深水海洋工程多功能立式管線鋪設(shè)系統(tǒng)

齊金龍 金瑞健

（海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

引 言

在深水油氣田建設(shè)施工中，各種柔性管、鋼管的鋪設(shè)和水下結(jié)構(gòu)物的安裝與連接是工程的重要部分。近年來，深水海洋工程施工裝備也隨著深水油氣開發(fā)工程技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展。自2001年以來，國(guó)外已有多條采用立式管線鋪設(shè)系統(tǒng)、集各種深水管線鋪設(shè)和水下結(jié)構(gòu)物安裝功能為一體的作業(yè)船建成應(yīng)用，我國(guó)也急需開展這方面的裝備技術(shù)研究并提高深水施工裝備的能力。文章結(jié)合目前國(guó)際上深水多功能作業(yè)船舶和設(shè)備狀況，對(duì)在“Seven seas”號(hào)船上安裝的多功能立式鋪設(shè)系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)備特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)與分析。該系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是在一個(gè)立式鋪設(shè)塔架上集成了深水柔性管與臍帶纜鋪設(shè)、Reel與J-lay鋼管鋪設(shè)、水下結(jié)構(gòu)物安裝等多種功能，并可以實(shí)現(xiàn)多種作業(yè)模式的快速轉(zhuǎn)換，施工作業(yè)靈活性、經(jīng)濟(jì)性大為提高，同時(shí)整套系統(tǒng)可以安裝在中小型動(dòng)力定位船上，可以有效降低船舶建造投資。

1 深水油氣田建設(shè)工程與船舶

在深水油氣田開發(fā)建設(shè)工程施工中，在較長(zhǎng)距離的外輸管線、臍帶纜鋪設(shè)之外，油氣田內(nèi)部鋼管、柔性管鋪設(shè)，各類水下結(jié)構(gòu)物、樁基、立管的安裝、連接工作也占據(jù)相當(dāng)?shù)谋戎?。由于各種作業(yè)的特點(diǎn)不同，通常需要配置多艘不同功能的船舶來完成工程施工。

1.1 長(zhǎng)距離、大直徑鋼制管

通常采用大型J-lay或S-lay鋪管船進(jìn)行深水長(zhǎng)距離外輸管線鋪設(shè)和大型結(jié)構(gòu)安裝，如“Saipem7000”號(hào)、“Balder”號(hào)［1］、“Solitaire”號(hào)等都具有1 000 t以上的張緊能力，但這類大型船舶在油氣田內(nèi)部短距離管線鋪設(shè)中應(yīng)用有所限制且費(fèi)用昂貴。［2］

1.2 小管徑鋼制管或鋼制復(fù)合管

采用Reel-lay鋪管船如“Seven oceans”號(hào)、“Express”號(hào)等在深水小管徑管線及不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合管（CRA）鋪設(shè)中優(yōu)勢(shì)突出，但需要管線接長(zhǎng)、卷繞基地（Spoolbase）將管線卷繞至船上的卷管盤中，受船舶動(dòng)員距離和卷管盤容量限制不能進(jìn)行長(zhǎng)距離或大管徑管線的鋪設(shè)。［3-4］

1.3 柔性管線

采用柔性管（Flex-lay）鋪管船鋪設(shè)，該類船舶設(shè)有立式柔性管立式鋪設(shè)系統(tǒng)，但不能進(jìn)行硬質(zhì)管的鋪設(shè)，如“Polar queen”號(hào)、“Pertinacia”號(hào)等。

多功能立式鋪管系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)多種鋪管形式的綜合，用于中小型動(dòng)力定位船舶的立式鋪設(shè)系統(tǒng)在20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)，初期功能單一、頂部張緊能力較小。進(jìn)入21世紀(jì)后，立式鋪設(shè)系統(tǒng)中集成的功能不斷多樣化，頂部張緊力和作業(yè)能力也不斷提升。Technip公司2001年建造了“Deep blue”號(hào)船，該船安裝的多功能立式鋪設(shè)系統(tǒng)具有Reel-lay、J-lay、柔性管鋪設(shè)和水下結(jié)構(gòu)物安裝、連接等不同功能。Subsea 7公司2008年建造了“Seven seas”號(hào)船，該船安裝的多功能立式鋪設(shè)系統(tǒng)應(yīng)用多項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同作業(yè)模式的快捷轉(zhuǎn)換，具有廣泛的作業(yè)適應(yīng)性和良好的經(jīng)濟(jì)性。

圖1 深水油氣田主要設(shè)施圖

表1 部分帶有立式鋪管系統(tǒng)的船舶概況

2 “Seven seas”號(hào)船多功能立式鋪設(shè)系統(tǒng)的構(gòu)成與功能參數(shù)

“Seven seas”號(hào)船是一條中型MPV船，具備3 000 m水深的作業(yè)能力。該船的顯著特點(diǎn)是在一個(gè)立式鋪設(shè)塔架上采用可回收式張緊器，集成了J-lay鋪管作業(yè)線模塊、Reel-lay模塊，兼有深水軟管與臍帶纜鋪設(shè)、Reel與J-lay鋼管鋪設(shè)、水下結(jié)構(gòu)物安裝等多種作業(yè)能力，并能快速完成不同作業(yè)模式的轉(zhuǎn)換，在工程中可以最大限度減少施工船隊(duì)數(shù)量以節(jié)約費(fèi)用和工期。

圖2 “Seven seas”號(hào)船

2.1 “Seven seas”號(hào)船主要參數(shù)

“Seven seas”號(hào)船主要參數(shù)見表2。

表2 “Seven seas”號(hào)船主要參數(shù)

2.2 多功能立式鋪設(shè)系統(tǒng)

“Seven seas”號(hào)船多功能立式鋪設(shè)系統(tǒng)由豪士威馬公司（Huisman）公司設(shè)計(jì)制造。系統(tǒng)主體是立式塔架，塔架上集成了兩臺(tái)可回收張緊器、J-lay鋪管模塊、柔性管鋪設(shè)定位器、A/R絞車?yán)|導(dǎo)向等設(shè)備，并可以安裝Reel-lay鋪管模塊。另外有月池以及海管懸掛系統(tǒng)、雙節(jié)點(diǎn)管段裝管臂架、PLET/PLEM操作裝置與轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備等其他配套設(shè)備。

表3 “Seven seas”號(hào)船多功能立式鋪設(shè)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)［5］

2.2.1 塔架固定與調(diào)節(jié)裝置

塔架固定與調(diào)節(jié)裝置是塔架左右側(cè)的2個(gè)大型液壓臂架，通過控制臂架的伸縮可以在0°～ 15°范圍內(nèi)調(diào)整塔架傾斜角度。臂架兩端分別與塔架中部和船體鉸接連接，2個(gè)臂架上都安裝有長(zhǎng)度測(cè)量裝置，用以監(jiān)測(cè)臂架長(zhǎng)度及塔架調(diào)節(jié)角度。在液壓臂架套筒與伸縮桿的末端設(shè)有2套固定耳板，當(dāng)塔架處于航行固定狀態(tài)時(shí)液壓臂架完全收縮，液壓套筒與伸縮桿上的固定耳板通過安全銷固定連接在一起，使塔架安全固定。

圖3 “Seven seas”號(hào)船多功能立式鋪設(shè)系統(tǒng)構(gòu)成

2.2.2 可回收式張緊器

張緊器是多功能立式鋪設(shè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，在塔架上部和下部各有1臺(tái)4履帶立式張緊器，這種形式可以增大履帶與管線接觸面積，有利于荷載均勻分布和減小張緊器高度。鋪管作業(yè)時(shí)張緊器4個(gè)履帶通過液壓裝置抱緊海管，達(dá)到設(shè)定的張力。

鋪設(shè)塔架上部張緊器最大張力170 t，僅使用于柔性管鋪設(shè)。下部1臺(tái)張緊器在用于J-lay和Reel-lay模式時(shí)提供最大張力為400 t，在柔性管鋪設(shè)模式時(shí)最大張力為260 t。在柔性管鋪設(shè)模式下，上下2臺(tái)張緊器可以提供430 t的頂部張力。

2臺(tái)張緊器各通過1套回收裝置安裝在立式塔架上，可以實(shí)現(xiàn)張緊器懸停于塔架作業(yè)線上進(jìn)行鋪管作業(yè)，也可以將張緊器回收至塔架后側(cè)以清空作業(yè)線。整套裝置通過液壓缸的伸縮帶動(dòng)U型架轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)張緊器在塔架作業(yè)線和塔架后部之間的收放，回收或伸出張緊器的過程只需要10 min。

2.2.3 J-lay鋪管作業(yè)模塊及配套設(shè)施

圖4 張緊器回收裝置工作示意圖

表4 張緊器主要參數(shù)

J-lay鋪管作業(yè)模塊由焊接站、外對(duì)中器（ELUT）、旋轉(zhuǎn)滾輪和內(nèi)對(duì)中器（ILUC）及其存儲(chǔ)架、絞車等幾部分組合而成，其他配套設(shè)施還有裝管臂架、節(jié)點(diǎn)涂敷防腐站及收放（A/R）絞車系統(tǒng)。在塔架系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為J-lay模式時(shí)，塔架上部張緊器回收，J-lay模塊可以快速?gòu)牧⑹剿芤粋?cè)的存儲(chǔ)位置旋轉(zhuǎn)至塔架中心作業(yè)線上，整個(gè)過程只需約30 min。

焊接站中設(shè)有全自動(dòng)外焊接與無損檢驗(yàn)、焊接返修設(shè)備。焊接站前側(cè)外壁設(shè)有液壓平開門，用以裝管臂架運(yùn)送的24 m雙節(jié)點(diǎn)管段進(jìn)入作業(yè)線中。焊接站內(nèi)的地板帶有一定的傾斜，可以在鋪管塔架傾斜時(shí)為焊接作業(yè)提供相對(duì)水平的作業(yè)面。

表5 J-lay模塊主要參數(shù)

圖5 J-lay鋪管作業(yè)模塊

裝管臂架長(zhǎng)42 m，可以將13 t重的雙節(jié)點(diǎn)管在12 min內(nèi)運(yùn)進(jìn)鋪管作業(yè)線，最大轉(zhuǎn)角105°。外對(duì)中器上下兩端各有1個(gè)夾具，通過PLC控制的6個(gè)電驅(qū)動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)管段端部5自由度（3個(gè)方向平移，2個(gè)方向旋轉(zhuǎn)）的位置調(diào)節(jié)保證海管精確對(duì)接。

內(nèi)對(duì)中器收放絞車、臍帶纜導(dǎo)向輪和內(nèi)對(duì)中器存儲(chǔ)架設(shè)置在鋪管模塊頂部，內(nèi)對(duì)中器存儲(chǔ)架和存儲(chǔ)筒分別設(shè)有一套對(duì)中調(diào)整器，這種兩步對(duì)中式設(shè)計(jì)可以很好的保護(hù)海管端面坡口。［6-7］

圖6 J-lay鋪管模塊主要組件示意圖

2.3 收/棄管絞車（A &R Winch）系統(tǒng)

“Seven seas”號(hào)船配有450 t和125 t電動(dòng)變頻收棄/管絞車，其能力與張緊器能力匹配。絞車鋼纜通過導(dǎo)向裝置從立式鋪管塔架頂部進(jìn)入作業(yè)線，用以收/棄管及結(jié)構(gòu)物安裝下放。450 t絞車使用119 mm鋼纜，由摩擦式張力絞車和鋼纜存儲(chǔ)絞車組成，配有400 t升沉補(bǔ)償裝置，具有被動(dòng)與主動(dòng)兩種升沉補(bǔ)償操作模式。摩擦式張力絞車兩個(gè)滾筒相互成一定角度，可以減少纏繞鋼纜的扭轉(zhuǎn)和疲勞，絞車滾筒不同纜槽直徑也不相同，以補(bǔ)償鋼纜由于拉伸狀態(tài)下的彈性變形影響。儲(chǔ)纜絞車存儲(chǔ)3 000 m鋼纜，為摩擦絞車提供15 t的鋼纜拉力。

2.4 柔性管鋪設(shè)設(shè)備

“Seven seas”號(hào)船柔性管鋪設(shè)設(shè)備除塔架張緊器外，還包括2個(gè)1 250 t載荷能力的卷管盤（Carousel或Reel）、張力器及導(dǎo)向滑槽等。卷管盤位于主甲板月池后方儲(chǔ)管艙內(nèi)，與船舶同時(shí)設(shè)計(jì)制造安裝，具備卷管（Spool）和儲(chǔ)管能力，規(guī)格根據(jù)船舶設(shè)計(jì)工作能力、尺寸和艙容限制確定。柔性管在船舶施工前由碼頭通過導(dǎo)向滑槽及張力器等設(shè)備卷入卷管盤中，鋪設(shè)時(shí)通過導(dǎo)管系統(tǒng)出甲板引至鋪設(shè)塔架的作業(yè)線上鋪設(shè)入水。卷管盤直徑約22 m，由電力驅(qū)動(dòng)，卷管盤內(nèi)設(shè)有液壓排纜器，中心直徑架可以按照不同管線最小纏繞直徑的要求從5.4 ～ 9 m之間調(diào)節(jié)。

圖7 柔性管鋪設(shè)設(shè)備組件示意圖

表6 柔性管鋪設(shè)設(shè)備主要參數(shù)

2.5 月池、懸掛設(shè)備與PLET/PLEM操作裝置

月池是海管與各種結(jié)構(gòu)物的入水通道，尺寸需滿足水下結(jié)構(gòu)物的連接、下放及鋪設(shè)塔架傾斜狀態(tài)下所鋪設(shè)海管的通過要求。懸掛設(shè)備是深水鋪管船必需的裝置之一，用以在不使用張緊器或收/放絞車時(shí)保持海管并安裝在線或管末端設(shè)備。［8］“Seven seas”號(hào)船根據(jù)立式鋪設(shè)塔架的位置，設(shè)計(jì)安裝了月池懸掛裝置并與PLET/PLEM轉(zhuǎn)運(yùn)和操作裝置結(jié)合在一起。懸掛夾具為2個(gè)半圓形結(jié)構(gòu)，分開安裝在1個(gè)滑動(dòng)平臺(tái)的前后部分，平臺(tái)可通過軌道在月池上方進(jìn)出立式塔架作業(yè)線，懸掛點(diǎn)中心位置可以在350 mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)以與塔架鋪管傾斜角度匹配，最大海管懸掛能力450 t，在結(jié)構(gòu)物安裝模式下最大載荷可達(dá)750 t。懸掛平臺(tái)上設(shè)有軌道并與船甲板上PLET/PLEM操作裝置的滑移軌道相接。

PLET/PLEM操作裝置由對(duì)中調(diào)節(jié)裝置、轉(zhuǎn)運(yùn)滑車、軌道等組成，可以將60 t重的PLET結(jié)構(gòu)從甲板存儲(chǔ)區(qū)移入作業(yè)線與懸掛固定的海管端連接，作業(yè)過程不需要吊機(jī)協(xié)助，而使效率大為提高。

3 “Seven seas”號(hào)船的不同作業(yè)功能

通過多功能立式鋪設(shè)塔架上各作業(yè)設(shè)備位置的調(diào)整、組合，該船可以快速轉(zhuǎn)換模式，實(shí)現(xiàn)不同的作業(yè)功能。

3.1 柔性管/臍帶纜鋪設(shè)

在柔性管/臍帶纜鋪設(shè)模式下，立式塔架上2個(gè)可回收式張緊器位于塔架前方作業(yè)線中心，柔性管從月池后部?jī)?chǔ)管艙內(nèi)的存管轉(zhuǎn)盤上，經(jīng)過甲板上的導(dǎo)向滑槽引導(dǎo)至立式鋪設(shè)塔下部，經(jīng)過塔架下部導(dǎo)向滑槽引導(dǎo)至鋪設(shè)塔架頂部定位器后引入張緊器中鋪設(shè)入水。

3.2 J-lay海管鋪設(shè)

在J-lay鋪設(shè)模式下，上部張緊器回收至塔架后部位置，下部張緊器保持在塔架前部作業(yè)線上。J-lay鋪設(shè)模塊從立式塔架側(cè)面旋轉(zhuǎn)到塔架前方作業(yè)線上，節(jié)點(diǎn)涂敷與防腐站模塊由吊機(jī)移動(dòng)并安裝于月池上。由雙節(jié)點(diǎn)管裝管臂架將管段從船主甲板運(yùn)至塔架上部J-lay鋪管作業(yè)線上鋪設(shè)入水，立式塔架可以根據(jù)不同項(xiàng)目要求進(jìn)行管線鋪設(shè)角度的調(diào)整。

圖8 “Seven seas”號(hào)船多種作業(yè)模式示意圖

3.3 Reel-lay鋼質(zhì)海管鋪設(shè)

該船可以進(jìn)行25.4 cm（10 in）以下管徑海管的Reel-lay鋪設(shè)。在Reel-lay鋪設(shè)模式下，J-lay鋪設(shè)模塊回收至塔架右舷一側(cè)，上部張緊器回收至塔架后部，在塔架上部安裝鋼管調(diào)直模塊。鋼質(zhì)海管在陸地卷繞基地（Spoolbase）完成接長(zhǎng)、防腐后卷繞至卷管盤中，施工時(shí)將卷管盤及附屬系統(tǒng)安裝到船甲板上。海管從卷管盤中經(jīng)過塔架頂部定位器進(jìn)入調(diào)直模塊調(diào)直后，通過下部張緊器、月池入水鋪設(shè)。塔架可以根據(jù)不同項(xiàng)目要求進(jìn)行鋪設(shè)角度的調(diào)整。

3.4 結(jié)構(gòu)物安裝

在結(jié)構(gòu)物安裝模式中，可以在鋪管過程中安裝三通等在線結(jié)構(gòu)物、PLET/PLEM等管末端結(jié)構(gòu)物，作業(yè)基本步驟為：海管由收/棄管絞車從海底起管或從塔架作業(yè)線上下放至月池，通過焊接在海管上的懸掛點(diǎn)（Collar）與月池懸掛裝置將管端固定；立式塔架上2臺(tái)張緊器回收釋放作業(yè)線空間，PLET/PLEM通過操作裝置轉(zhuǎn)運(yùn)至作業(yè)線與海管端不對(duì)齊焊接后由收/棄管絞車經(jīng)月池下放至水下。

在該模式中，將回收塔架上張緊器并清空作業(yè)線后，使用主吊機(jī)將結(jié)構(gòu)物吊至作業(yè)線上再轉(zhuǎn)換由收/棄管絞車牽引的方式，也可以經(jīng)由月池下放安裝水下樁基、浮筒、雙層同心套筒立管（Concentric Offset Riser，COR）、單層套筒立管（Single Line Offset Riser，SLOR）等多種類型的深水大型結(jié)構(gòu)物。通常這類水下結(jié)構(gòu)物都需要大型的浮吊船來安裝。

4 結(jié) 論

文章對(duì)“Seven seas”號(hào)船多功能立式鋪設(shè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了介紹，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）“Seven seas”號(hào)船是Subsea7公司主力船舶之一，應(yīng)用了目前國(guó)際上最為先進(jìn)的深水立式管線鋪設(shè)裝備技術(shù)，在一套立式塔架上集成了J-lay、Flex-lay、Reel-lay和結(jié)構(gòu)物安裝等多種功能，作業(yè)水深可達(dá)3 000 m，作業(yè)模式轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單快捷。

（2）該立式鋪設(shè)系統(tǒng)能夠安裝在中型MPV船上，可以有效減少投資。

（3）“Seven seas”號(hào)船和該立式鋪設(shè)系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的綜合作業(yè)能力，在深水工程項(xiàng)目中可以最大限度減少大型船舶的投入和施工船隊(duì)數(shù)量，降低工程費(fèi)用。

目前我國(guó)尚無此類深水工程裝備，但隨著南海深水油氣開發(fā)建設(shè)的發(fā)展，也急需開展這方面的裝備技術(shù)研究，提高深水施工能力，本文可供參考借鑒。

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