階段。在該作業(yè)階段，海底管道在鋪管船的作業(yè)線上被一根一根地焊接起來，然后通過向前移動鋪管船將海管鋪設(shè)到海底。此過程中重復(fù)完成管線的運輸、提升、焊接、檢驗、涂裝過程。在鋪管作業(yè)期間，張緊器的上下履帶夾住管道并通過其自動控制系統(tǒng)向鋪設(shè)中的管道提供一個恒定的張力，保證管道安全地鋪至海底。鋪設(shè)過程中，每根管段的信息（例如焊接點號、管段號、爐號、長度、焊工號、NDT結(jié)果、返修長度及返修時間等）均被一一記錄以備后期檢查。

此外在正常鋪設(shè)階段，對于可能產(chǎn)生渦激振動的區(qū)域，為了提高管線的使用壽命，防止疲勞破壞，應(yīng)對該區(qū)域管段安裝渦激振動抑制裝置。典型的渦激振動抑制裝置如圖14所示。

圖14 渦激振動抑制裝置

在正常鋪設(shè)階段，由于管線在海面處張力較大且相應(yīng)的外部壓力較小，隨著管線向下的延伸壓力增加，張力減小，使得管線在垂彎段有較大的外部壓力和彎曲。為防止管線發(fā)生屈曲應(yīng)在管線中安裝止屈器。

2.5 終止鋪設(shè)

J型鋪管作業(yè)完成后，要進(jìn)行終止鋪管作業(yè)。終止鋪設(shè)過程主要是一個棄管作業(yè)過程，即在管線端部安裝A＆R拖拉頭并采用A＆R絞車，將海管下放到海床的過程，其中大部分工作在焊接站中完成。該過程主要包括：焊接棄管封頭；連接A＆R頭和棄管標(biāo)識浮筒；連接棄管標(biāo)識浮筒和棄管封頭；管線張力由張緊器逐步轉(zhuǎn)移到A＆R纜繩；下放海管至海床；ROV解除A＆R絞車的纜繩和棄管標(biāo)識浮筒的連接，并回收A＆R纜繩。

2.6 中止和回收作業(yè)

在海底管道正常鋪設(shè)期間，當(dāng)因惡劣天氣或其他原因而不得不中止鋪管作業(yè)時，需要進(jìn)行棄管作業(yè)（如圖15所示），棄管作業(yè)的方法和程序與終止鋪設(shè)的作業(yè)內(nèi)容相同。當(dāng)天氣具備繼續(xù)鋪管作業(yè)條件時，鋪管船重新就位，開始管道回收作業(yè)，以便繼續(xù)進(jìn)行鋪管作業(yè)。管道回收作業(yè)實際上是棄管作業(yè)的逆過程，具體流程如下：

1） 鋪管船在定位系統(tǒng)引導(dǎo)下靠近管端就位。

2） A＆R絞車下放纜繩，在ROV觀測及輔助下，纜繩連接器鉤頭鉤住管端浮筒上的環(huán)形扣。

3） 啟動A＆R絞車，保持一定的張力，向船艉方向移船，回收海底管道。

4） 管道拖拉頭通過張緊器到達(dá)一站后，啟動張緊器，夾住海底管道。

5） 進(jìn)行張力轉(zhuǎn)換，以張緊器代替A＆R絞車向管道提供張力，釋放A＆R絞車，然后回收A＆R絞車?yán)|繩。

6） 切割封頭，打磨坡口，重新開始正常鋪設(shè)作業(yè)。

圖15 棄管作業(yè)示意

3 J型鋪設(shè)管線監(jiān)測作業(yè)

J型鋪設(shè)時管線受到重力、波浪力、海流作用以及上部附體的運動產(chǎn)生的載荷，因此要對整個管線鋪設(shè)過程進(jìn)行監(jiān)測，以保證鋪管過程沿預(yù)定路徑順利進(jìn)行并確定管線的位置、應(yīng)力等條件。監(jiān)測過程由專門的監(jiān)測設(shè)備完成，監(jiān)測傳感器可以安裝在水下機器人上，通過絞車下放到既定位置對管道的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，如圖16所示。

圖16 鋪管監(jiān)測過程

鋪管監(jiān)測內(nèi)容主要包括：

1） 海洋環(huán)境監(jiān)測 用以監(jiān)測海洋環(huán)境中的風(fēng)、浪、流等環(huán)境情況，避免惡劣天氣對鋪管作業(yè)的影響。

2） 動力定位監(jiān)測 用于監(jiān)測鋪管船的橫搖、縱搖、垂蕩以及3個方向的轉(zhuǎn)角，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳送到動力定位系統(tǒng)，以便調(diào)整鋪管船姿態(tài)，保證鋪管形態(tài)及管線路徑。

3） 托管架上管線張力及偏離角監(jiān)測 用以監(jiān)測管線入水前的張力及管線入水傾角。

4） 管線觸地點載荷及形態(tài)監(jiān)測 防止管線觸地點處發(fā)生疲勞，扭曲等破壞。

5） 管線渦激振動及疲勞監(jiān)測 用以校正渦激振動和疲勞預(yù)測結(jié)果，改進(jìn)管線VIV和疲勞設(shè)計方法，保證管線的正常運行，其包括管線形態(tài)監(jiān)測及關(guān)鍵部位的疲勞監(jiān)測。

6） 管線局部屈曲監(jiān)測 該監(jiān)測過程由安裝在管線中的爬行器完成，用以監(jiān)測管線中的屈曲，以便及時對屈曲管段進(jìn)行修復(fù)。

4 結(jié)語

海底管道是海上油氣生產(chǎn)及運輸?shù)闹匾M成部分，J型鋪設(shè)方法是深水海底管道鋪設(shè)的最有效方法。隨著我國深水油氣開發(fā)的不斷發(fā)展，迫切需要一套自主的J型海底管道鋪設(shè)系統(tǒng)和鋪設(shè)方法。本文在介紹了J型鋪設(shè)方法及其系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，對J型鋪設(shè)工藝進(jìn)行了深入研究，為今后J型鋪設(shè)系統(tǒng)的研究提供了參考。

J型鋪設(shè)系統(tǒng)十分復(fù)雜，其關(guān)鍵技術(shù)及裝備被國外幾家大型公司壟斷。我國雖然對J型鋪設(shè)方法進(jìn)行了部分研究，但仍處于起步階段，急需借鑒國外經(jīng)驗，對J型鋪設(shè)系統(tǒng)進(jìn)行深入的系統(tǒng)研究，為我國深水海洋開發(fā)提供保障。

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