深水海底管道鋪設(shè)發(fā)展綜述

黃 鈺, 包 佳

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

深水海底管道鋪設(shè)發(fā)展綜述

黃 鈺, 包 佳

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

從技術(shù)和裝備兩個(gè)方面介紹了當(dāng)今世界深水海底管道鋪設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展情況。在鋪設(shè)技術(shù)方面，圍繞幾種主流的海底管道鋪設(shè)方法，針對(duì)其技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)展開介紹，提出了制約海底管道鋪設(shè)能力的關(guān)鍵因素；在鋪設(shè)裝備方面，分別針對(duì)施工能力、工程業(yè)績(jī)、船舶參數(shù)等關(guān)鍵點(diǎn)介紹了當(dāng)今世界幾艘最先進(jìn)的深水鋪管船。描述了先進(jìn)的深水裝備對(duì)海底管道鋪設(shè)發(fā)展的重要影響，指出了我國(guó)深水鋪管裝備的發(fā)展趨勢(shì)。

深水; 海底管道; 鋪設(shè)方法; 鋪設(shè)裝備

0 引 言

隨著海洋工程技術(shù)的迅猛發(fā)展，海洋石油開發(fā)已從淺海走向深海。而作為該領(lǐng)域重要組成部分的海底管道鋪設(shè)，無論是從技術(shù)上還是從裝備上都已達(dá)到了一個(gè)較為成熟的階段。特別是在墨西哥灣、北海、南中國(guó)海等環(huán)境條件復(fù)雜的深水海域，越來越多的鋪管船留下了它們的海洋開發(fā)足跡。本文重點(diǎn)從鋪設(shè)技術(shù)和鋪設(shè)裝備的角度，對(duì)深水海底管道鋪設(shè)發(fā)展進(jìn)行綜述。

1 深水海底管道鋪設(shè)技術(shù)

在深水海域，拖拉法等傳統(tǒng)的淺水管道鋪設(shè)方法已不再適用，通常使用鋪管船來進(jìn)行海底管道的鋪設(shè)安裝。而用鋪管船來進(jìn)行海管鋪設(shè)又具體包括“S-lay”“J-lay”“Reel-lay”以及其他一些鋪設(shè)方法。

1.1 S-lay

圖1 S-lay托管架Fig.1 S-lay stinger

S-lay依托鋪管船，在鋪管船的尾部布置可調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度的托管架，如圖1所示。依據(jù)鋪設(shè)能力的不同，托管架的長(zhǎng)度也不同。在船中和船尾之間布置張緊器，如圖2所示。在管道鋪設(shè)過程中，張緊器緊緊抓住管道一端，沿著托管架下放管道。通常說來，張緊器張力越大，托管架的尺度越長(zhǎng)，則相應(yīng)的鋪管能力越強(qiáng)。

圖2 S-lay張緊器Fig.2 S-lay tensioner

在鋪管船的尾部以及托管架上，布置可調(diào)節(jié)高度的滾輪，用來支撐鋪設(shè)中的管道。通過調(diào)整滾輪的高度，可以調(diào)節(jié)鋪設(shè)過程中整個(gè)管道系統(tǒng)的受力情況。在自身重力和托管架支撐力的作用下，鋪設(shè)中的管道自然彎曲成“S”形狀[1]，如圖3所示。在鋪設(shè)過程中，整個(gè)管道系統(tǒng)可分為上彎段和下彎段[2]，在上彎段和下彎段之間的部分通常稱為中間段。在管道安裝設(shè)計(jì)時(shí)，為提高整個(gè)鋪管系統(tǒng)的安全性，應(yīng)盡量將鋪設(shè)中產(chǎn)生的應(yīng)力載荷集中在管道的上彎段。

圖3 S-lay鋪管示意圖Fig.3 S-lay pipe laying sketch

與其他鋪設(shè)方法相比，S-lay具有鋪設(shè)效率高、在鋪設(shè)過程中不會(huì)產(chǎn)生塑性變形的特點(diǎn)。它也是我國(guó)目前應(yīng)用最為廣泛的一種海底管道鋪設(shè)方法。S-lay可以鋪設(shè)帶有混凝土配重層的管道。不過隨著鋪設(shè)水深的不斷增加，S-lay對(duì)張緊器和托管架的要求也越來越高。特別是托管架，大尺度的托管架對(duì)海管鋪設(shè)有著極大的幫助。S-lay目前的鋪設(shè)深度紀(jì)錄已接近3000m，而其鋪設(shè)中應(yīng)用的托管架長(zhǎng)度已達(dá)到140m。未來，隨著鋪設(shè)深度的繼續(xù)增加，托管架的長(zhǎng)度也必然有所發(fā)展。

1.2 J-lay

J-lay是為了應(yīng)對(duì)深水及超深水海底管道鋪設(shè)而發(fā)展起來的一種方法，如圖4(a)所示。在深水海底管道鋪設(shè)中，S-lay對(duì)托管架長(zhǎng)度以及張緊器張力有著較高的要求，建造這樣的鋪設(shè)裝備需要較高的成本，J-lay則在這方面具有一定優(yōu)勢(shì)。J-lay在鋪管船的船中或者船尾布置有塔架，如圖4(b)所示，這些塔架的旋轉(zhuǎn)角度可以調(diào)節(jié)。在塔架的頂端布置有張緊器，通過調(diào)節(jié)張緊器的張力以及塔架的傾斜角度，可以控制鋪設(shè)過程中管道系統(tǒng)的鋪設(shè)應(yīng)力分布。

(a) 鋪管示意圖

(b) 塔架

J-lay鋪設(shè)便于進(jìn)行動(dòng)力定位[3]。除了進(jìn)行常規(guī)的海管鋪設(shè)，J-lay還可以進(jìn)行鋼懸鏈線立管(SCR)等深水立管以及管線終端(PLET)等水下裝置的安裝。

在焊接方面，相比較于S-lay， J-lay的焊接效率較低，這也直接影響了J-lay的鋪設(shè)速度。通常來說，J-lay每天的鋪設(shè)速度為1～1.5km。

在受力特性方面，由于J-lay塔架的傾斜角度較小，和S-lay的托管架相比，與船體之間更接近垂直狀態(tài)，所以J-lay在鋪設(shè)過程中所需要的張力較小，這是相對(duì)于S-lay一個(gè)很重要的優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)的S-lay， J-lay可以減小控制路線選擇的水平半徑，同時(shí)，對(duì)于平整度較差的海床，相對(duì)較低的底部殘余張力可以減小海床自由懸跨的長(zhǎng)度和高度，進(jìn)而大大減少海床預(yù)處理工作量。

由于鋪設(shè)過程中管道是被直接吊裝到塔架上，不存在卷曲，所以J-lay在鋪設(shè)過程中不會(huì)產(chǎn)生塑性彎曲。但是由于塔架的布局旋轉(zhuǎn)以及鋪設(shè)作業(yè)都在垂直方向完成，使得這些操作對(duì)船舶的垂向穩(wěn)性帶來了一定風(fēng)險(xiǎn)。

依據(jù)以上特點(diǎn)，J-lay主要用于水深較深海域[4]的海底管道鋪設(shè)。特別是在水深大于1000m的深水海域，例如墨西哥灣，有較多的J-lay工程經(jīng)驗(yàn)。

1.3 Reel-lay

Reel-lay是21世紀(jì)開始發(fā)展起來的一種新型的鋪管方法，如圖5所示。Reel-lay先在陸上把一定長(zhǎng)度的預(yù)制好的管子連續(xù)卷繞在滾筒上，并吊裝到鋪管船的固定架上，如圖6所示。鋪管船抵達(dá)海上現(xiàn)場(chǎng)后，將管子從滾筒上退卷，經(jīng)矯直后，通過張緊器、船尾斜滑道鋪設(shè)到海底。Ree-lay安裝所需的設(shè)備主要有吊機(jī)、鋪管船、卷軸、張緊器、校準(zhǔn)器和船尾斜滑道。

圖5 Reel-lay鋪管示意圖Fig.5 Reel-lay pipe laying sketch

圖6 Reel-lay滾筒Fig.6 Reel-lay reel

Reel-lay和S-lay、 J-lay相比很重要的一個(gè)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在它所鋪設(shè)的管道可以在陸地上完成接長(zhǎng)，接長(zhǎng)的長(zhǎng)度通?？梢赃_(dá)到1～2km。 Reel-lay的鋪管船在船中布置有滾筒，在陸地上完成接長(zhǎng)的管道均勻地卷在滾筒上。在施工期間，由于Reel-lay在船上沒有焊接站，可以進(jìn)行連續(xù)鋪設(shè)，故鋪設(shè)效率較高。在采用Reel-lay進(jìn)行海底管道鋪設(shè)時(shí)，也需要在管道的一端施加張力以向鋪設(shè)方向釋放海管，但所需要的張力遠(yuǎn)小于S-lay。

Reel-lay鋪管船的鋪設(shè)能力主要取決于滾筒的尺寸和管線矯直機(jī)的能力，滾筒滾軸的直徑?jīng)Q定鋪設(shè)管道的最大直徑，滾筒的卷管能力決定了鋪設(shè)管道的最大長(zhǎng)度。管道矯直機(jī)的能力取決于矯直機(jī)的噸位。采用Reel-lay鋪設(shè)柔性管或臍帶纜時(shí)，通常可以采用兩個(gè)滾筒。

和S-lay、 J-lay相比，Reel-lay所能鋪設(shè)的管道管徑較小，通常要求管徑不超過18英寸(1英寸≈2.54cm)。Reel-lay在鋪設(shè)過程中相比于S-lay和J-lay受力情況更為復(fù)雜，在鋪設(shè)過程中會(huì)使管道產(chǎn)生塑性彎曲[5]。為了盡量減小這種形變，Reel-lay滾筒的直徑通常都會(huì)建造得比較大。同時(shí)，由于要將所鋪設(shè)管道卷在滾筒上，Reel-lay不能鋪設(shè)帶有混凝土配重層的管道。

1.4 其他鋪設(shè)方法

除了以上三種最為常見的海底管道鋪設(shè)方法，還有其他一些鋪設(shè)方法在工程實(shí)踐中應(yīng)用，主要有Carousel-lay和Vertical-lay。

Carousel-lay如圖7所示。該鋪管方法在鋪管船船中布置滾筒，同時(shí)在船尾布置托管架，與S-lay和Reel-lay相似。在滾筒和托管架之間布置有張緊器。

圖7 Carousel-lay鋪管示意圖Fig.7 Carousel-lay pipe laying sketch

Carousel-lay的優(yōu)點(diǎn)是鋪設(shè)效率高，而且管道可以在陸地上完成管道接長(zhǎng)；不過該鋪設(shè)方法會(huì)使管道產(chǎn)生塑性彎曲，而且Carousel-lay需要張緊器能夠垂直移動(dòng)，以便與管道的高度相適應(yīng)，對(duì)于深水鋪設(shè)它也要求托管架較長(zhǎng)。

Vertical-lay如圖8所示。此鋪管方法與J-lay和Reel-lay相似，在鋪管船布置有塔架和滾筒，管道采用垂直鋪設(shè)。

圖8 Vertical-lay鋪管示意圖Fig.8 Vertical-lay pipe laying sketch

Vertical-lay的優(yōu)點(diǎn)是管道在張力下不會(huì)產(chǎn)生彎曲，設(shè)備比較輕便，而且可以放置于船中、船尾或船側(cè)等不同位置；不過Vertical-lay通常用來鋪設(shè)柔性管，不適用于剛性管的安裝。

2 深水海底管道鋪設(shè)裝備

深水海底管道鋪設(shè)裝備是衡量一個(gè)國(guó)家海洋工程實(shí)力的重要標(biāo)志。隨著海洋資源開發(fā)活動(dòng)逐漸從淺海走向深海，一些先進(jìn)的深水裝備在工程中發(fā)揮的作用越來越重要。特別是在海底管道鋪設(shè)領(lǐng)域，許多明星級(jí)別的鋪管船在一些重要海域創(chuàng)造了輝煌的工程業(yè)績(jī)，也是一些著名工程公司展示其自身競(jìng)爭(zhēng)力的重要渠道。下面針對(duì)當(dāng)今世界6艘主流的深水鋪管船從鋪設(shè)能力、工程業(yè)績(jī)、關(guān)鍵船舶參數(shù)等方面進(jìn)行介紹。

2.1 Deep Blue

Deep Blue是Technip公司主要的一艘深水鋪管船，也是當(dāng)今世界最為先進(jìn)的深水鋪管船之一，如圖9所示。該船于2001年由韓國(guó)現(xiàn)代重工建造完成。Deep Blue可以進(jìn)行J-lay和Reel-lay的鋪設(shè)，其最大設(shè)計(jì)鋪設(shè)深度可達(dá)3000m。

工程業(yè)績(jī)方面，Deep Blue具有較多深水管道鋪設(shè)經(jīng)驗(yàn)，目前的鋪設(shè)水深紀(jì)錄是2009年在Cascade & Chinook項(xiàng)目中在墨西哥灣創(chuàng)下的2900m水深的鋪設(shè)紀(jì)錄，該項(xiàng)目采用Reel-lay的鋪設(shè)方式，鋪設(shè)管道的管徑為6英寸。

圖9 Deep BlueFig.9 Deep Blue

Deep Blue鋪管船鋪管能力關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 Deep Blue鋪管船參數(shù)Table 1 Deep Blue pipelay vessel parameters

2.2 Solitaire

Allseas公司的Solitaire鋪管船是目前世界上正在服役的能力最強(qiáng)的S-lay鋪管船，有著極其豐富的S-lay深水鋪管經(jīng)驗(yàn)，如圖10所示。Solitaire是以Allseas公司的另一艘鋪管船Lorlay作為母型船完成設(shè)計(jì)建造的，1998年開始服役。Solitaire擁有三個(gè)350t的張緊器，其最大的輸出鋪設(shè)張力可達(dá)1050t，這也是目前的世界之最，為超深水海底管道的鋪設(shè)提供了有力支撐。

圖10 SolitaireFig.10 Solitaire

工程業(yè)績(jī)方面，2006年Solitaire 創(chuàng)造了深水采用S-lay方法鋪設(shè)海底管道的一座里程碑，在墨西哥灣為Enterprise Field Services 安裝了2 420m的24英寸Independence Trail 輸氣管道。

Solitaire鋪管船鋪管能力關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 Solitaire鋪管船參數(shù)Table 2 Solitaire pipelay vessel parameters

2.3 HYSY201

圖11 HYSY201Fig.11 HYSY201

HYSY201是海洋石油工程股份有限公司(COOEC)建造的一艘同時(shí)具備深水鋪管和起重能力的深水裝備，是我國(guó)第一艘真正意義上的深水鋪管船，如圖11所示。它由我國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)建造完成，是我國(guó)海洋工程史上具有劃時(shí)代意義的裝備。HYSY201采用S-lay的鋪管方式，具有兩個(gè)200 t的張緊器，管徑鋪設(shè)范圍為6～60英寸，其最大鋪設(shè)深度可達(dá)3000m。

在工程業(yè)績(jī)方面，HYSY201鋪管船的鋪設(shè)水深紀(jì)錄是2013年在中國(guó)南海荔灣3-1項(xiàng)目深水段作業(yè)中，將78.9km的6英寸海底管道鋪設(shè)在1405m水深處。經(jīng)測(cè)量，棄管封頭所處位置與設(shè)計(jì)位置的偏差僅為0.431m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5m的設(shè)計(jì)要求，這標(biāo)志著我國(guó)正式成為具備深水海底管道鋪設(shè)能力的國(guó)家。對(duì)于24英寸及以上的中大管徑海底管道，HYSY201的最深鋪設(shè)水深業(yè)績(jī)?yōu)?00m。

HYSY201鋪管船鋪管能力關(guān)鍵參數(shù)如表3所示。

表3 HYSY201鋪管船參數(shù)Table 3 HYSY201 pipelay vessel parameters

2.4 Seven Ocean

Seven Ocean建造于2007年，是Subsea 7公司的主力鋪管船，也是世界上最先進(jìn)的Reel-lay鋪管船之一，如圖12所示。Seven Ocean采用Reel-lay的鋪管方式，頂部張緊器張力400t，可以鋪設(shè)6～16英寸的海底管道，最大鋪設(shè)水深達(dá)到3000m。

圖12 Seven OceanFig.12 Seven Ocean

Seven Ocean在許多海域都有非常優(yōu)秀的工程業(yè)績(jī)，其鋪設(shè)水深紀(jì)錄是2007年在墨西哥灣創(chuàng)下的2000m。

Seven Ocean鋪管船鋪管能力關(guān)鍵參數(shù)如表4所示。

表4 Seven Ocean鋪管船參數(shù)Table 4 Seven Ocean pipelay vessel parameters

2.5 Saipem 7000

Saipem 7000建造于1987年，1997年在原有半潛式起重船的基礎(chǔ)上加裝了J-lay鋪管作業(yè)系統(tǒng)，如圖13所示。Saipem 7000是Saipem公司旗下所擁有的12條鋪管船中鋪管能力最強(qiáng)的一艘，也是目前世界上最大的深水J-lay鋪管船之一。

工程業(yè)績(jī)上，2002年Saipem 7000在俄羅斯/土耳其Blue Stream項(xiàng)目鋪設(shè)24英寸管徑鋼管時(shí)創(chuàng)下了2150m水深的紀(jì)錄，直到2006年才被Balder鋪管船以2220m打破。

圖13 Saipem 7000Fig.13 Saipem 7000

Saipem 7000鋪管船鋪管能力關(guān)鍵參數(shù)如表5所示。

表5 Saipem 7000鋪管船參數(shù)Table 5 Saipem 7000 pipelay vessel parameters

2.6 Balder

Balder是Heerema公司的主力鋪管船，建于1978年，如圖14所示。Balder為半潛式鋪管船，具有兩個(gè)浮體，每個(gè)浮體上有三個(gè)立柱，拖航吃水12m。該船配備世界上最大的錨泊線，安全工作載荷為275t。2002年Balder加裝J-lay塔，具備3000m水深鋪設(shè)能力。

圖14 BalderFig.14 Balder

工程業(yè)績(jī)方面，2006年Balder安裝了BP公司的Mardi Gras Atlantis項(xiàng)目的24英寸天然氣管道，創(chuàng)造了2220m的鋪管水深紀(jì)錄。2007年，Balder獨(dú)立錨泊于8000英尺(1英尺≈30.48cm)水深，創(chuàng)造了9000英尺的最深海底管道安裝紀(jì)錄。

Balder鋪管船鋪管能力關(guān)鍵參數(shù)如表6所示。

表6 Balder鋪管船參數(shù)Table 6 Balder pipelay vessel parameters

3 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)深水鋪管船鋪管方式目前以S-lay為主。由于在深水海底管道鋪設(shè)中S-lay受張緊器能力及托管架長(zhǎng)度的制約較大，對(duì)鋪設(shè)裝備要求極高，裝備的建造成本投入通常較大。在深水海底管道鋪設(shè)作業(yè)中，考慮到作業(yè)水深及張緊器能力的影響，在鋪管方式的選擇上通常采用J-lay進(jìn)行鋪設(shè)，以提升張緊器的適用性。這也是我國(guó)今后在深水鋪設(shè)裝備建造方面的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于管徑較小的鋼管及軟管、臍帶纜等海上安裝，多采用Reel-lay進(jìn)行鋪設(shè)，以提升鋪設(shè)速度，節(jié)約海上施工成本。對(duì)于深水海底管道鋪設(shè)項(xiàng)目，在鋪管方式的選擇上，通常需要考慮管道屬性、環(huán)境條件、施工工期、工程成本等多方面因素，綜合評(píng)估后確定最終采用的鋪管方式。

雖然目前深水海底管道鋪設(shè)無論是在技術(shù)方面還是在裝備方面都已經(jīng)達(dá)到了相對(duì)成熟的階段，但仍只是局限于現(xiàn)階段的海洋開發(fā)程度以及工業(yè)科技的發(fā)展水平。我國(guó)海域發(fā)育有26個(gè)大中型沉積盆地，其中深水盆地占16個(gè)，可以說深水區(qū)面積較大[6]。隨著石油天然氣資源的日趨枯竭，人類對(duì)這些資源的海洋開發(fā)活動(dòng)必然會(huì)向著水深更深、施工環(huán)境更加惡劣的超深水海域挺進(jìn)。海洋工程自身就具備高科技、高投入、高風(fēng)險(xiǎn)的“三高”特點(diǎn)，對(duì)海底管道鋪設(shè)來講，隨著作業(yè)水深的增加，對(duì)于工程安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求也會(huì)隨之提高。這在提出諸多挑戰(zhàn)的同時(shí)，對(duì)于促進(jìn)相關(guān)工業(yè)和科技的發(fā)展無疑將有著巨大的推動(dòng)作用。

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DevelopmentinDeepwaterPipeLaying

HUANG Yu， BAO Jia

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

We introduce the pipe laying development in the world from the aspects of technology and equipment. For pipe laying technology, the main pipe laying methods are introduced according to the technology advantages and disadvantages. The key requirement for pipe laying capacity is also described. For pipe laying equipment, the most advanced pipelay vessels are introduced with their laying capacity, engineering achievements, vessel parameters, etc. The importance and developing trend for deepwater pipelay vessel are described.

deep water; subsea pipeline; laying method; laying equipment

2017-06-22

黃鈺(1985—)，男，工程師，主要從事海底管道及深水立管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

U175.5；U615.35

A

2095-7297(2017)05-0281-06