HYSY702船柔性管鋪設(shè)能力開發(fā)分析

梁 稷，武 林，逯晶晶，韋 卓

(1. 深圳中海油服深水技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067； 2. 中海油服物探事業(yè)部水下工程技術(shù)中心，天津 300451)

HYSY702船柔性管鋪設(shè)能力開發(fā)分析

梁 稷1，武 林1，逯晶晶2，韋 卓2

(1. 深圳中海油服深水技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067； 2. 中海油服物探事業(yè)部水下工程技術(shù)中心，天津 300451)

HYSY702是一艘新型工程服務(wù)船舶，定位于滿足國內(nèi)外增長迅速的水下工程市場需求。為進一步拓展HYSY702船的服務(wù)能力，總結(jié)了柔性管鋪設(shè)方法，對比了國內(nèi)外先進柔性管鋪設(shè)船舶及其對應(yīng)參數(shù)，討論了HYSY702搭載柔性管道鋪設(shè)系統(tǒng)的可行性。研究結(jié)果可為HYSY702船搭載經(jīng)過專門設(shè)計的柔性管鋪設(shè)系統(tǒng)實施鋪管作業(yè)提供借鑒。

工程船；鋪管船；柔性管鋪設(shè)；卷筒；水下工程

0 引 言

隨著海上油氣田開發(fā)水深的不斷增加，水下生產(chǎn)系統(tǒng)由于受惡劣天氣影響較小、能提高采收率等優(yōu)點，正備受關(guān)注并蓬勃發(fā)展[1-2]。水下生產(chǎn)系統(tǒng)可觀的經(jīng)濟效益得到世界各大石油公司的廣泛關(guān)注，在這方面的投資不斷增加。國外在歐洲北海、北美洲墨西哥灣和南美洲巴西沿海等海域，我國在南海海域的惠州32-5油田、陸豐22-1油田、流花11-1油田等處，均有采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)的海上油氣田。水下生產(chǎn)系統(tǒng)覆蓋水深從幾十米到數(shù)千米，水下生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成為開發(fā)深水油氣田和海上邊際油氣田的經(jīng)濟、高效手段之一[3-4]。

HYSY702是中海油服從戰(zhàn)略高度打造的一艘新型工程服務(wù)船舶，定位于滿足國內(nèi)外增長迅速的水下工程市場要求，其主要應(yīng)用包括：水下井口維護；完井，修井和壓井支持；水下棄井作業(yè)；路由調(diào)查；水下機器人(ROV)支持；飽和潛水作業(yè)支持；檢驗、維護和維修(IMR)；尾部A架舷外作業(yè)。本文通過比較國內(nèi)外先進柔性管鋪設(shè)船舶及對應(yīng)參數(shù)，對HYSY702搭載柔性管道鋪設(shè)系統(tǒng)的可行性展開研究，以進一步拓展HYSY702船的市場競爭力。

1 柔性管鋪設(shè)方法

柔性管具有柔順性好、易鋪設(shè)、抗高溫高壓、耐腐蝕、可模塊化設(shè)計以及可重復(fù)利用的特點[5]。柔性管力學(xué)性能優(yōu)異，是水下管匯之間、管匯與浮體或平臺之間以及浮體與平臺之間的關(guān)鍵連接紐帶，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分。

與剛性管道鋪設(shè)不同[6-7]，柔性管由于自身的結(jié)構(gòu)特點，從工程需要及鋪設(shè)經(jīng)濟性而言，不需要龐大的鋪管船和張緊器，因此傳統(tǒng)剛性管道鋪設(shè)技術(shù)不適于柔性管鋪設(shè)。目前國內(nèi)外對于柔性管鋪設(shè)技術(shù)的研究已經(jīng)取得豐碩成果[8]，但對于柔性管鋪設(shè)方法的認識還沒有統(tǒng)一。根據(jù)對國內(nèi)外柔性管鋪設(shè)技術(shù)的調(diào)研，柔性管鋪設(shè)方法按照管線在鋪管船上呈現(xiàn)的形態(tài)，可以分為垂直鋪設(shè)法和水平鋪設(shè)法；按照柔性管的存儲方式，可以分為卷軸鋪設(shè)和卷盤鋪設(shè)。下面分別加以介紹。

1.1水平鋪設(shè)

鋪設(shè)過程中，管線在鋪管船上呈水平狀態(tài)，這種方式即為水平鋪設(shè)，如圖1所示，其中圖1(b)為帶張緊器的布置圖。一般而言，水平鋪設(shè)所需張緊力較小，適用于淺水鋪設(shè)。按照鋪設(shè)深度和管線屬性的不同，可以考慮是否施加張緊器以提供額外張緊力[9-10]。從水平方向的船甲板到近似垂直入水，管線要經(jīng)過一個過渡設(shè)備——下水橋，該設(shè)備與管線的接觸面主要是弧面形式，以減小管線的局部彎矩，提高鋪設(shè)能力，是水平鋪設(shè)方法特有的設(shè)備。

圖1 水平鋪設(shè)Fig.1 Horizontal lay

1.2垂直鋪設(shè)

隨著鋪設(shè)深度的增加，鋪設(shè)所需的張緊力增加，上彎段管線所受載荷及載荷組合影響管道的安全鋪設(shè)，需要改變?nèi)嵝怨艹惺芾?、壓力、彎矩和摩擦力的狀態(tài)。如圖2所示，鋪設(shè)過程中柔性管經(jīng)過塔架以及放置在塔架內(nèi)部的張緊器后入水，鋪管船上的管線在塔架內(nèi)呈近似垂直形態(tài)，這種鋪設(shè)方式即為垂直鋪設(shè)。采用該鋪設(shè)方法，柔性管的受力狀態(tài)發(fā)生了改變，不再承受彎矩，改變了其失效模式，提高了管線鋪設(shè)能力。垂直鋪設(shè)是當(dāng)前深水柔性管的主要鋪設(shè)方式。

圖2 垂直鋪設(shè)Fig.2 Vertical lay

1.3卷軸鋪設(shè)

柔性管在加工、生產(chǎn)完成后，直接于生產(chǎn)場地卷在卷軸之上，用鋪管船直接運輸并鋪設(shè)，這種鋪設(shè)方式即為卷軸鋪設(shè)。鋪設(shè)過程中柔性管在鋪管船上的存儲狀態(tài)如圖3所示。與剛性管卷軸鋪設(shè)不同，柔性管卷軸鋪設(shè)多采用近似垂直入水方式，而剛性管入水時與鋪管船呈一定的夾角(小于90°)。兩者的區(qū)別主要在于塔架與鋪管船之間的角度。柔性管卷軸鋪設(shè)的塔架垂直于鋪管船，而剛性管卷軸鋪設(shè)的塔架與鋪管船的夾角小于90°，如圖4所示。這一區(qū)別主要源于柔性管和剛性管的軸向抗拉強度不同：柔性管軸向抗拉強度低，采用垂直鋪設(shè)可以降低對軸向拉力的要求；而剛性管則可以抵御較大的軸向拉力，能夠滿足管道呈一定角度入水時的拉力要求。此外，剛性管鋪設(shè)還需要矯直器消除管道的殘余變形，而柔性管鋪設(shè)則不需要矯直器。根據(jù)鋪設(shè)要求，柔性管卷軸鋪設(shè)時鋪管船可以存儲多個卷軸，以滿足鋪設(shè)長度、段數(shù)和管道結(jié)構(gòu)安全等要求。卷軸的布置可以是并列的，也可以是串聯(lián)的，具體視船甲板空間條件、連續(xù)鋪設(shè)條件、甲板面積和強度要求而定。

圖3 柔性管卷軸鋪設(shè)Fig.3 Reel-lay for flexible pipe

圖4 剛性管卷軸鋪設(shè)Fig.4 Reel-lay for rigid pipe

1.4卷盤鋪設(shè)

鋪管過程中柔性管由卷盤存儲，如圖5所示，即為卷盤鋪設(shè)。卷軸鋪設(shè)中的轉(zhuǎn)動軸沿水平方向設(shè)置，而在卷盤鋪設(shè)過程中，轉(zhuǎn)動軸與甲板垂直，且卷盤通常用于單根長管道的存儲和鋪設(shè)，如遠距離鋪設(shè)臍帶纜、電纜、柔性管和鋼纜等。對于有多接頭要求的柔性管，常用卷軸分別裝載、鋪設(shè)。

圖5 卷盤鋪設(shè)Fig.5 Carousel-lay

卷軸和卷盤是柔性管的存儲方式，垂直和水平是柔性管鋪設(shè)時在鋪管船上的形態(tài)。兩種不同的分類方法可以互相交叉，組合為不同的鋪設(shè)方式。具體到鋪設(shè)方法的選擇，主要依據(jù)鋪設(shè)要求而定。鋪設(shè)方式組合的簡單對比如表1所示。

表1 鋪設(shè)方式組合對比

與專業(yè)的鋼管鋪設(shè)不同，柔性管鋪設(shè)方法對鋪管船的相關(guān)設(shè)備性能參數(shù)和船體的甲板空間都有要求，而且有時還會相互影響。但就目前而言，深水長距離柔性管鋪設(shè)多采用垂直鋪設(shè)和卷盤存儲的方式，而對于淺水近距離作業(yè)，多采用水平鋪設(shè)方法和卷軸存儲方式。作業(yè)要求在上述兩者之間的，可以根據(jù)具體施工條件進行設(shè)計。選擇組合鋪設(shè)方式，除了滿足項目需求外，很大程度上還要考慮鋪管船的具體條件。

2 柔性管鋪管船

作為鋪設(shè)系統(tǒng)的載體，鋪管船性能決定了鋪設(shè)系統(tǒng)的整體鋪設(shè)能力。國際上從事柔性管鋪設(shè)的工程公司主要有Subsea7、Technip與DOF等，他們均有各自專屬的柔性管鋪設(shè)船舶，Technip和Subsea7在全球擁有最多的鋪管服務(wù)船舶。其中Subsea7將于2016年下水的柔性管道鋪設(shè)船舶Seven Arctic，采用垂直鋪設(shè)方式，擁有325t的張緊器以及7000t柔性管和臍帶纜的存儲設(shè)備，如圖6所示。

圖6 Seven Arctic鋪管船F(xiàn)ig.6 Pipe-laying vessel “Seven Arctic”

Technip公司擁有10艘柔性管鋪管船，且于2016年再建造一艘柔性管鋪管船Deep Explorer，如圖7所示。

圖7 Deep Explorer鋪管船F(xiàn)ig.7 Pipe-laying vessel “Deep Explorer”

國內(nèi)海洋工程服務(wù)船舶也加快了建造的進度，例如中海油已經(jīng)購買并建造了HYSY289和HYSY286(見圖8)，并將于2016年完成兩艘先進船舶HYSY701和HYSY702(見圖9)的建造。

為進一步拓展HYSY702船的服務(wù)能力，對比了國內(nèi)外先進柔性管鋪設(shè)船舶及其對應(yīng)參數(shù)，如表2所示。

圖8 HYSY286鋪管船F(xiàn)ig.8 Pipe-laying vessel HYSY286

圖9 HYSY702鋪管船F(xiàn)ig.9 Pipe-laying vessel HYSY702

表2船舶參數(shù)表

Table2Specificationofvessels

注：-表示暫未查到；*表示暫無此項。

水下工程服務(wù)船舶正朝著模塊化設(shè)計方向發(fā)展，船的服務(wù)能力由不同的設(shè)計模塊的能力組合而成，以滿足不同市場需求，提升競爭力。要具備多功能性，集起重、安裝、鋪管、ROV作業(yè)等多種作業(yè)功能于一體，且兼具成本和效率俱佳的深、淺水作業(yè)性能[7]，多功能服務(wù)船(MPV)是發(fā)展的主要形式。

對比現(xiàn)有先進服務(wù)船舶性能及參數(shù)，HYSY702是一艘性能先進且具備深水服務(wù)能力的現(xiàn)代化船舶，甲板空間及強度能夠滿足搭載一套管道鋪設(shè)設(shè)備的要求：淺水遠距離鋪設(shè)，或者深水鋪設(shè)，可以搭載卷盤進行鋪設(shè)；短距離鋪設(shè)可以搭載多個卷軸進行鋪設(shè)。管道可以從月池或者船側(cè)入水，以減小船體運動引起的慣性荷載。

由于鋪管塔的重量與尺寸較大，典型的鋪管塔系統(tǒng)重量可接近1 000 t(含絞車)，并且鋪管塔重心較高，故布置鋪管塔前需要計算HYSY702船的整體穩(wěn)定性，尋求塔架的最佳布置方案。將卷盤放置在主甲板以下的艙室可以大大降低主甲板的占用空間，提升甲板利用率，但需考慮艙室的單位面積承載能力，如有必要改造艙室，例如拆除支撐柱以擴容，則需要經(jīng)過計算，確保改造后的船舶整體強度滿足設(shè)計要求。

3 結(jié) 語

柔性管鋪管技術(shù)的特點是鋪設(shè)速度快、效率高、施工周期短，其鋪設(shè)系統(tǒng)需要經(jīng)過針對性的設(shè)計，并配置于特定的服務(wù)船舶。通過對當(dāng)前水下工程服務(wù)技術(shù)的研究，本文總結(jié)了現(xiàn)有的柔性管鋪設(shè)方法，并對比了國內(nèi)外先進水下工程服務(wù)船的參數(shù)。在此基礎(chǔ)之上，探討了HYSY702船柔性管鋪設(shè)能力的開發(fā)。國內(nèi)外先進柔性管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的相關(guān)參數(shù)可為HYSY702船搭載經(jīng)過專門設(shè)計的柔性管鋪設(shè)系統(tǒng)提供借鑒：針對深水作業(yè)要求，可以采用垂直鋪設(shè)；而長距離鋪設(shè)作業(yè)，則可嘗試采用卷盤鋪設(shè)。

[1] 陳家慶. 海洋油氣開發(fā)中的水下生產(chǎn)系統(tǒng)(一)[J]. 石油機械,2007,35(5):54.

[2] 郭宏, 屈衍, 盧青針, 等. 深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計[C]. 中國海洋工程學(xué)術(shù)討論會,2011:155.

[3] 王建文, 王春升, 楊思明. 水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)模式和工程方案設(shè)計[C].中國科協(xié)2011年年會,2011:27.

[4] 張姝妍, 劉培林, 曾樹兵, 等. 水下生產(chǎn)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[C]. 中國海洋工程學(xué)術(shù)討論會,2009:149.

[5] 鄭杰馨. 海洋非粘結(jié)性柔性管設(shè)計和分析的驗證實驗研究[D]. 大連：大連理工大學(xué),2010.

[6] 王林. 深海托管架概念設(shè)計要素研究[D]. 大連：大連理工大學(xué),2008.

[7] 黃維平, 曹靜, 張恩勇. 國外深水鋪管方法與鋪管船研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 海洋工程,2011,29(1):135.

[8] 汪智峰, 黃海龍, 黃佳瀚. 柔性軟管鋪設(shè)方法及設(shè)備探討[J]. 工業(yè)及工程技術(shù),2011(5):324.

[9] American Petroleum Institute. API Specification17J. Specification for unbonded flexible pipe[S].2002.

[10] American Petroleum Institute. API RP17B. Recommended practice for flexible pipe[S].2002.

AnalysisofFlex-LayCapacityDevelopmentforHYSY702

LIANG Ji1, WU Lin1, LU Jing-jing2, WEI Zhuo2

(1.COSLDeepwaterTechnologyCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong518067,China; 2.SubseaEngineering&TechnologyCenter,Geophysical,COSL,Tianjin300451,China)

HYSY702 is a new engineering vessel capable of worldwide operations, aiming at meeting the increasing need of the subsea engineering market. In order to develop the service ability of HYSY702, flex-lay method, data of the flex-lay vessels and the related operating parameters are considered. The feasibility of equipping a flex-lay system onto HYSY702 is also discussed. This research will help us to perform flex-lay operation using HYSY702 with a tailor-made flex-lay system.

engineering vessel; pipe-laying vessel; flex-lay； reel； subsea engineering

U655.3+2

A

2095-7297(2015)04-0253-05

2015-07-21

梁稷(1984—)，男，工程師，主要從事水下工程技術(shù)研究。