大口徑海洋立管安裝技術(shù)研究

王龍庭,吳耀男,徐興平,吳 旭,劉鑫鑫

(中國石油大學(xué)(華東) 機電工程學(xué)院 山東 青島 266580)

1 前言

伴隨著工業(yè)革命的推進和陸地采油技術(shù)的逐步成熟，陸地油氣資源日益枯竭，人們把眼光放向儲油更多的海洋資源。美、英、法、德、日等發(fā)達國家從20世紀80年代開始，就開始計劃發(fā)展海洋科技，同時把發(fā)展海洋作為高科技戰(zhàn)略。在海洋油氣資源開采中，油氣運輸十分關(guān)鍵和重要，目前各國使用的油氣運輸方式主要是海底管道輸送。連接海底管道和海面浮體的橋梁就是海洋立管，它是海洋油氣田開發(fā)過程中不可或缺的一部分。海洋立管的分類方法有很多，但從本質(zhì)上來說，可以分為不能承受軸向載荷的柔性立管、可承受載荷的剛性立管和兩者結(jié)合的混合立管。由于海洋立管包括處在垂直方向的立管底部彎管、水平方向的水平膨脹彎管等，這樣的三維結(jié)構(gòu)使立管安裝過程中的現(xiàn)場預(yù)制和吊裝非常困難，更不用說使二者順利的進入立管卡。而隨著海洋科技發(fā)展速度的加快，立管安裝口徑也越來越大，長期以來，立管的安裝技術(shù)，特別是大口徑立管的安裝技術(shù)是阻礙國內(nèi)外海洋工程開發(fā)的一個技術(shù)難題，同時也是海洋課題研究的熱點。所以，如何解決海洋大口徑剛性立管的安裝技術(shù)迫在眉睫。

2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

1954年，在美國的墨西哥灣，Brow&Root海洋工程公司鋪設(shè)了第一條海底管道。經(jīng)過60多年的實踐探索與研究，海底管道不管是在鋪設(shè)長度、鋪設(shè)水深還是最大鋪設(shè)管徑等方面都取得了顯著的進展。據(jù)初步統(tǒng)計，現(xiàn)今，世界上海底管道鋪設(shè)長度已突破10 000 km，鋪設(shè)水深超過3 000 m，最大鋪設(shè)管道直徑達到1 219 mm[1]。而隨著海洋科技的發(fā)展，這一數(shù)據(jù)很快就會被超越。迄今為止，海洋管道鋪設(shè)方式主要有鋪管船鋪設(shè)、卷筒船鋪設(shè)和牽引法鋪設(shè)。

由于海洋立管受到的環(huán)境載荷較為惡劣，抗疲勞腐蝕能力較弱，國外許多學(xué)者在這方面對它進行了研究。其中，PHilippe P. Darcis[2]等對12組SCR用軸向拉伸疲勞試驗機來檢測海洋環(huán)境對立管軸向疲勞試驗的影響，得到了酸性環(huán)境能顯著降低立管疲勞性能的結(jié)論。Tore Roberg Andersen[3]以柔性立管作為研究對象，采用液壓伺服軸向拉伸疲勞試驗機，來探究立管材料腐蝕疲勞的影響因素，實驗結(jié)果表明酸性環(huán)境對立管疲勞性能的破壞性。Fraser Mc Master[4]等利用CO2和H2S來制造腐蝕酸性條件，并分別在兩種環(huán)境中進行頻率為0.01 Hz與0.33 Hz的立管材料腐蝕疲勞試驗，這樣就能很好的模擬實際海洋環(huán)境中立管的工作狀況，得到的結(jié)論除了酸性環(huán)境對立管疲勞的影響外，還有在酸性環(huán)境中，循環(huán)次數(shù)隨著試驗頻率減小而減小。S. A. Fox[5]研究的對象是張力腿海洋平臺，他對海洋平臺上的立管接頭進行四點彎曲疲勞試驗，得到了實際循環(huán)次數(shù)大約是同等條件下試驗疲勞載荷在設(shè)計疲勞曲線中對應(yīng)循環(huán)次數(shù)10倍的結(jié)論。Jeroen Van Wittenberghe[6]在前人研究的基礎(chǔ)上，增加了試驗的組數(shù)，他的研究對象也是張力腿海洋平臺的立管接頭，不同的是他進行了14組四點彎曲疲勞試驗，并與 BS7608規(guī)范給定的設(shè)計疲勞性能進行比較，試驗結(jié)果說明前者要更好一些。Theodoro A.Netto[7]的研究對象是撓性立管，做的是旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗，試驗結(jié)果表明大多數(shù)試件的疲勞循環(huán)上限為107，在這之后就會出現(xiàn)貫穿裂紋。

對風險事件進行風險評估和安全性能研究能有效降低事故率，給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。海洋立管作為海洋裝備的薄弱環(huán)節(jié)，自然有很多學(xué)者對其進行風險評價和安全性能研究。Spark等[8]選取的評估對象是現(xiàn)今比較熱的復(fù)合材料深水立管，他們做的是評估復(fù)合立管的缺陷損傷容限，并在此過程中開發(fā)了相應(yīng)的計算程序Joint Industry Program及用于檢測損傷及其演變的NDT(non-destructive testing)方法評估等，得到了不同機體損傷對復(fù)合立管性能尤其是疲勞壽命的影響系數(shù)。Leira等[9]查閱了近年來相關(guān)學(xué)者對海洋立管的風險評價和安全性能研究的資料，并進行了系統(tǒng)的總結(jié)和概述，并建議在立管設(shè)計過程中應(yīng)綜合考慮荷載對模型影響的不確定性和統(tǒng)計特征。E.G.Ward等[10]做的是一組對照試驗，對照的變量是復(fù)合立管和海洋立管，并對它們進行了安全評價和風險評估，得出復(fù)合立管的性能要優(yōu)于剛性立管，這一優(yōu)勢在深水區(qū)域更加突出，這對于海洋資源開采設(shè)計中，立管的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國在20世紀70年代才開始大規(guī)模開展海洋油氣田開發(fā)，而海底管道的鋪設(shè)更是遠遠落后于國際。我國第一次鋪設(shè)海底管道是在1973年，鋪設(shè)的地點是山東黃島附近，鋪設(shè)的長度是500 m，鋪設(shè)的數(shù)量是三條。而第一次鋪設(shè)油氣混輸海底油氣管道就到了1992年，是在我國的錦州鋪設(shè)的。這都是我國海底管道鋪設(shè)的里程碑事件。近年來，伴隨著世界海洋科技開發(fā)熱潮的到來，和我國對海洋科技發(fā)展的重視，以及海洋石油領(lǐng)域?qū)ν忾_放程度的加大，我國海上鋪管技術(shù)日趨成熟，海洋裝備更新?lián)Q代也越來越迅速。迄今為止，我國海底管道鋪設(shè)的最大長度已達2 000 km。

傳統(tǒng)的立管安裝主要依靠“大型起重施工船+DSV”或“動力定位工程船+DSV”兩種模式。由于這兩種傳統(tǒng)安裝方法需要投入兩艘作業(yè)船才能夠完成立管安裝，而海上船舶的租用成本很高，數(shù)量也少，很難滿足兩艘船舶同時作業(yè)的需求，這使立管的海上安裝長期以來不管是在成本上還是時間上都難以得到解決。2016年，李華等人[11]提出了一個高效的解決方案，那就是把兩臺不同噸位的吊機安裝在同一艘DSV工程船上，完成了單獨使用DSV動力定位船完成立管安裝，這一方法成功地在工程項目中得到應(yīng)用，這使立管的海上安裝成本得到大幅度的降低，使立管的海上安裝開啟了新的征程。

由于我國海洋發(fā)展較晚，所以對海洋立管的疲勞試驗和力學(xué)特性研究技術(shù)大多還是借鑒國外的成熟技術(shù)和研究，但在研究過程中也形成了自己的一些理論和觀點。劉存等[12]通過研究現(xiàn)存的懸臂梁往復(fù)彎曲立管腐蝕疲勞試驗機，并結(jié)合海洋立管的實際工作環(huán)境，對它進行了改良設(shè)計。李智博[13]通過深入了解總結(jié)相關(guān)學(xué)者做過的立管疲勞試驗，在這個基礎(chǔ)上，又綜合考慮了立管的徑向位移、厚度和層間接觸條件的變化等諸多因素，并利用各參數(shù)之間的相互關(guān)系，建立了力學(xué)模型，這一力學(xué)模型很好的反映了復(fù)合立管在軸對稱載荷作用下的運動規(guī)律。姜豪、楊和振、劉昊[14]分析了深海復(fù)合立管的力學(xué)特性，并對它進行了優(yōu)化設(shè)計。李敢、黃小平[15]對深海復(fù)合立管進行了深入研究，并向人們闡釋了它的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。

近年來，對海洋立管的風險評估也逐漸步入了人們的視野，而我國在這方面也取得了不小的成就。秦炳軍和張圣坤[16]利用TLP風險評估的實例，向人們闡釋了涉及海洋工程的動態(tài)系統(tǒng)風險評價和人因可靠性分析技術(shù)等海洋風險評估理論，為人們對海洋工程的風險評估指明了方向。王宏偉、余建星等[17]研究的更加系統(tǒng)，它涉及到的是全面的海洋工程風險管理方法體系，并對影響海洋風險評估的主要成分，和這些成分在海洋工程風險分析中的應(yīng)用進行了簡單介紹。徐愛民等[18]針對海洋工程風險評價的結(jié)果，提出了一些合理的海洋工程防范措施及風險管理方法。羅樺檳等人[19]采用了傳統(tǒng)的定量風險評估方法ETA，對海洋平臺進行了風險評估，認為預(yù)測型的實時風險管理體系要優(yōu)于經(jīng)驗型安全管理方法。

4 立管安裝方法

經(jīng)過多年的實踐與發(fā)展，海上立管安裝技術(shù)已日趨成熟，但是，大部分的海上立管安裝都要依賴海上作業(yè)船的幫助。

4.1 大型起重施工船+DSV

這種海上立管安裝方法主要是通過大型起重施工船(圖1)來完成，所用的施工船必須有能滿足立管的裝運要求的巨大的甲板，而且裝有能滿足立管吊裝所要求起吊高度的大型吊機，最重要的是它要有穩(wěn)定的定位能力，來滿足吊裝的精確性。吊裝時，它先通過大型吊機直接吊起裝運在甲板上的立管，并將其平放在水中，利用原來固定在立管上的浮袋的浮力來平衡立管重力，這樣立管就可以漂浮在水中。用吊機將立管直立，另一端與牽引繩連接，二者共同作用，把立管移到指定位置。最后一步工作就是立管的固定工作，由潛水員下水，調(diào)整立管卡子并固定，完成安裝。

圖1 大型起重施工船立管安裝方法示意圖Fig.1 Drawing of method of erection for riser of large crane construction ship

4.2 動力定位工程船+DSV

這種安裝方法是通過改裝的動力定位船來完成，它是在定位船甲板上加裝了3個Davit吊。立管安裝作業(yè)時，通過安裝的吊機將裝運在甲板上的立管平放在水中，即平吊下水，再利用吊機連接其一端，并將其扶正，另一端和平臺絞車連接，將立管傳遞至指定位置。這種立管安裝過程如圖2所示，其中DSV定位船只負責飽和潛水作業(yè)。

圖2 動力定位工程船使用Davit吊安裝立管示意圖Fig.2 Diagram of erecting riser with Davit crane for dynamic positioning engineering ship

4.3 DSV單船立管安裝方法

這種方法是由我國相關(guān)人員提出的，并在工程項目中得到實踐應(yīng)用。這種方法的優(yōu)點就是它把立管安裝過程中必需的兩艘工作船縮減到了一只，大大降低了海上立管安裝的成本，并提高了立管安裝的效率。這種安裝方法的關(guān)鍵是合理設(shè)計了DSV船上兩個吊機和安裝絞車的位置，使其能夠完成長立管起吊、扶正、傳遞及安裝。通過事先設(shè)計好的三處焊接吊點和絞車的共同作用來改變絞車鋼絲繩的方向，就能合理控制立管傳遞過程中立管的姿態(tài)。其中立管起吊和傳遞過程如圖3所示。

圖3 DSV將立管傳遞至平臺絞車Fig.3 DSV transfers riser to platform winch

立管安裝過程由ROV來全程監(jiān)控，并通過平臺絞車與DSV小吊機協(xié)同作用下將立管放到指定安裝位置，最后一步工作就是立管的固定工作，由潛水員下水，調(diào)整立管卡子并固定，完成安裝。

5 結(jié)論

淺海大口徑剛性立管能很好的滿足我國對海洋油氣的快速增長需求，而海洋立管在海洋環(huán)境中承受著風、浪、流等環(huán)境載荷的作用，使其同時成為工程結(jié)構(gòu)中最薄弱易損的構(gòu)件之一。另外，大口徑立管的渦旋脫落和極大的剛度都會影響到海洋立管的安裝，如何解決這些問題是實現(xiàn)淺海大口徑立管應(yīng)用的關(guān)鍵，也是技術(shù)的難點。

目前，國內(nèi)對淺水立管安裝的技術(shù)研究已經(jīng)成熟，對于小口徑立管的安裝問題也已研究的比較透徹，其安裝方法也比較多。通過對大口徑立管進行合理的選材和設(shè)計，根據(jù)不同的海域情況選擇合適的安裝方法，設(shè)置相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，通過Ansys等有限元軟件對大口徑立管安裝過程進行模擬仿真，根據(jù)仿真結(jié)果不斷改進大口徑立管的設(shè)計和安裝方法，尋求最佳解決方案，這個問題就會逐步得到解決。這不僅是對海洋立管安裝的一個突破，同時也大大減少了我國海洋開采的成本，對我國海洋科技的發(fā)展也具有很重要的現(xiàn)實意義。