深水超長超重跨接管的設(shè)計與安裝技術(shù)

原慶東 林影煉 張玉勇 徐志毅 陳曉彥 李文英

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067）

深水超長超重跨接管的設(shè)計與安裝技術(shù)

原慶東 林影煉 張玉勇 徐志毅 陳曉彥 李文英

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067）

針對我國南海某深水氣田長達(dá)91 m、質(zhì)量達(dá)107 t的超長超重水平式跨接管的運輸和海上安裝面臨的挑戰(zhàn)，提出了加裝臨時或永久性浮子及平衡重用于跨接管的安裝就位，采用重達(dá)222 t的均力架進(jìn)行跨接管的吊裝，利用A/R絞車和雙滑輪組解決跨接管的深水下放，使用專用連接工具進(jìn)行水平式連接器的水下連接等技術(shù)，并成功地完成該氣田工程跨接管的安裝作業(yè)。深水超長超重跨接管的設(shè)計與安裝在國內(nèi)尚屬首次，其技術(shù)研究及應(yīng)用成果可為我國其他深水油氣田的跨接管設(shè)計安裝作業(yè)提供參考。

深水；跨接管；超長超重；設(shè)計與安裝；動態(tài)安裝分析；水下連接

跨接管是水深超過300 m潛水無法作業(yè)或作業(yè)困難的油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的采油樹、管匯、海管終端、平臺立管等結(jié)構(gòu)之間的重要連接工具，主要由主管、兩端的連接器以及鎖緊和解鎖執(zhí)行機構(gòu)、閥門、ROV作業(yè)接口盤等組成［1-2］。目前跨接管按連接方式可分為機械式連接和液壓遠(yuǎn)程控制連接，按連接器的形式可分為卡箍式、筒夾式和扇形塊+簧片式等［3］，具體連接方式可根據(jù)不同的設(shè)計及應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)選?？缃庸馨床牧峡煞譃橛操|(zhì)鋼管和軟管，按連接布置形式可分為水平連接和立式連接。根據(jù)設(shè)計和使用目的的不同，跨接管的形狀各異，大小和質(zhì)量都各有不同。通常水下跨接管的長度一般在15～50 m之間［4］，但在某些情況下的長度要求可達(dá)近百米，質(zhì)量達(dá)120多噸，有的寬度甚至達(dá)40多米，這為跨接管的運輸和海上安裝都帶來了技術(shù)挑戰(zhàn)。

本文針對我國南海某深水氣田長達(dá)91 m、質(zhì)量達(dá)107 t的超長超重跨接管的運輸和海上安裝面臨的挑戰(zhàn)，提出了加裝臨時或永久性浮子及平衡重用于跨接管的安裝就位，采用質(zhì)量達(dá)222 t的均力架進(jìn)行跨接管的吊裝，利用A/R絞車和雙滑輪組解決跨接管的深水下放，使用專用連接工具進(jìn)行水平式連接器的水下連接等技術(shù)，并成功地完成了該氣田工程跨接管的安裝作業(yè)，為我國其他深水油氣田的跨接管設(shè)計與安裝作業(yè)提供了參考。

1 深水超長超大跨接管設(shè)計

我國南海某深水氣田水深1 480 m，φ558.8 mm海管與水下中心管匯之間的跨接管設(shè)計比較特殊，考慮水下空間布局、海管膨脹、鉆井作業(yè)等方面因素，跨接管設(shè)計得較長、較重，形狀復(fù)雜。以圖1所示的該氣田水下跨接管PLEM-RJ-08為例，該跨接管的主要技術(shù)指標(biāo)為：安裝水深1 388 m、管徑558.8 mm、空氣中質(zhì)量107 t、海水中質(zhì)量91 t、跨接管長度91 m、寬度40 m、高度11 m、用管總長154 m。該跨接管還在管內(nèi)預(yù)裝了海底管線除水惰化用的2個清管球，清管球中間充入了乙二醇（MEG），清管球上配有放射源，用來檢測清管球除水作業(yè)時的位置。

圖1 PLEM-RJ-08跨接管示意圖Fig.1 PLEM-RJ-08 pipe spool sketch

由于海管尺寸較大，現(xiàn)有的立式連接器已不能滿足PLEM-RJ-08跨接管設(shè)計要求，因此跨接管兩端設(shè)計采用了水平式連接器。在跨接管就位安裝后，跨接管內(nèi)通入工藝液流時，為保證跨接管各部位均勻受力或避免共振，設(shè)計加裝了平衡重和永久性浮子。由于跨接管過長過重，跨度很大，因此在中間部位下方設(shè)計了2個支撐結(jié)構(gòu)（圖2），以保證跨接管長期使用不會發(fā)生受力變形。

圖2 PLEM-RJ-08跨接管支撐結(jié)構(gòu)Fig.2 PLEM-RJ-08 pipe spool sport structure

2 深水超長超重跨接管安裝技術(shù)

2.1 安裝輔助工具

由于PLEM-RJ-08跨接管設(shè)計超長超重，安裝吊放過程中均衡受力很重要，否則可能使跨接管因局部應(yīng)力過大而損壞。在安裝過程中，跨接管管內(nèi)存有部分試壓用液體，加大了部分跨接管部位的受力，為此需要對跨接管進(jìn)行重控分析，并在相應(yīng)部位設(shè)計安裝浮子和平衡重（圖3），以消除跨接管在正常使用過程中不需要的浮力或重力。

圖3 PLEM-RJ-08跨接管浮子及平衡重Fig.3 Buoyancy and balance weight of PLEM-RJ-08 pipe spool

圖4 PLEM-RJ-08跨接管吊裝均力架Fig.4 Lifting spread frame of PLEM-RJ-08 pipe spool

由于PLEM-RJ-08跨接管不規(guī)則的形狀設(shè)計，常用的單管吊裝均力桿無法滿足吊裝要求，為此設(shè)計了一個專門的均力架（圖4），能夠保證跨接管在運輸和海上安裝過程中均勻受力，并易于吊裝作業(yè)。該均力架上設(shè)計有12個吊耳、1個水下定位用的應(yīng)答器放置桶、2個吊裝三角板的存放架和便于吊裝操作的人行通道等，能夠適應(yīng)整個PLEM-RJ-08跨接管的長度和寬度，并承受跨接管的質(zhì)量，其主體鋼結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計采用鋼管焊接，整體尺寸為長103 m、寬12 m、高1 m，空氣中的質(zhì)量為222 t，海水中的質(zhì)量為193 t。

PLEM-RJ-08跨接管整體吊裝布置如圖5所示，均力架下方用11根吊索將跨接管均衡吊裝起來，上方則通過12根吊索具和三角板與吊機或絞車吊鉤相連?？缃庸?、浮子、平衡重、均力架及上下索具加在一起的整體吊裝系統(tǒng)空氣中質(zhì)量達(dá)到351.3 t，水中質(zhì)量達(dá)到303.7 t。

圖5 PLEM-RJ-08跨接管整體吊裝示意圖Fig.5 PLEM-RJ-08 pipe spool deployment sketch

2.2 安裝方式

考慮安裝船的起吊能力，選用的安裝船為一條J-LAY鋪管船，該船主要指標(biāo)為：船長164.46 m、船寬30 m、作業(yè)吃水7.4 m；主吊機安全工作載荷最大600×104N（20 m工作半徑時為470×104N）；主吊機鋼纜允許最大動載荷894×104N，最小破斷載荷2 683×104N。

由于PLEM-RJ-08跨接管安裝位置水深達(dá)1 388 m，使用船吊鉤頭已不能滿足直接吊放跨接管到海底的技術(shù)要求，因此設(shè)計采用了先使用船吊下放跨接管到海底約50 m的水深位置，再轉(zhuǎn)移使用船上絞車［5］（鋪管棄置A/R纜）進(jìn)行下放的方法。A/R下放鋼纜（φ104 mm）在水中的單位質(zhì)量為45.7 kg/m，最小破斷載荷為883×104N，所允許的最大動載荷為353×104N，鋼纜一般通過船中或船尾的導(dǎo)纜器下放。

PLEM-RJ-08跨接管及其吊裝索具的水中質(zhì)量達(dá)303.7 t，而A/R絞車最大吊裝能力為400 t，不能滿足水下吊裝動態(tài)放大系數(shù)DAF≤2的要求，因此研究采用了雙滑輪組合下放跨接管的方式，如圖6所示。在跨接管安裝就位時控制跨接管的下放就位速度很重要，為此使用了船上的A/R纜系統(tǒng)的AHC補償器［6］，從而保證了跨接管的平穩(wěn)就位。

圖6 雙滑輪組下放安裝PLEM-RJ-08跨接管Fig.6 Double pulley of PLEM-RJ-08 pipe spool delployment

PLEM-RJ-08跨接管安裝主要步驟包括：①將跨接管運輸船停泊在安裝船側(cè)；②安裝船主吊機吊索具連接跨接管；③吊起跨接管并拖離運輸船；④移動吊臂到安裝下放位置；⑤下放跨接管通過飛濺區(qū)；⑥水下將跨接管由船吊換到A/R絞車（使用動滑輪）；⑦下放跨接管到距海床20 m的高度；⑧移動工作船到跨接管安裝目標(biāo)位置；⑨跨接管安裝就位在海管終端和管匯上；⑩拆除并回收安裝索具。

2.3 動態(tài)安裝分析

對PLEM-RJ-08跨接管進(jìn)行動態(tài)安裝分析?？缃庸茉谙路胚^程中，由海浪引起的安裝船的上下浮動和前后左右搖擺會使整個吊放系統(tǒng)上下振動，從而引起跨接管的局部受力過大而損壞?？缃庸艿膭討B(tài)安裝分析一般考慮2種工況，即跨接管通過飛濺區(qū)和水中下放與海底就位，進(jìn)而確定跨接管安裝時對海況的限制要求。

PLEM-RJ-08跨接管動態(tài)安裝分析使用OrcaFlex軟件進(jìn)行，所有計算基于一根鋼纜，鋼纜上端連接船吊鉤頭或A/R導(dǎo)纜器，下端連接跨接管。PLEM-RJ-08跨接管動態(tài)安裝分析所需要的輸入數(shù)據(jù)主要有：①跨接管及連接器、均力架及索具的基本特征；②水動力系數(shù)，包括附加質(zhì)量系數(shù)和阻力系數(shù)等；③工程船主尺度、幅值相應(yīng)算子、A/R絞車及補償器參數(shù)、主吊機參數(shù)；④海況數(shù)據(jù)，包括海水密度與海浪數(shù)據(jù)（如有義波高、最大波高等）。

2.3.1 通過飛濺區(qū)的動態(tài)安裝分析

PLEM-RJ-08跨接管通過飛濺區(qū)吊放時，使用OrcaFlex軟件進(jìn)行分析所考慮的主要限制條件有動力放大系數(shù)DAF≤1.3和最大Mises等效應(yīng)力≤324 MPa［7］，分析工況有2種，即跨接管在水面上和在水面下，最惡劣的情況是當(dāng)跨接管穿越海面時，除跨接管本身的慣性荷載外，主要承受的是水面的拍擊力。拍擊力Fslam為

式（1）中：ρ為海水密度；Cs為拍擊系數(shù)，本文取5.0；Ap為投影面積；vs為拍擊速度。

當(dāng)跨接管通過水面后，拍擊力大大減小，這時主要考慮跨接管的慣性力、拖拽力和浮力。OrcaFlex軟件計算得出：在船頭迎浪±15°的區(qū)間內(nèi)，不同波浪周期條件下（6～16s）的最大有義波高最小可達(dá)4.45 m，因此PLEM-RJ-08跨接管在正常情況下使用工程船的主吊機通過飛濺區(qū)吊裝下放作業(yè)沒有問題。

2.3.2 水中下放與海底就位的動態(tài)安裝分析

在水中下放過程中PLEM-RJ-08跨接管、吊裝索具和吊機鋼纜構(gòu)成了一個質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，當(dāng)波浪周期與系統(tǒng)自然波動周期相近時會發(fā)生共振，對升沉運動有非常大的影響（圖7），因此應(yīng)該使跨接管在安裝作業(yè)時的波浪周期盡量遠(yuǎn)離系統(tǒng)自然波動周期。經(jīng)過計算，PLEM-RJ-08跨接管在不同作業(yè)水深的最大自然波動周期為5.8 s，安裝作業(yè)時如果海浪波動周期超過6 s，則跨接管出現(xiàn)共振的可能性比較小。

圖7 PLEM-RJ-08跨接管動態(tài)放大系數(shù)與激蕩周期的關(guān)系曲線Fig.7 Typical dynamical amplification vs.excitation period of PLEM-RJ-08 pipe spool

跨接管在水中下放和就位時，使用OrcaFlex軟件進(jìn)行分析所考慮的主要限制條件有：①動態(tài)放大系統(tǒng)DAF≤2；②吊機鋼纜最大能力910 t和A/R絞車鋼纜能力390 t（使用動滑輪時為700 t）；③跨接管安裝就位時的最大下降速度0.5 m/s；④使用動滑輪時補償器的最大沖程為0.94 m、最大允許速度為0.63 m/s；⑤安裝船的可操作性最大有義波高為3.25 m等。此外，跨接管安裝時還會受到安裝船能力（升沉速度、幅度等）的限制。

跨接管在水中下放和就位安裝時主要分析計算鉤頭處或A/R導(dǎo)纜孔處的2種運動幅值：一種是考慮系統(tǒng)安全工作荷載、動載放大系數(shù)DAF和最大就位速度等安裝限制條件后所允許的運動幅值；另一種是由海況（波浪和周期）引起通過工程船的理論RAO值計算得出的運動幅值。當(dāng)由海況引起的運動幅值小于系統(tǒng)各種安裝限制條件模擬計算得出的運動幅值時，跨接管才能安全下放和就位安裝。圖8為未使用和使用開沉補償器時鉤頭下方就位分析圖，可以看出未使用升沉補償器時海況導(dǎo)致的運動幅值在大部分波浪周期內(nèi)都大于安裝限制條件模擬得出的運動幅值，不滿足安裝條件；而使用升沉補償器時安裝限制條件大大優(yōu)化放寬，海況導(dǎo)致的運動幅值在波浪周期6～12 s時小于安裝條件所允許的運動幅值，因此可在一定條件下進(jìn)行下放和就位安裝作業(yè)。

圖8 未使用和使用升沉補償器（AHC）時的鉤頭下放就位分析圖Fig.8 Lowering and landing analyses without AHC or with AHC

2.3.3 動態(tài)安裝分析結(jié)果

PLEM-RJ-08跨接管通過飛濺區(qū)、使用補償器和不使用補償器下放就位工況下波浪周期6～15 s時所允許的有義波高值見表1，從表1可以看出：

1）跨接管安裝應(yīng)使船頭迎浪±15°的范圍內(nèi)；

2）使用無升沉補償?shù)闹鞯鯔C吊放跨接管通過飛濺區(qū)時所允許的在各種波浪周期下的最大有義波高為4.45 m以上，說明跨接管通過飛濺區(qū)的作業(yè)是安全的；

3）跨接管下放和就位過程中使用400 t雙滑輪A/R纜和升沉補償器時，在波浪周期為6～11 s時所允許的最大有義波高為2.97 m以上，為比較安全的跨接管安裝海況；

4）跨接管下放和就位過程中使用400 t雙滑輪A/R纜但不使用升沉補償器時，只有在波浪周期為9～10 s時所允許的最大有義波高為3.09 m，也是比較安全的跨接管安裝海況。

表1 不同波浪周期下PLEM-RJ-08跨接管安裝的有義波高Table 1 Deployment result summary for jumper with vessel of PLEM-RJ-08 pipe spool

2.4 水下連接

在PLEM-RJ-08跨接管安裝就位后，跨接管兩端采用Glayloc卡箍式水平式連接器分別與海管終端和管匯、立管、采油樹等連接，以完成整個安裝過程?？缃庸芘c海管終端連接器上設(shè)計有Glayloc卡子，卡子上配有扭力工具接口，可以使用液壓扭力扳手?jǐn)Q緊卡子；另外還設(shè)計有連接工具安裝就位板、連接工具受力板、V型導(dǎo)向槽、水平導(dǎo)向孔、垂向定位銷等（圖9）?？缃庸芘c管匯、立管、采油樹等連接器上則相對應(yīng)設(shè)計有連接工具受力板、V型水平導(dǎo)軌、水平定位銷、垂向定位孔、水下測量用的應(yīng)答器插口等（圖10）。

2個管接頭連接時，首先通過垂向定位孔和定位銷配合定位，然后使用專用連接工具通過V型導(dǎo)軌進(jìn)行連接。專用連接工具主要由4個液壓缸及拉桿組成，4個液壓缸可協(xié)調(diào)一致動作，由ROV通過控制盤及閥門來操作（圖11）。

圖9 PLEM-RJ-08跨接管與海管終端連接器Fig.9 Connector part with PLEM-RJ-08 pipe spool and pipe end

圖10 PLEM-RJ-08跨接管與管匯端連接器Fig.10 Connector end with PLEM-RJ-08 pipe spool and PLET

圖11 PLEM-RJ-08跨接管管接頭專用連接工具Fig.11 Special connection pull in tool of PLEM-RJ-08 pipe spool end

圖12 PLEM-RJ-08跨接管專用連接工具使用示意圖Fig.12 PIT tool installation sketch of PLEM-RJ-08 pipe spool

使用專用連接工具進(jìn)行連接時，首先將其吊放到跨接管連接器上方，連接器拉桿處于伸長狀態(tài)（圖12）。專用連接工具被放置到跨接管連接器的安裝就位板上，拉桿則和2個部分的拉緊受力板結(jié)合。專用連接工具完全就位后，可操作液壓缸使拉桿收縮，將跨接管側(cè)受力板及整個連接器拉向管線終端或管匯、立管、采油樹等的連接工具受力板，并通過水平定位銷使2個部分連接器完全結(jié)合在一起，兩端管口通過金屬密封圈完全對接，最后再用Glayloc卡箍式連接器關(guān)閉管卡使對接管口固緊密封，從而完成整個水平連接器的連接任務(wù)。

3 現(xiàn)場安裝效果

圖13 中心管匯端PLEM-RJ-08跨接管安裝現(xiàn)場Fig.13 PLEM-RJ-08 pipe spool installation at central manifold side

跨接管預(yù)制完成后，由運輸駁船運到海上安裝現(xiàn)場，再由安裝船上的600 t吊機直接從運輸駁船上吊起（圖13），并平穩(wěn)通過飛濺區(qū)下放到水面下50 m處，再將整個跨接管吊放系統(tǒng)由船吊轉(zhuǎn)移到400 t A/R纜絞車上，并繼續(xù)下放到水深1 388 m的中心管匯和管線終端兩端。跨接管安裝就位后使用專用連接工具進(jìn)行拉緊連接，最后使用液壓扳手將Glayloc卡子閉合，從而完成了跨接管兩端連接器的最終連接。整個安裝作業(yè)過程順利，但在安裝后進(jìn)行連接器的密封背壓測試時發(fā)現(xiàn)管匯端連接器密封失效，密封測試壓力無法維持，連接器密封測試壓力在14 min內(nèi)從11.7 MPa降低到6.2 MPa，密封測試未能通過。后經(jīng)過技術(shù)人員將卡子的擰緊扭矩從原來的22 570 N·m增加到23 184 N·m，密封測試才得以通過，最終解決了密封失效問題。

4 結(jié)束語

區(qū)別于目前水深較淺的油氣田跨接管安裝，深水跨接管超長、超重，形狀復(fù)雜，給安裝作業(yè)帶來了一定的難度。對于形狀復(fù)雜的跨接管吊裝，設(shè)計采用了重達(dá)222 t的均力架進(jìn)行吊裝作業(yè)。對于深水跨接管無法使用船吊直接下放，使用了A/R絞車及補償器，并在水下50 m處將跨接管及吊裝均力架由吊機轉(zhuǎn)移到A/R絞車下放。對于超長過重的跨接管無法懸空，采用了支撐塊設(shè)計，從而使跨接管在運輸安裝和使用過程中均勻受力，不出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，并在某些部位安裝臨時浮塊、平衡重、永久浮子。深水超長超重跨接管的設(shè)計與安裝在國內(nèi)尚屬首次，其技術(shù)研究及應(yīng)用成果為我國其他深水油氣田的跨接管設(shè)計與安裝作業(yè)提供了參考。

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Design and installation of deep water oversize and overweight jumpers

YUAN Qingdong LIN Yinglian ZHANG Yuyong XU Zhiyi CHEN Xiaoyan LI Wenying
（Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.，Shenzhen，Guangdong518067，China）

The huge pipe jumper which was 91 m long and weighed 107 t brought a big challenge for its sea transportation and installation in a deep water gas field of South China Sea.Some techniques were proposed such as the applications of 1）temporary or permanent buoyancy and counterweight for the pipe jumper to be installed in position，2）a 222 t weight spread frame for the jumper lifting，3）A/R winch and double pulley system for jumper deployment，and 4）a pull in tool（PIT）for connection of the horizontal connector.It was the first time to design and install the oversize pipe jumpers in China.The study and application practice is of reference significance to the other deep water gas fields.

deep water；jumper；oversize and overweight；design and installation；dynamic installation analysis；subsea connection

原慶東，林影煉，張玉勇，等.深水超長超重跨接管的設(shè)計與安裝技術(shù)［J］.中國海上油氣，2017，29（6）：136-142.

YUAN Qingdong，LIN Yinglian，ZHANG Yuyong，et al.Design and installation of deepwater oversize and overweight jumpers［J］.China Offshore Oil and Gas，2017，29（6）：136-142.

TE952

A

1673-1506（2017）06-0136-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.06.018

原慶東，男，高級工程師，1983年畢業(yè)于華東石油學(xué)院石油礦場機械專業(yè)，現(xiàn)主要從事海上油氣田海上工程安裝作業(yè)工作。地址：廣東省深圳市南山區(qū)后海濱路3168號中海油大廈A座（郵編：518067）。E-mail：yuanqd＠cnooc.com.cn。

2017-05-08改回日期：2017-06-20

（編輯：葉秋敏）