特殊工況下鋪管船錨泊及鋪管關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

陳 元，任潤(rùn)卯，于 莉，關(guān)幼耕，趙開龍

(中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司 北京 100028)

·開發(fā)設(shè)計(jì)·

特殊工況下鋪管船錨泊及鋪管關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

陳 元，任潤(rùn)卯，于 莉，關(guān)幼耕，趙開龍

(中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司 北京 100028)

通過(guò)研究淺海海域特殊工況下鋪管船錨泊分析和鋪管分析方法和施工方案，以及大口徑、較深水海底管道水平口對(duì)接提升下放的力學(xué)分析方法，建立了多船舶、多吊點(diǎn)動(dòng)態(tài)聯(lián)合作業(yè)的施工工藝，解決了狹窄航道半封航施工、低曲率半徑彈性敷設(shè)、海底管道并行安全施工和大口徑、大水深區(qū)海管水平口對(duì)接等技術(shù)難題，形成了復(fù)雜海域特殊工況下海底管道設(shè)計(jì)與施工的特色技術(shù)。

錨泊分析；鋪管分析；管道彈性敷設(shè)；水平口對(duì)接

0 引 言

西氣東輸二線香港支線海底管道起自深圳大鏟島西北側(cè)(下海點(diǎn))，穿越大鏟水道、礬石淺灘及銅鼓航道，向東延伸至香港龍鼓灘發(fā)電廠(登陸點(diǎn))，全長(zhǎng)19.67 km，是西氣東輸二線延伸至香港的海底輸氣管線。管道管材采用API 5L X65，管徑Ф813 mm×22.2 mm，設(shè)計(jì)壓力7.0 MPa，運(yùn)行壓力不超過(guò)6.3 MPa，輸氣能力60億m3/a，設(shè)計(jì)壽命30 a。

本工程建設(shè)面臨著國(guó)內(nèi)天然氣海管管徑最大、施工海域最繁忙、管線埋深和回填厚度最大、質(zhì)量要求高和安全環(huán)保敏感等五大建設(shè)難題，存在潛在的穿越航道施工、弧線段彈性敷設(shè)、與高壓管道并行施工、大水深區(qū)水平口對(duì)接及30年免維護(hù)等技術(shù)難題，通過(guò)研究及實(shí)踐，形成了應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜海域、海洋環(huán)境和地質(zhì)條件的海底管道設(shè)計(jì)、施工一體化技術(shù)解決方案，確保了工程按照高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量和高安全的要求按期完工。

1 銅鼓航道鋪管船錨泊及管道彈性敷設(shè)分析

1.1 鋪管作業(yè)施工參數(shù)及著泥點(diǎn)位置確定

香港支線路由包含4個(gè)弧線段，其中銅鼓航道段是航道和弧線彈性敷設(shè)結(jié)合處，既有縱向航道水深變化，又有橫向管線曲線變化，曲率半徑為1 500 m，此段還存在較厚的流泥層，錨的抓力嚴(yán)重降低，同時(shí)設(shè)計(jì)為預(yù)挖溝，需要控制管線立體鋪設(shè)精準(zhǔn)入溝。由于彈性敷設(shè)中海管具有一定的彈力，如果錨泊方案不科學(xué)，很容易造成海管損傷和偏離路由，導(dǎo)致管線無(wú)法精確進(jìn)入管溝。

根據(jù)“中油海101”鋪管船的具體參數(shù)，建立數(shù)值模擬分析模型，利用SIMLA軟件和OFFPIPE軟件對(duì)鋪管過(guò)程的起始鋪設(shè)、正常鋪設(shè)和收棄管作業(yè)三個(gè)典型階段分別進(jìn)行受力分析，確定不同工況下的管道受力，依據(jù)規(guī)范校核，確定最優(yōu)施工參數(shù)。兩種軟件均利用非線性有限元方法和鋼懸鏈線理論進(jìn)行計(jì)算分析，相互對(duì)比驗(yàn)證，增加計(jì)算的科學(xué)性、合理性。通過(guò)計(jì)算最終確定香港支線鋪管作業(yè)施工參數(shù)如下：一般段托管架入水角為4°；航道段拖管架入水角為8°[1]。滾輪高度見(jiàn)表1，張緊器張力見(jiàn)表2。

表1 各滾輪高度 mm

表2 不同水深下張緊器張力參考值

為確保海底管道精確就位至管道路由上，利用OFFPIPE軟件對(duì)管道鋪設(shè)時(shí)的著泥點(diǎn)位置進(jìn)行精確計(jì)算[2]，得出托管架4°、30 t及8°、50 t時(shí)不同水深的著泥點(diǎn)位置，由著泥點(diǎn)位置距船尾及1站處的距離，確定船舶的具體位置，進(jìn)而指導(dǎo)船舶位置的準(zhǔn)確控制。

1.2 鋪管船錨泊及管道彈性敷設(shè)分析

依據(jù)海管曲率參數(shù)，結(jié)合鋪管船鋪管時(shí)穩(wěn)船、糾偏、防止后置載荷的實(shí)際需要，確定海管鋪設(shè)時(shí)的八錨系力學(xué)平衡布錨原則：1)以船艏艉線為對(duì)稱軸，左右舷對(duì)應(yīng)角度工作錨與艏艉線形成的角度相同、拋錨方向一致、拋錨長(zhǎng)度相同，達(dá)到左右舷力學(xué)平衡；2)船舶艏向布錨預(yù)留靜態(tài)張力總和要大于艉向布錨張力總和。“中油海101”鋪管船錨泊系統(tǒng)：8根錨纜，錨機(jī)能力1 800 kN，錨纜直徑64 mm，破斷力2 185 kN。圖1為八錨系鋪管船布錨圖。

圖1 八錨系鋪管船布錨圖

錨系統(tǒng)鋪管船敷設(shè)海管時(shí)的管道受力包括：船舶軸向偏轉(zhuǎn)力、作用于管道上的縱向制動(dòng)力和牽引力、管道自身重力、船舶隨波浪上下浮動(dòng)形成的垂向疊加載荷、作業(yè)線滾輪及托管架滾輪對(duì)管道產(chǎn)生的承托力。

銅鼓航道寬約800 m，圖2為航道鋪管作業(yè)區(qū)示意圖。經(jīng)過(guò)與海事部門協(xié)商，采用封航方式鋪管，為防止棄管對(duì)航道的影響，應(yīng)根據(jù)氣象預(yù)報(bào)選擇合適的天氣連續(xù)作業(yè)。需要通過(guò)錨泊分析，校核布錨方案是否符合力學(xué)平衡要求；明確每個(gè)布錨方案的力學(xué)突出點(diǎn)，正確指導(dǎo)實(shí)際布錨操作，避免錯(cuò)誤的布錨方案對(duì)海管造成的破壞作用。

圖2 銅鼓航道鋪管作業(yè)區(qū)示意圖

根據(jù)銅鼓航道實(shí)際情況、海洋環(huán)境條件、鋪管船參數(shù)和相應(yīng)設(shè)備能力、以及管線路由走向，共制定6種錨泊方案，22種工況。錨泊方案5為典型錨泊方案，該方案及計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 銅鼓航道錨泊方案五及計(jì)算模型

依據(jù)API 2SK 2005規(guī)范和CCS海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范，基于三維繞射勢(shì)流理論，建立鋪管船濕表面網(wǎng)格模型，結(jié)合環(huán)境參數(shù)，利用SESAM/DeepC程序進(jìn)行船舶系泊系統(tǒng)的時(shí)域全耦合分析。一般程序?yàn)橛纱暗乃畡?dòng)力性能分析得到船舶運(yùn)動(dòng)RAO、質(zhì)量矩陣、附加質(zhì)量矩陣、勢(shì)流阻尼矩陣、靜水剛度矩陣、波頻載荷RAO和平均漂移力載荷RAO，其次在DeepC中建立整個(gè)系泊系統(tǒng)模型，施加系泊纜的水動(dòng)力系數(shù)、風(fēng)流環(huán)境載荷受力系數(shù)、環(huán)境條件和其它外部載荷受力。根據(jù)以上參數(shù)求解時(shí)域受力運(yùn)動(dòng)方程，得到船舶的位移和系泊纜張力的時(shí)歷曲線。整個(gè)分析過(guò)程分為靜力分析和動(dòng)力分析。靜力分析考慮作用在船舶/系泊纜上的風(fēng)、流和漂移力的平均力載荷以及外部載荷，通?？汕蟮么跋挡聪到y(tǒng)的平均偏移位置和系泊纜張力情況，并作為動(dòng)力分析的運(yùn)動(dòng)起始位置。動(dòng)力分析考慮船舶、系泊纜和外部載荷的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，計(jì)算得到船舶的位移和系泊纜的張力的時(shí)域分析結(jié)果。

錨泊分析明確了錨位圖在環(huán)境極限因素疊加的情況下的風(fēng)險(xiǎn)突出點(diǎn)為：各錨泊方案中產(chǎn)生最大動(dòng)態(tài)張力的是方案五，工況LC16條件下LINE4為1.60E6 N，小于允許張力1.80E6 N，屬于安全可控狀況，符合規(guī)范要求，其時(shí)歷曲線如圖4所示。由此可以明確銅鼓航道布錨圖的安全性、可靠性、實(shí)用性，并以此為依據(jù)確定布錨圖，編制彈性敷設(shè)施工方案。

圖4 銅鼓航道方案五各錨纜系泊動(dòng)態(tài)張力曲線

2 龍鼓航道鋪管方案優(yōu)選及錨泊分析

2.1 龍鼓航道鋪管方案比較

海管路由需要穿越龍鼓、銅鼓和大鏟三條航道，其中龍鼓航道屬國(guó)際黃金水道，對(duì)深圳、香港的整個(gè)GDP具有重大影響，不允許全線封航，只能采取短期半封航方式施工。

“中油海101”鋪管船常規(guī)布錨方案，如圖5所示，需要艉錨纜大于300 m、艏錨纜大于800 m、船長(zhǎng)120 m，布錨區(qū)域超過(guò)1 200 m。而龍鼓航道寬920 m，要求預(yù)留320 m的單向通航，因此布錨區(qū)要壓縮到600 m以內(nèi)，這就對(duì)“中油海101”鋪管船的布錨提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)，為此需要開展錨泊技術(shù)研究和校核分析，合理制定布錨方案。

圖5 常規(guī)布錨方案

通過(guò)對(duì)底拖、吸力錨及輻射布錨等三種方案進(jìn)行綜合比較，結(jié)果見(jiàn)表3。可以看出，對(duì)某些特殊工況采用輻射布錨方式，通過(guò)計(jì)算分析挖掘鋪管船自身錨泊能力，考慮兩錨失效，將側(cè)穩(wěn)錨變前動(dòng)力錨，可實(shí)現(xiàn)管道鋪設(shè)，因此推薦采用輻射布錨方案，如圖6所示。

圖6 輻射布錨方案

2.2 龍鼓航道鋪管船錨泊分析

錨泊分析針對(duì)15.0 m、9.0 m、6.0 m和3.5 m四種水深，共考慮8種錨泊方案，24種計(jì)算工況。通過(guò)計(jì)算，各錨泊方案中產(chǎn)生最大動(dòng)態(tài)張力為方案七，其錨泊方案及計(jì)算模型如圖7所示，最大動(dòng)態(tài)系泊張力為2.19E6N，超過(guò)鋪管船工作錨設(shè)備最大額定拉力值180 t，說(shuō)明該錨泊方案不可行。

表3 龍鼓航道鋪管方案比較

因此對(duì)動(dòng)態(tài)張力超過(guò)最大額定拉力值的錨泊方案都需要進(jìn)行調(diào)整，重新計(jì)算，直到滿足要求。調(diào)整原則包括：1)考慮鋪管船作業(yè)實(shí)際情況，將張緊器極限張力75 t調(diào)整為50 t；2)為避免張力過(guò)大，在鋪管過(guò)程中可通過(guò)提前移動(dòng)2、3號(hào)錨，確保1號(hào)或4號(hào)系泊纜在單獨(dú)作用時(shí)與船舷夾角不超過(guò)60°。表4、表5為龍鼓航道錨泊方案7調(diào)整前、后的動(dòng)力分析計(jì)算結(jié)果，可以看出調(diào)整后最大動(dòng)態(tài)系泊張力為1.66E6 N，滿足要求。由此證明穿越龍鼓航道全套錨泊方案的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性、實(shí)用性。

圖7 龍鼓航道錨泊方案7及計(jì)算模型

N

表5 調(diào)整后的錨泊方案7動(dòng)力分析計(jì)算結(jié)果 N

3 龍鼓航道段與崖13-1并行保護(hù)方案

管道從進(jìn)入龍鼓航道之前的KP13.56至登陸點(diǎn)的6.11 km，均與中海油在用的崖13-1輸氣管線并行，間距由100 m逐漸縮小至登陸點(diǎn)的30 m，水深在0～22 m之間。根據(jù)預(yù)調(diào)查結(jié)果，崖13-1在并行段管道埋深大于1.5 m。要求鋪管船錨纜絕不能碰撞刮蹭崖13-1管線。

跨越管道錨纜常規(guī)采用設(shè)置浮錨漂的方案如圖8所示，避免鋼絲繩與管道接觸[3]。但長(zhǎng)距離并行，考慮鋪管船前行作業(yè)，錨纜長(zhǎng)度和角度不斷變化，需經(jīng)常拆、裝浮筒，可操作性差，周期長(zhǎng)，費(fèi)力又費(fèi)時(shí)。

圖8 安裝錨浮漂示意圖(常規(guī)方案)

根據(jù)鋪管船特性及崖13-1并行保護(hù)要求，通過(guò)公式(1)計(jì)算各錨纜懸鏈線，動(dòng)態(tài)控制錨纜張力變化，確保錨纜觸泥點(diǎn)在崖13-1管線外側(cè)，如圖9所示，避免錨纜與管線的接觸，據(jù)此制定管道并行的全程錨泊和保護(hù)施工方案，管道曲線并行段布錨示意圖如圖10所示，曲線并行段布錨數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

圖9 錨纜懸鏈狀態(tài)分析圖(推薦方案)

(1)

式中，h為水深,m；R為作用在船上的外力，t；x為錨泊點(diǎn)至掛鏈點(diǎn)的水平距離，m；α為起錨角，°；ω為每米鏈重，t/m。

圖10 管道曲線并行段布錨示意圖

錨號(hào)拋錨長(zhǎng)度/m拋錨與船體軸線夾角/°錨點(diǎn)距崖13-1管道距離/m纜繩出孔點(diǎn)距崖13-1管道距離/m37001550未跨越48004523511255007026688835012720085

施工時(shí)在錨纜橫跨管道區(qū)域設(shè)置浮漂，保證鋪管船移動(dòng)時(shí)，錨纜在管道上方，不與管道接觸。在錨點(diǎn)合理布置錨點(diǎn)監(jiān)護(hù)船，時(shí)刻監(jiān)測(cè)錨點(diǎn)的位置、錨纜長(zhǎng)度、各錨相對(duì)于鋪管船的角度，錨機(jī)設(shè)專職守護(hù)人員，時(shí)刻監(jiān)測(cè)錨纜繩的張緊情況，避免錨纜對(duì)已建管道的刮擦和鋸切。

4 大口徑、較深水管線水平口對(duì)接

4.1 水平口對(duì)接施工方案比較

工程在大鏟島下海點(diǎn)有一道水平口對(duì)接，根據(jù)對(duì)施工海域環(huán)境和海底地貌的調(diào)查研究，認(rèn)為無(wú)法按常規(guī)把水平口對(duì)接點(diǎn)選在岸邊進(jìn)行。根據(jù)國(guó)內(nèi)外海管施工經(jīng)驗(yàn)，水上水平口對(duì)接通常在10 m水深以內(nèi)進(jìn)行，水深超過(guò)10 m的水平口對(duì)接因下放距離長(zhǎng)，管線應(yīng)力不易釋放，施工風(fēng)險(xiǎn)大，通常采用水下法蘭連接，但業(yè)主不同意采用法蘭連接。

通過(guò)對(duì)比近岸段各位置的風(fēng)浪流、潮汐、地質(zhì)及周邊環(huán)境情況，并對(duì)水平口對(duì)接建模初步分析，初步考慮對(duì)近岸段和KP4(友聯(lián)船廠附近)兩處作為對(duì)接位置進(jìn)行預(yù)選。通過(guò)對(duì)兩處對(duì)接位置管道下放安全分析、友聯(lián)船廠經(jīng)濟(jì)索賠、封航或船舶航行對(duì)施工的影響、施工難度等因素綜合考慮，確定選取近岸段進(jìn)行對(duì)接。然后對(duì)近岸段考慮離岸140 m(舷側(cè)接長(zhǎng))、離岸140 m(弧線鋪設(shè))和離岸230 m(無(wú)應(yīng)力水平口)3個(gè)方案的綜合比較，結(jié)果見(jiàn)表7，最終選擇位于大鏟航道的KP0.23處作為水平口對(duì)接位置，水深23 m，需要短期封航施工。

表7 近岸段水平口對(duì)接施工方案比較

4.2 管道提吊和下放分析

在23 m水深處進(jìn)行舷外水平口對(duì)接，關(guān)鍵是兩端提吊、焊接、下放全過(guò)程不能屈曲，特別是管線下放過(guò)程中，局部受力增大，如不能使用有效方式釋放應(yīng)力，極易造成管線應(yīng)力超標(biāo)，發(fā)生屈曲變形，導(dǎo)致水平口對(duì)接失敗。

水平口對(duì)接管道提吊和下放分析，確保提吊至焊接位置管道傾斜角0°，實(shí)現(xiàn)無(wú)應(yīng)力對(duì)接；下放至海底實(shí)現(xiàn)應(yīng)力釋放。因提起的兩根管子上翹，單靠鋪管船自身無(wú)法單獨(dú)作業(yè)，經(jīng)研究分析，需借用另外兩條起重船協(xié)助，由三條船(含鋪管船)協(xié)同作業(yè)，同時(shí)提起兩根管子對(duì)接，如圖11所示。

由于水平口的位置距離岸邊較近，選擇使用陸岸拖拉法結(jié)合吊點(diǎn)拖帶法進(jìn)行應(yīng)力釋放，即在登陸端布設(shè)卷?yè)P(yáng)機(jī)，在水平口下放過(guò)程中，配合吊機(jī)下放進(jìn)行岸上拖拽，將管線應(yīng)力釋放；吊點(diǎn)拖帶法為多吊點(diǎn)聯(lián)合下放，使管線曲率發(fā)生變化，將遠(yuǎn)岸端管線的應(yīng)力順推至近岸段，結(jié)合岸拖法施工，將管線應(yīng)力釋放。

通過(guò)選取管線參數(shù)、船舶參數(shù)和設(shè)備參數(shù)，根據(jù)DNV81規(guī)定，采用公式(2)對(duì)管道鋪管應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算：

(2)

式中，N為軸向力，N；A為管道截面積，mm2；M為彎矩，N·mm；W為管道截面模量，mm3；σy為環(huán)向應(yīng)力，MPa；σF為屈服強(qiáng)度，MPa；η為使用系數(shù)，取0.72。

圖11 多船舶、多吊點(diǎn)動(dòng)態(tài)聯(lián)合作業(yè)水平口對(duì)接施工示意圖

根據(jù)OFFPIPE軟件初步計(jì)算結(jié)果，為保證KP0.23處水平口對(duì)接的順利進(jìn)行，除4個(gè)舷吊外需要增加2個(gè)吊點(diǎn)，并在管道鋪設(shè)時(shí)綁扎浮筒(直徑800 mm，長(zhǎng)度1 600 mm，每個(gè)浮筒可提供不小于7 840 N的有效浮力)，確保應(yīng)力得到有效釋放。表8、表9為管道綁扎浮筒后提吊及下放分步分析計(jì)算結(jié)果，可以看出，管道起吊過(guò)程中上彎段最大應(yīng)力為58%SMYS，下放過(guò)程上彎段最大應(yīng)力為70%SMYS，均小于管道屈服強(qiáng)度，滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

采用中油海101鋪管船與另兩艘浮吊配合、6吊點(diǎn)、綁扎浮筒并聯(lián)合岸上卷?yè)P(yáng)機(jī)，多點(diǎn)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)，下放監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)水平口無(wú)應(yīng)力對(duì)接和應(yīng)力釋放，通過(guò)動(dòng)態(tài)聯(lián)合作業(yè)計(jì)算軌跡制訂水平口對(duì)接、下放及應(yīng)力釋放的施工工藝方案。

表8 管道提吊建模分步分析結(jié)果

表9 管道下放分步分析結(jié)果

5 結(jié) 論

1)基于彈性單元和有限元分析理論、鋪管船全耦合錨泊分析技術(shù)，研究形成了淺海復(fù)雜海域特殊工況下鋪管船錨泊分析和鋪管分析方法和施工方案，以及大口徑、較深水海管水平口對(duì)接提升下放的力學(xué)分析方法，建立了多船舶、多吊點(diǎn)動(dòng)態(tài)聯(lián)合作業(yè)的施工工藝，解決了狹窄航道半封航施工、低曲率半徑彈性敷設(shè)、6 km海底管道并行安全施工和大口徑、較深水海管水平口對(duì)接等技術(shù)難題。

2)以上成果在西二線香港支線海底管道項(xiàng)目得到成功應(yīng)用，確保了工程的安全順利實(shí)施，縮短了關(guān)鍵環(huán)節(jié)的施工工期，大量節(jié)省了各種費(fèi)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì). 海洋石油工程安裝設(shè)計(jì)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2007.7：106-109.

[2] 孫成贊，王 允. OFFPIPE軟件在海底管道鋪設(shè)中的應(yīng)用[J]. 石油工程建設(shè)，2005，31(5)，49-52.

[3] 高喜峰，余建星，劉 潤(rùn). 海底管道附近拋錨時(shí)錨鏈的設(shè)計(jì)[J]. 海洋技術(shù)，2009，28(1)：97-99.

Research and Application of Key Technology of Pipe-laying Ship Mooring and Pipe-laying in Special Working Condition

CHEN Yuan, REN Runmao, YU Li, GUAN Yougeng, ZHAO Kailong

(CNPCOffshoreEngineeringCompanyLimited,Beijing100028,China)

By studying the pipe laying ship mooring under the shallow sea area special working condition, the pipe-laying analysis method and the construction scheme, the mechanics analysis method of the large diameter, and the larger depth subsea pipeline level butt joint lifting and dropping, the dynamic joint operation of the construction technology of many ships and many hoist points is established. The technological problems in pipeline construction through narrow channel under a half closure navigation, the elastic laying lower curvature radius, the operation along with high pressure pipeline, and level butt joint under large-deep water area are solved. The featured technology of the subsea pipeline design and construction under special working condition in complex sea area is formed.

mooring analysis；pipe-laying analysis；the elastic laying pipeline；level butt joint

陳 元，男，1962年生，高級(jí)工程師，1984年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院鉆井工程專業(yè)，現(xiàn)從事海洋石油工程項(xiàng)目管理工作。E-mail：chenyuan.cpoe@cnpc.com.cn

TE973.92

A

2096-0077(2017)03-0038-07

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.03.009

2016-08-10 編輯：屈憶欣)