復雜海況下大管徑柔性軟管連續(xù)弧形鋪設施工工藝

于銀海，劉 豐，江 錦，劉 朋，崔占明

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

早期海洋柔性軟管主要用于海況較好的海域，且管徑尺寸較小。隨著軟管設計和生產(chǎn)技術的快速發(fā)展，柔性軟管已廣泛應用于世界多個海域的油氣田中，最大生產(chǎn)尺寸已達D 20 in（1 in=25.4 mm）。與鋼管相比，柔性軟管具有對海底地形適應性好、防腐性能好、易鋪設和可回收等特點[1]。在海況較好的區(qū)域，因水流速度小、水下能見度高，軟管在鋪設過程中能夠保持很好的穩(wěn)定性，并能通過ROV觀察軟管在水下的狀態(tài)，控制鋪管船移動路徑，順利將軟管鋪設到預定路由。在海流速度大、能見度極差的復雜海況下進行軟管鋪設，往往很難達到鋪設精度要求，尤其大管徑柔性軟管沿海床存在高差的連續(xù)弧形路徑鋪設，將更加困難。本文以東海某油氣田輸氣登陸管道在舟山群島強潮流海域的損傷段用柔性軟管改線更換為例，介紹在流速急、平潮時間短、海水能見度差等特殊情況下柔性軟管鋪設工藝。

1 工程概述

東海某油氣田長約389 km的D 14 in外輸天然氣海底管道途徑舟山群島海域在上海登陸，受舟山海域強潮流長期沖刷影響，部分管道所在海床因地質極不穩(wěn)定多次發(fā)生地質沉陷，造成管道損傷。位于東極島附近的一段管道在臺風影響期間發(fā)生損傷，為完成管道永久修復，徹底解決地質沉陷對后期管道正常運營的影響，采用圖1所示Ω型的路徑鋪設303 m柔性軟管替換原損傷鋼質管道，以增強管道對地質沉陷的適應性，柔性軟管鋪設區(qū)域水深約26 m。

柔性軟管參數(shù)見表1。

圖1 管道Ω型改線路由/m

表1 柔性軟管參數(shù)

2 軟管鋪設分析

2.1 軟管鋪設分析方法

軟管的安裝分析模擬從起始端開始，假設起始端已經(jīng)錨固在海床上，并將軟管水平布置在施工船甲板上的張緊器和水平托軌上，隨著鋪設船舶前行將軟管鋪設至海床上。鋪設過程中考慮波流組合對軟管的水動力作用，以校驗張力及彎曲半徑能否滿足API RP 17B和API SPEC 17J規(guī)范[2-3]要求。因軟管在水中重量較輕，為增加軟管在水中的穩(wěn)定性，軟管采用注水鋪設。

軟管入水橋彎曲半徑3.5 m，張緊器最大張力150 kN。為確保船舶安裝過程的連續(xù)性及可行性，考慮在波浪條件較好的情況下進行軟管鋪設，鋪設分析中選取波高1.5 m、波周期6 s。

分析中考慮一年一遇的流速和平潮流速對鋪設過程的影響，流速數(shù)據(jù)見表2。

表2 流速數(shù)據(jù)

為了確定鋪設張力，分析中考慮50～150 kN區(qū)間不同張緊器張力對軟管鋪設的影響，張力增量為20 kN。

利用Orcaflex有限元分析軟件建立鋪設船舶及軟管模型。鋪設船舶使用Vessel進行模擬，軟管及拖拉纜采用Line進行模擬，軟管和拖拉纜的連接使用3D Buoy模擬，入水橋和甲板采用Shape進行模擬。環(huán)境條件中的波浪使用斯托克斯五階波理論，流速按照設計基礎數(shù)據(jù)輸入，保守考慮取波、流同向并垂直于軟管鋪設方向。

2.2 分析結果

考慮了不同鋪設張力及不同海況的影響，給出了不同組合計算工況下軟管的橫向偏移、最大張力、最小彎曲半徑、最大離船偏角（即軟管離開入水橋時與豎向的夾角）、著泥點距入水橋的水平距離。

（1）底部流速為1.19 m/s（一年一遇）海況下軟管鋪設分析結果見表3。

從分析結果可以看出，當張緊器張力為50 kN的時候，軟管在鋪設20 m后發(fā)生8.37 m橫向偏移，而在距起始端50 m處發(fā)生了15.19 m的偏移，也就是說此時軟管已經(jīng)不能按照船舶行進路由鋪設。隨著張力的增加，偏移量也在減小，但當張緊器張力為150 kN時軟管距起始端50 m位置依然會有6.26 m的橫向偏移。

（2）底部流速為0.3 m/s（平潮期）海況下軟管鋪設分析結果見表4。

表3 一年一遇海況軟管鋪設分析結果

表4 平潮期海況軟管鋪設分析結果

當張緊器張力為50 kN時，軟管在鋪設20 m后發(fā)生1.24 m橫向偏移，而在距起始端50 m處發(fā)生了1.77 m的偏移，小于5倍的管徑，可以認為軟管鋪設路由符合船舶的行進路由。隨著張力的增加，偏移量也在減小，可以說此時軟管鋪設很好地契合了船舶行進路由，因此軟管鋪設時間選擇了水流速度較小的平潮期進行。

當張緊器張力為50 kN時，軟管拖地點距入水橋水平距離約21 m，隨著張力的增加，軟管拖地點距入水橋的位置越來越遠，在張緊器張力為150 kN的情況下，達到72 m左右，這說明軟管在水中長度較長，不利于管道鋪設，因為鋪設過程中管道越早地鋪至海床上，就會有更多的土壤抗力提供給管道以減少水動力帶來的管道運動，因此軟管實際鋪設過程中選擇控制恒定鋪設張力為50 kN。

3 軟管鋪設作業(yè)

3.1 放置限位沙包

被替換的管道原長度為250 m，而柔性軟管沿Ω型路由的總長度為303 m，需要通過3個弧形彎，使新鋪軟管偏離原管道路由。柔性軟管起始端和終止端各長36.6 m直管段需要鋪設到比海床面低約2 m的管溝內，通過兩個彎曲半徑為35 m，長30.5 m的弧形段過渡到海床上。為保證軟管鋪設過程中順利過渡，并按照設計彎曲路徑達到理想的鋪設精度，柔性軟管鋪設前根據(jù)USBL信標指引，在柔性軟管每個設計弧形彎的起點、中點和終點分別擺放3個限位沙包點（如圖2所示），每個限位點沙包高度約1 m，以便在柔性軟管經(jīng)過限位沙包時，調整和控制鋪設路由。

圖2 弧形彎限位沙包放置/m

3.2 軟管起始端鋪設

3.2.1 起始纜安裝

與軟管起始端對接的原管道端部位于海床面以下2 m的管溝內，已經(jīng)預先安裝了機械連接器法蘭，懸空高度約0.8 m，為避免柔性軟管起始端與機械連接器法蘭碰撞，且方便軟管鋪設后起始端法蘭與機械連接器法蘭對接，因此起始鋪設需要達到較高的精度。

在與起始端對接的機械連接器法蘭后方約5 m位置的原管道上，拴10 t吊帶并使用卡環(huán)鎖緊，將吊帶環(huán)形扣留在管道正上方，然后掛10 t倒鏈作為起始纜。在距離近岸端機械連接器法蘭面約1.5 m位置預放軟管起始端連接件支撐沙袋，以便對軟管起始端的錨固件進行支撐，如圖3所示。

圖3 起始纜安裝

3.2.2 起始鋪設

軟管從滾筒上釋放，牽引起始端通過張緊器，放置在水平托軌和入水橋上。施工船甲板上履帶吊機吊鉤通過吊索與起始端拖拉盲板上的25 t卡環(huán)連接，緩慢起升吊鉤提起軟管起始端，旋轉吊機臂使吊鉤至入水橋與機械連接器中間位置，同時滾筒驅動和張緊器同步釋放管道，把柔性軟管從甲板拖出，成J型（如圖4所示）。

圖4 吊裝起始端軟管成J型

吊機旋轉到位后，保持吊鉤位置不動，張緊器繼續(xù)釋放柔性軟管，使軟管在重力作用下自然下垂成U型（如圖5所示），然后繼續(xù)緩慢下放軟管和吊機吊鉤。

圖5 吊裝起始端軟管成U型

在軟管即將到達海床時，潛水員下水到軟管最低點位置指揮履帶吊繼續(xù)緩慢下放，把軟管起始端連接件下放至泥面，使起始端軟管成S型（如圖6所示），根據(jù)起始端拖拉盲板與機械連接器法蘭之間的距離，起升吊機調整變幅和旋轉，最終使起始端拖拉盲板距機械連接器法蘭間距約50 cm。

圖6 吊裝起始端軟管成S型

用10 t吊帶在軟管起始端法蘭后側纏繞并鎖緊后，將吊帶一端從軟管法蘭正上方，與近岸端原管道上拴的吊帶和倒鏈組成的起始纜連接（如圖7所示），然后解除吊機吊扣。

圖7 軟管起始端與起始纜連接

3.3 軟管鋪設

3.3.1 軟管鋪設時的定位信標監(jiān)測

軟管鋪設過程中，在柔性軟管每個弧形彎兩側約5 m位置各綁扎1個USBL信標，共6個信標，以監(jiān)測鋪管過程中軟管在水下的位置和狀態(tài)，并以此核算距離終止點的距離。當軟管著泥點到達設計弧形彎沙袋限位點位置時，及時調整船位、艏向，確保軟管路由鋪設在限位沙包外側，按照弧形設計路由造彎。

3.3.2 起始直管段鋪設路由控制

由于軟管設計路由起始端和終止端各36.6 m直管段與原管道路由重疊，即需要鋪設到深約2 m左右的管溝內，中間弧形區(qū)域位于海床面上。為避免軟管從溝底上升到海床面過程中，造成起始端直管段與原管道路由偏離形成角度，影響后期法蘭對接效率和質量，因此在第一個弧形彎開始造彎之前，在軟管弧形彎起始點兩側再放置兩大包沙包，將軟管夾在中間，沙包之間用吊帶連接起來（見圖8），把起始端直管段牢牢地固定在溝底。

圖8 鋪設過程中第一個弧形彎起點限位沙袋放置

3.3.3 軟管鋪設過程中張力控制

軟管鋪設張緊器為兩履帶式張緊器，履帶寬度僅250 mm，若張緊器夾緊力較大，會增加軟管在擠壓情況下變形的風險。另外為控制軟管在鋪設過程中沿擺放的限位沙包造彎，軟管的著泥點水平距離不宜過遠。因此軟管鋪設過程中實時監(jiān)控軟管入水后的走向，通過調整張緊器和滾筒放管速度，使軟管保持豎直并稍微向外偏移。軟管著泥點到入水橋之間，保持懸空軟管長度約38 m左右，與軟管鋪設分析結果基本吻合。

3.4 終止端鋪設

當終止端軟管即將與滾筒脫離前，使用履帶吊吊鉤連接終止端拖拉盲板，解除軟管終止端與滾筒的固定連接。在終止端拖拉盲板卡環(huán)上連接一根牽引纜，牽引纜另一端通過導向與船上絞車連接。提升位于船舶甲板上的終止端軟管成J型。然后移船開始鋪設剩余軟管，同時旋轉履帶吊、放松牽引纜，最終將軟管終止端移至船側，與水下管道成L型（如圖9所示）。

緩慢移船并下放軟管，將軟管終止端沿設計路由逐步下放到海床。在終止端法蘭到達海床之前，潛水員下水，檢查軟管法蘭與遠岸端原管道端部的距離，引導終止端法蘭下放到泥面上（如圖10所示）。

圖10 終止端軟管放置在海床

3.4 軟管路由調查

軟管全部放置到海床后，綁扎在軟管上的6個定位信標顯示坐標與設計位置幾乎完全一致。潛水員從終止端法蘭沿軟管向起始端探摸調查軟管路由發(fā)現(xiàn)：終止端法蘭與原海底管道的遠岸端法蘭相距約1 m，軸向錯位約1個法蘭盤（如圖11所示），有利于后續(xù)法蘭對接工作；所有限位沙包無明顯滑動移位,軟管整體路由與設計路由基本吻合；軟管表面無任何損傷和扭轉跡象，狀態(tài)良好。

圖11 終止端法蘭與遠岸端法蘭相對位置

4 結束語

柔性軟管鋪設技術在國內已趨于成熟，但D 14 in大管徑柔性軟管在短距離內三個弧形彎的連續(xù)鋪設和應用在國內尚屬首次。本項目相比普通柔性軟管鋪設項目有3個獨特之處：

（1）在原海底管道上設置鋪設起始纜，保證了軟管起始端的鋪設精度，方便了后續(xù)法蘭連接。

（2）鋪設前和鋪設過程中設置軟管彎曲限位點，保證了軟管順利從約2 m深管溝過渡到海床面上，并形成連續(xù)弧形彎。

（3）在軟管上綁扎水下定位信標，有效地監(jiān)控了軟管在水下的位置，達到了理想的鋪設精度。

以上是以往柔性軟管鋪設項目從未有過的經(jīng)歷，本項目在存在海床高差、低能見度、強潮流海域的情況下，成功實現(xiàn)短距離內柔性軟管的連續(xù)弧形鋪設，為今后其他柔性軟管鋪設提供有益的借鑒，進一步提升復雜海況下柔性軟管鋪設的施工技術水平。

[1]陳海.國產(chǎn)海底軟管在海上油氣田的應用[J].石油機械，2016（5）：61-65.

[2]APIRP 17B-2014，Recommended practice for flexible pipe[S].

[3]API SPEC 17J-2014，Specification for unbonded flexible pipe[S].