海底子母管線鋪設(shè)防扭轉(zhuǎn)分析

劉文利

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海底子母管線鋪設(shè)防扭轉(zhuǎn)分析

劉文利

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

子母管鋪設(shè)期間的防扭轉(zhuǎn)問題一直是鋪管行業(yè)內(nèi)的世界級難題，至今仍無較好的措施可徹底解決該問題。就子母管鋪設(shè)時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的原因及防扭轉(zhuǎn)措施進行分析，為今后類似的子母管鋪設(shè)項目提供重要的技術(shù)參考。

子母管；防扭轉(zhuǎn)；張緊器；扭力釋放

1 子母管鋪設(shè)介紹

海底子母管線鋪設(shè)是指在常規(guī)S-LAY鋪管船上的主鋪管作業(yè)線一側(cè)增加一條子管預(yù)制作業(yè)線，在該作業(yè)線上將子管焊接接長，在主作業(yè)線的張緊器后方將子管作業(yè)線與母管作業(yè)線合并在一起同時鋪設(shè)，大管徑海管稱為母管，小管徑海管稱為子管。子母管在經(jīng)過鋪管作業(yè)線及托管架滾輪時，由于脆弱的子管承受不了強大的滾輪支反力，在鋪管作業(yè)線及托管架上，子管必須始終處在母管的上方，使子母管在鋪管作業(yè)線及托管架上不能扭轉(zhuǎn)，子管依附母管在主線母管張緊器提供的張力下同母管一起鋪設(shè)到海底。

截止到目前，海油工程共有兩個項目采用過子母管的鋪設(shè)方式，第一個項目是2006年的BZ3/4-3/5項目，共兩條子母管分別是2＂/6＂和2＂/8＂，各4 km左右；第二個項目是2014年的黃巖項目，一條18 km左右的2＂/8＂復(fù)合子母管鋪設(shè)。BZ3/4-3/5項目由于水深只有十幾米，而且距離較短，在鋪設(shè)時沒有發(fā)現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)，兩條子母管都是一次鋪設(shè)完成，中間沒有進行棄管作業(yè)。黃巖項目子母管鋪設(shè)時，由于水深(110多m)，而且海管較長，子母管出現(xiàn)了小角度的扭轉(zhuǎn)，由于鋪設(shè)時子母管上安裝了防扭轉(zhuǎn)裝置，中間遭遇兩次惡劣天氣采取了棄管作業(yè)，釋放了扭力，避免了扭力的持續(xù)積累。采用子母管鋪設(shè)的優(yōu)勢是子管和母管同時鋪設(shè)，可以節(jié)省一條子管鋪設(shè)的施工費用，節(jié)約了項目施工成本。

圖1 子母管鋪設(shè)流程圖Fig.1 Sub-tube laying flow chart

圖2 子母管綁扎效果圖Fig.2 Sub-tube banding effect map

2 海管鋪設(shè)期間產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的原因

目前，海底管道安裝鋪設(shè)的資料顯示，海底管道在安裝過程中均會產(chǎn)生不同程度的圍繞海管軸線方向的旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)隨著水深的增加尤為凸顯。海管在安裝鋪設(shè)過程中的旋轉(zhuǎn)問題成為當(dāng)前海洋工程界的一大難題。有專家認為，海管在鋪設(shè)過程中可能造成海管的旋轉(zhuǎn)，主要有以下幾個原因：第一，海管在制造過程中及焊接接長過程中存在內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)海管在鋪設(shè)張力作用下，本身存在的內(nèi)應(yīng)力可能會導(dǎo)致海管扭轉(zhuǎn)；第二，鋪管船的位移，包括橫蕩、橫搖和艏搖等；第三，側(cè)向流；第四，鋪設(shè)路由；第五，托管架產(chǎn)生的非對稱支反力。

目前，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對上述造成旋轉(zhuǎn)的原因都只是定性程度的猜想，還未有成熟的解決方案，且上述原因目前還無法通過計算手段進行量化和預(yù)測，無法對工程應(yīng)用產(chǎn)生指導(dǎo)性作用。對于普通單根海管的鋪設(shè)，由于對旋轉(zhuǎn)不具有特殊要求，一般在海管鋪設(shè)終止時棄管后自然釋放扭力，任其一端自由旋轉(zhuǎn)。但是，對于子母管安裝鋪設(shè)而言，對海管鋪設(shè)過程中的旋轉(zhuǎn)角度有著非常高的要求，一旦旋轉(zhuǎn)到一定角度，子管就會旋轉(zhuǎn)到母管的側(cè)面甚至底部，在通過鋪管船或托管架上的滾輪時，強大的滾輪支反力會把子管壓壞，這給該類海管的安裝帶來極大的困難和挑戰(zhàn)。

3 子母管鋪設(shè)期間的防扭轉(zhuǎn)措施

海管在鋪設(shè)時扭轉(zhuǎn)的程度跟水深有著很大的關(guān)系，如果水深則從張緊器到海底著泥點的長度就會延長，在單位長度扭轉(zhuǎn)角度不變的情況下，扭轉(zhuǎn)的角度就會累積加大。截至目前，子母管鋪設(shè)的防扭轉(zhuǎn)問題一直是鋪管行業(yè)內(nèi)世界級的難題，至今沒有任何好的措施徹底解決，但是經(jīng)過BZ34-3/5項目及黃巖項目三條子母管的鋪設(shè)，根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗也總結(jié)出了一些措施來減緩子母管鋪設(shè)期間的扭轉(zhuǎn)問題。

3.1 扭力定期釋放

子母管鋪設(shè)期間，由于母管在張緊器的夾持下無法旋轉(zhuǎn)，容易導(dǎo)致扭力的積累，這時可以定期在管端焊接臨時棄管封頭，連接A/R纜，將張力由張緊器轉(zhuǎn)換至A/R絞車，打開張緊器釋放扭力，這樣就可以避免扭力過度積累，導(dǎo)致子母管大角度扭轉(zhuǎn)。但是，這樣會延長海管的鋪設(shè)工期，增加施工的費用。

3.2 子管反向綁扎

子母管在鋪設(shè)期間，通過ROV的水下監(jiān)控可以判定子管的旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)子管的旋轉(zhuǎn)方向，在綁扎子管時將子管偏向旋轉(zhuǎn)方向相反的一側(cè)綁扎，這樣可以抵消一部分旋轉(zhuǎn)角度。由于導(dǎo)管架上滾輪為“V”型30°滾輪，此種方式最多只能抵消30°左右，因此，此種方式可以在水位較深的海域項目中采用，因為水位較淺，扭轉(zhuǎn)角度的積累不會太大。

圖3 子管反向綁扎設(shè)計圖Fig.3 Sub-tube reverse banding design drawing

4 在管線上綁扎旋轉(zhuǎn)抑制裝置

旋轉(zhuǎn)抑制裝置可用于抑制海管在安裝過程中由于外載荷引起的繞海管軸線方向的旋轉(zhuǎn)。其結(jié)構(gòu)組成包括一個用于產(chǎn)生向上浮力的浮筒，剛性攸克(yoke)臂和管體卡子系統(tǒng)。浮筒與yoke臂通過典型的三角形式柔性索具連接，yoke臂連接管體卡子，管體卡子分為上下兩片，卡緊在海管管體上。浮筒產(chǎn)生的凈浮力通過yoke臂傳遞給海底管道，當(dāng)海管發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，浮筒產(chǎn)生的凈浮力通過yoke臂的作用將產(chǎn)生一個恢復(fù)力矩，從而抑制海管發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

浮筒的尺寸大小要根據(jù)鋪設(shè)海管的尺寸以及相關(guān)的環(huán)境條件等因素，同時考慮海管在鋪設(shè)后坐底的穩(wěn)定性來計算確定。

海底管道鋪設(shè)旋轉(zhuǎn)抑制裝置，通過兩根柔性索具組成三角形，然后通過第三根豎直柔性索具與浮筒連接。當(dāng)海管發(fā)生旋轉(zhuǎn)的時候，底部兩根柔性索具將呈現(xiàn)受力不等狀態(tài)，偏離海管旋轉(zhuǎn)一側(cè)的索具變松弛，偏向海管旋轉(zhuǎn)一側(cè)的索具將變張緊，從而達到改變浮力作用點，增加力臂的作用。第三根豎直向上的索具設(shè)計便于水下機器人(ROV)進行切割回收浮筒。

海底管道鋪設(shè)旋轉(zhuǎn)抑制裝置，Yoke臂底部與管體卡子采用旋轉(zhuǎn)銷軸進行連接，yoke臂和浮筒可以圍繞旋轉(zhuǎn)銷軸在海管的軸線平面內(nèi)發(fā)生180°的旋轉(zhuǎn)，可有效保證對于可能發(fā)生不同傾斜角度的海管，yoke臂和浮筒均能產(chǎn)生豎直向上的浮力。管體卡子采用上下兩片設(shè)計，可方便快速安裝在海管管體上，上下兩片管卡通過螺栓進行緊固連接。

圖4 管線綁扎旋轉(zhuǎn)抑制裝置圖Fig.4 Pipeline lashing rotation suppression device diagram

此裝置的弊端：只有此裝置進入水下，當(dāng)海管發(fā)生一定程度的扭轉(zhuǎn)以后才能起到一定的恢復(fù)作用；海管的扭轉(zhuǎn)角度越大，該裝置所產(chǎn)生的恢復(fù)力矩就會越大。由于浮筒的浮力以及整個裝置受橫向流的影響會對海管的穩(wěn)定性造成一定影響，需前期設(shè)計階段對海管整體的穩(wěn)定性進行校核。該裝置屬于海管安裝階段的輔助設(shè)施，海管鋪設(shè)完畢后，為了保證海管的安全，避免受海流、漁網(wǎng)等外力影響，需立即拆除。

雖然海管鋪設(shè)一般都是連續(xù)性的，也可能會因為天氣因素或者其他原因終止鋪設(shè)，進行臨時棄管，當(dāng)天氣好轉(zhuǎn)時，需將海管回收至作業(yè)線重新鋪設(shè)，在進行海管回收前，需提前將該裝置拆除，因為該裝置無法通過鋪管作業(yè)線。該裝置拆除后，由于所提供的恢復(fù)力矩消失，子母管可能會繼續(xù)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，這時需要潛水員在水下將子母管之間的綁扎帶拆掉，在水下將子管扶正后重新綁扎，再進行回收作業(yè)。

5 結(jié)語

在黃巖項目子母管鋪設(shè)前，黃巖項目組聯(lián)合美國高泰公司對子母管在鋪設(shè)期間的扭轉(zhuǎn)問題進行過深入的研究，也咨詢過像Technip等一些國際知名的工程公司，到目前為止，對于子母管在鋪設(shè)期間的扭轉(zhuǎn)方向及扭轉(zhuǎn)角度一直無法預(yù)判，更沒有更好的解決措施，只能通過以上幾項措施結(jié)合具體情況，分別對待，盡量減緩扭轉(zhuǎn)對子母管施工造成的影響。

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Anti-twistinganalysisofsub-tubelaying

LIU Wen-li

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China)

The anti-twisting problem during the laying of the sub-tube has been a world-class problem in the pipe laying industry, and there are still no good measures to solve the problem completely. The analysis of the reasons for the reversal of the laying of the sub-tube and the anti-torsion measures will provide an important technical reference for the future laying of similar sub-pipe.

Sub-tube; Anti-twisting; Tensioner; Torque release

TE952

A

1674-8646(2017)18-0178-03

2017-06-25