深水剛性跨接管安裝操控作業(yè)及風(fēng)險研究

周　禮，段夢蘭，張　康，邱　盼，劉秉奇

深水剛性跨接管安裝操控作業(yè)及風(fēng)險研究

周禮，段夢蘭，張康，邱盼，劉秉奇

（中國石油大學(xué)海洋油氣研究中心，北京102249）①

在深水油氣田開發(fā)模式中，跨接管作為重要的連接元件用于連接管線與采油樹、管線與管匯、管匯與采油樹、管匯與立管等水下生產(chǎn)設(shè)施，其安裝技術(shù)是構(gòu)建水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要內(nèi)容。以某深水氣田M型跨接管安裝過程為例，介紹了跨接管下放安裝作業(yè)方法及要求，利用事故樹分析方法對其進行風(fēng)險研究，找出安裝過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并提出控制措施，旨在為我國深水跨接管下放安裝提供參考。

剛性跨接管；下放安裝；事故樹

當(dāng)前，海洋油氣勘探開發(fā)已由淺海走向深海，水下生產(chǎn)系統(tǒng)由于其在開發(fā)深水油氣田時具有明顯的綜合經(jīng)濟優(yōu)勢，已經(jīng)被世界上很多國家作為油氣田開發(fā)的一種重要方式廣泛研究和應(yīng)用［1］。水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要由油井、采油樹、井口、臍帶纜、立管、管匯、控制系統(tǒng)、搭配出油管、跨接管組成?？缃庸苁撬律a(chǎn)系統(tǒng)中重要的近距離連接設(shè)備，用于連接管線與采油樹、管線與管匯、管匯與采油樹、管匯與立管等水下生產(chǎn)設(shè)施［2］。

隨著世界各大石油公司在深海領(lǐng)域不斷增加投入，海洋石油水下裝備的需求也將日趨增大，但國內(nèi)對于深水裝備的安裝操作仍主要由國外公司完成，還不能完全自主掌握如深水跨接管這樣的大型水下結(jié)構(gòu)物安裝操控作業(yè)技術(shù)［3］。本文以某1500m深水氣田為例，詳細闡述深水跨接管的安裝作業(yè)，并用FTA法對作業(yè)過程進行風(fēng)險研究以期完善整個安裝過程。

1　深水剛性跨接管

1.1結(jié)構(gòu)形式

如圖1所示，跨接管可以按照其連接方式的不同分為垂直跨接管和水平跨接管。其中，垂直跨接管按其具體形狀又可分為M形（彎管）、M形（肘彎）、倒U形［4-5］?？梢愿鶕?jù)水下系統(tǒng)的具體情況選擇相應(yīng)形式的跨接管。

圖1　常見的剛性跨接管

1.2功能實現(xiàn)

水下跨接管主要通過跨接管兩端的連接器與其他水下結(jié)構(gòu)的轂座相連，連接器根據(jù)跨接管形式的不同分為垂直連接器和水平連接器。M形跨接管所使用的垂直連接器［6-8］如圖2所示。

圖2　跨接管連接器與轂座連接示意

連接器的工作原理為：在連接器及安裝工具整體與轂座完成對中后，啟動液壓缸推動驅(qū)動環(huán)使其沿軸向向下運動的同時，卡爪向內(nèi)回收將跨接管末端與其他水下設(shè)備上的轂座鎖緊，進行密封測試后即實現(xiàn)了跨接管的連接功能。

2　跨接管安裝作業(yè)過程

2.1總體流程

剛性跨接管的總體提升結(jié)構(gòu)如圖3所示，在跨接管駛離陸地之前，首先要做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，包括：檢測和布置分布梁吊點、索具等；隨后將分布梁和跨接管放置在運輸支架上由拖船運往目標(biāo)海域。到達目標(biāo)海域后，再次進行相關(guān)檢查工作，確保安裝船吊機的相關(guān)索具安裝可靠，連接器安裝工具已鎖定在連接器上，然后借助ROV對水下轂座進行檢查，確認水下相關(guān)標(biāo)識和有無障礙物等。

圖3　跨接管提升總體結(jié)構(gòu)

在完成一系列準(zhǔn)備工作后，可借助安裝船進行下放作業(yè)，首先被下放的是ROV工作籃，它可攜帶相關(guān)工具到水下對轂座進行一些前期處理，例如移除壓力帽、對轂座進行清潔、安裝巖屑帽等。在所有前期工作完成后，可進行跨接管下放安裝工作?？傮w安裝流程如圖4所示。

圖4　總體安裝流程

2.2具體步驟

受篇幅所限，本小節(jié)將僅對整個安裝過程的核心部分——即圖4中所述跨接管安裝部分進行詳細闡述。

2.2.1整體下放過程

1）進行完相關(guān)準(zhǔn)備工作后，使安裝船停泊至預(yù)先設(shè)定的安全作業(yè)海域，然后為主吊機和絞車安裝上部索具，將裝載有跨接管的駁船停泊至與安裝船平行的位置。

2）連接主吊機上部索具和分布梁上部索具，為分布梁和跨接管安裝操控繩，然后啟動絞車使其索具進入水中待命。

3）首先啟動主吊機，開始提升分布梁，使其脫離運輸支架，借助操控繩控制分布梁，繼續(xù)提升，直至分布梁整體完全處于跨接管正上方且與其平行的位置。

4）提升跨接管使其離開運輸支架至足夠高度，使其不因安裝船和駁船的升沉運動而發(fā)生碰撞，之后駁船駛離安裝船，如圖5。將絞車索具下放至50 m水深處，在此等候后續(xù)進行的載荷轉(zhuǎn)移操作。

圖5　整體下放過程

5）下放跨接管進入水中，并解除跨接管操控繩，將跨接管下放至水深約50 m處，停止下放，準(zhǔn)備與絞車進行載荷轉(zhuǎn)移。

6）將在主吊機上部索具上的自由索環(huán)連接至絞車索具的掛鉤上，主吊機緩慢下放，由于所承受的載荷逐漸轉(zhuǎn)移至絞車上，其連接索具逐漸松弛，由ROV將主吊機上的索環(huán)卸下，由此完成了由主吊機向絞車的載荷轉(zhuǎn)移，如圖6。

圖6　載荷轉(zhuǎn)移操作

7）繼續(xù)通過絞車下放跨接管，至距離海床25 m處時停車，此時可將主吊機索具回收至水面。

8）按照既定路徑，調(diào)整安裝船位置至目標(biāo)安裝海域，啟動安裝船的AHC（升沉補償系統(tǒng)）；然后由ROV移除轂座上的巖屑帽，2個ROV分別各自調(diào)節(jié)控制1個位于跨接管兩端的連接器安裝工具，以協(xié)助跨接管進行著陸操作。

9）借助ROV控制跨接管兩端的安裝工具與水下設(shè)施的轂座對中，嚴格控制絞車下放速度，使其不超過規(guī)定極限速度（0.6 m／s），借助安裝工具進行軟著陸，并使跨接管上部索具逐漸松弛。

在連接分布梁下部索具時，可通過控制不同吊點索具的長度來使跨接管整體與水平線呈一定角度（約1～2°），這樣可以使跨接管先在一端著陸，然后經(jīng)繞一端旋轉(zhuǎn)后再進行另一端著陸。

2.2.2分布梁回收及連接器鎖緊過程

1）ROV解除分布梁下部索具，使其與跨接管分離，絞車提升分布梁至距離海床25 m處，ROV通過一系列操作將跨接管連接器和轂座進行鎖緊（如圖7），對連接器進行密封測試后，將安裝船移動至安全操作海域。

圖7　水下跨接管連接器鎖緊過程

2）回收分布梁至距離水面50 m處，將主吊機索具同樣下放至距離水面50 m處，二者進行載荷轉(zhuǎn)移，同2.2.1中第6步，使絞車索具完全回收至安裝船。

3）將操控繩連接至分布梁后，繼續(xù)由主吊機回收分布梁，并穿越飛濺區(qū)，然后將駁船停泊至與安裝船平行的位置，在操控繩的控制下，下放分布梁至駁船上的運輸支架上，解除相關(guān)索具及操控繩的連接。

2.2.3安裝工具回收過程

1）將安裝工具回收索具連接至絞車，絞車下放至距離海床25 m處；同時，為輔助吊機（起重量較低）安裝回收索具，并下放至距離水面50m處等待進行載荷轉(zhuǎn)移操作。

2）將安裝船駛至目標(biāo)海域，絞車繼續(xù)下放。借助ROV將安裝工具上的索具（可在浮力模塊的作用下處于豎直浮起狀態(tài)）與回收索具相連，ROV操作使安裝工具與跨接管連接器解鎖，在絞車對繩索施加輕微張力后，檢查索具是否處于豎直狀態(tài)。緩慢提升連接器安裝工具至距離海床25m處，停車。

3）移動安裝船至安全作業(yè)區(qū)域，繼續(xù)回收至距離水面50m處，進行載荷轉(zhuǎn)移操作（具體見第6步），將載荷轉(zhuǎn)移至輔助吊機（安裝船上起重量較輕的吊機）。

4）通過ROV釋放安裝工具底部的操控繩，輔助吊機繼續(xù)回收安裝工具，同時將絞車回收。

5）將駁船停泊至與安裝船平行的位置，將安裝工具提升至足夠高度，由工作人員控制安裝工具操控繩使安裝工具緩慢地著陸于駁船；進行同樣的操作以回收另一安裝工具。安裝工具回收過程如圖8。

圖8　安裝工具回收過程

3　基于FTA的跨接管安裝過程風(fēng)險研究

3.1FTA構(gòu)建

事故樹分析又稱故障樹分析，是從結(jié)果到原因找出與事故有關(guān)的各種因素之間因果關(guān)系和邏輯關(guān)系的作圖分析法。該方法把系統(tǒng)可能發(fā)生的事故放在圖的最上面（頂上事件Top event），按系統(tǒng)構(gòu)成要素之間的關(guān)系，分析與事故有關(guān)的原因。具體過程是通過頂上事件進行逐層邏輯推導(dǎo)直至找出基本原因事件（Basic event），找出導(dǎo)致事故發(fā)生的基本原因組合，通過定性與定量分析，找出事先未能預(yù)測到的原因事件［9-10］?？缃庸馨惭b過程事故樹如圖9。

圖9　跨接管安裝過程事故樹

3.2跨接管安裝過程事故樹分析

在事故樹中凡是能導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的基本事件的集合稱為割集；凡能導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合（也可以說不包含其他割集的割集）稱為最小割集。事故樹中最小割集越多，頂上事件發(fā)生的可能性就越大，系統(tǒng)就越危險。相反地，在事故樹中，有1組基本事件不發(fā)生，頂上事件就不發(fā)生，這一基本事件的集合稱為徑集。凡是不能導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合（也可以說不包含其他任何徑集的徑集）叫最小徑集。最小徑集越多，頂上事件不發(fā)生的途徑就越多，系統(tǒng)也就越安全。結(jié)構(gòu)重要度分析是分析基本事件對頂上事件的影響程度，可以從中找出影響事故的主要原因，從而采取有效措施應(yīng)對事故的發(fā)生，制定應(yīng)急預(yù)案。

3.2.1本事故樹最小割集

借助中國礦業(yè)大學(xué)孟現(xiàn)飛老師編制的FTA分析軟件，可以得出本事故樹共有10個最小割集：

1）｛X1｝，吊耳焊點失效。

2）｛X10｝，安裝工具故障。

3）｛X11｝，連接器卡爪鎖緊不到位。

4）｛X2X3｝，開口度變形過大 & 檢查不到位。

5）｛X4｝，吊點布置不合理。

6）｛X5｝，下放速度過快。

7）｛X6｝，制動過猛。

8）｛X7｝，極端海況。

9）｛X8｝，下放速度過快。

10）｛X9｝，未開啟升沉補償系統(tǒng)。

則結(jié)構(gòu)重要度排序為：I（X11）=I（X10）=I（X9）= I（X8）=I（X7）=I（X6）=I（X5）=I（X4）=I（X1）＞I（X3）=I（X2）

3.2.2分析結(jié)論

1）從事故樹的邏輯關(guān)系看，有6個邏輯或門和1個邏輯與門，最小割集有10個，最小徑集有2個，最小割集數(shù)量較多，說明造成事故的途徑很多，而控制事故的途徑略少，且需要控制的事件多而面廣，因此系統(tǒng)的危險性較大

2）由結(jié)構(gòu)重要度排序來看，各個基本事件結(jié)構(gòu)重要度趨于平均，由于結(jié)構(gòu)重要度體現(xiàn)的是基本事件在事故樹中結(jié)構(gòu)上的重要程度，因此它本身具有局限性。同時又由于缺乏各個基本事件的發(fā)生概率，所以無法進一步評估其重要度。這里需要指出的是，根據(jù)相關(guān)資料，基本事件X11發(fā)生的概率較大，這里應(yīng)特別提出。

3）本次分析著重找出安裝過程失效邏輯關(guān)系和導(dǎo)致失效的基本事件，確定出導(dǎo)致失效事件的發(fā)展途徑，借此找出阻止其發(fā)生的方法，以此作為現(xiàn)場施工作業(yè)的參考。

3.2.3控制措施

1）嚴格制定并執(zhí)行各項規(guī)章和管理制度，例如操作人員應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行作業(yè)程序，做好對于天氣海況的預(yù)測，制定合理的與之對應(yīng)的作業(yè)計劃。加強崗位責(zé)任制的落實，做好安全自控與互控，保證現(xiàn)場作業(yè)安全有序。

2）提高作業(yè)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)。對吊車司機要加強應(yīng)急處置技能訓(xùn)練；合理布置吊點，下放前要做好定位工作。

3）確保繩索、分布梁、吊耳等材料組裝合格，在作業(yè)前要檢查到位，保證作業(yè)過程中不出問題。

4）做好碰撞試驗，使之具備良好的抗碰撞能力。

5）做好應(yīng)急預(yù)案。

4　結(jié)論

深水跨接管作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中一種重要的連接元件，結(jié)構(gòu)龐大，安裝難度大，目前國內(nèi)不具有獨立對其進行安裝的能力。本文結(jié)合一種典型剛性跨接管，詳細介紹了其獨特的安裝過程。為了能進一步突出安裝過程中的重點環(huán)節(jié)，利用FTA分析方法，找出了整個安裝過程中需注意的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對其列出了相關(guān)控制措施，對于我國今后能獨立進行大型水下結(jié)構(gòu)物的下放安裝具有一定的指導(dǎo)意義。

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Research on Installation Control and Risk of Deep water Rigid Jumpers

ZHOU Li，DUANMeng-lan，ZHANG Kang，QIU Pan，LIU Bing-qi

（Of fshore Oil／Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Jump is an important part to connect pipeline and Christmas tree，pipeline and PLEM，PLEM and Christmas tree，PLEM and riser in the development type of deep-water oil and gas field.Therefore，jumps are widely used in subsea production system.It’s important to master the technology of jumper installation.With a kind of M shape jumper as an example，this paper introduces the method and requirements of jumper installation in detail.Then a method based on FTA is used to analyze the important failure modes in the installation period.In order to provide some references for jumper installation in deep-water，some control measures are proposed.

rigid jumper；installation；fault tree analysis

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.002

1001-3482（2015）10-0006-05

①2015-04-05

國家科技重大專項“水下管匯連接器樣機研制”（2011ZX05026-003-02）；國家科技重大專項“深水水下生產(chǎn)設(shè)施制造、測試裝備及技術(shù)”（2011ZX05027-004）

周禮（1990-），男，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事海洋油氣工程研究，E-mail：zhouliok＠126.com。