兼具S型與J型兩種鋪管系統(tǒng)的新型設(shè)計(jì)方案

韓 健， 冷喜嘉

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司， 上海 200125)

0 引 言

隨著海洋油氣資源的深度開發(fā)，海工裝備市場的競爭日益加劇，油氣服務(wù)公司不斷探索如何提高鋪管船使用效率、滿足不同水深的鋪管需求、縮減船隊(duì)數(shù)量，以提高市場競爭力。以市場競爭為推動力，鋪管船也不斷朝著大型化、深水化、多功能化方向發(fā)展。具有兩種及以上鋪管系統(tǒng)的多功能大型鋪管船應(yīng)運(yùn)而生。

本文分析S型與J型兩種鋪管方式的優(yōu)缺點(diǎn)，對比兩型鋪管系統(tǒng)的設(shè)備組成，分析兩型鋪管系統(tǒng)的布置特點(diǎn)，從差異中尋找兩者的共性，充分利用兩型鋪管系統(tǒng)的通用設(shè)備，將兩型鋪管系統(tǒng)集中、合理地布置在一條船上，以實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)，提高鋪管船的經(jīng)濟(jì)性、作業(yè)能力、作業(yè)效率和利用率。

1 S型和J型鋪管系統(tǒng)的特點(diǎn)分析

1.1 S型和J型管道敷設(shè)方法

海底管道敷設(shè)主要有4種方式：S型鋪管法、J型鋪管法、卷筒式鋪管法(R型)、垂直鋪管法[1]。本文主要分析S型鋪管和J型鋪管系統(tǒng)。

(1) S型鋪管法。S型鋪管法的管線在鋪管船的同一水平面內(nèi)完成焊接、探傷、包覆工作，通過位于船尾的托管架支撐，靠管子的自身重力自然彎曲下放至海底，整個(gè)管線自然彎曲成S型曲線[2]，故名為S型鋪管，如圖1所示。該型鋪管法主要用于小于1 500 m的淺近海管道敷設(shè)。此外，為提高鋪管效率，會在船上設(shè)置管子預(yù)制線，將單節(jié)管預(yù)制成雙節(jié)管甚至三節(jié)管，再直接敷設(shè)雙節(jié)管或三節(jié)管，以此提升鋪管速度。與直接敷設(shè)單節(jié)管相比，雙節(jié)管的鋪管速度可提高近1倍。

圖1 S型鋪管法

(2) J型鋪管法。J型鋪管法通過直立或傾斜一定角度的鋪管塔將管子與主管線對接，在集合站內(nèi)完成焊接、探傷、包覆等工作，整個(gè)管線以近乎垂直的角度進(jìn)入水中，此時(shí)管道整體形狀呈J型故而得名[3]，如圖2所示。為提升J型鋪管效率，J型鋪管船也可配備管子預(yù)制工廠，將單節(jié)管預(yù)制成雙節(jié)管、三節(jié)管甚至四節(jié)管供J型鋪管系統(tǒng)使用。J型敷設(shè)方法適用于深水、超深水管道敷設(shè)。但是，受制于所有工序都集中在一個(gè)裝配站內(nèi)完成，其鋪管效率相對S型鋪管方式低。

圖2 J型鋪管法

1.2 S型和J型鋪管的優(yōu)缺點(diǎn)

(1) S型鋪管。適合淺水和中層水深安裝；因?yàn)楣ぷ髡径?，生產(chǎn)效率高，適合于混凝土包鋪管；深水鋪管需更長的托管架(>100 m)，限制船舶的作業(yè)能力。

優(yōu)點(diǎn)：主作業(yè)線可設(shè)置多個(gè)焊接站，提高裝配速度，鋪管效率高。

缺點(diǎn)：隨著鋪管水深加大，需更長的托管架，管道張力更高，降低船舶穩(wěn)定性，鋪管管徑減小。

(2) J型鋪管。J型鋪管法的鋪管速度較慢，適合中深水鋪管、大管徑混凝土包鋪管和易疲勞的管線，方便管道的棄置回收，特別適合水下生產(chǎn)設(shè)施項(xiàng)目安裝，如臍帶管和端部管線的安裝。

優(yōu)點(diǎn)：消除了S型鋪管的拱彎段，消除殘余應(yīng)力，降低了水平拉力，管道張力較小，可取消長而脆弱的托管架[3]，特別適合應(yīng)對深水、超深水管道敷設(shè)。

缺點(diǎn)：受鋪管塔高度和鋪管工藝的限制，鋪管作業(yè)線短，單工作站效率不高，鋪管效率低[4]。

J型鋪管系統(tǒng)是為彌補(bǔ)S型鋪管系統(tǒng)的不足而出現(xiàn)的。因此，S型與J型鋪管系統(tǒng)的優(yōu)、缺點(diǎn)呈較強(qiáng)的互補(bǔ)性。鑒于這兩型系統(tǒng)的互補(bǔ)性，如能將兩型系統(tǒng)集中布置于一條船上，將大幅增強(qiáng)單船鋪管的作業(yè)范圍、作業(yè)能力和鋪管船利用率，增強(qiáng)單船市場競爭力。此外，無論是J型鋪管還是S型鋪管，為提高鋪管效率，都普遍配備管子預(yù)制線，將單節(jié)管預(yù)制成雙節(jié)管、三節(jié)管或四節(jié)管，提升鋪管效率，因此兩型鋪管系統(tǒng)存在大量共性設(shè)備。充分利用共性設(shè)備服務(wù)兩型鋪管系統(tǒng)，可減小船舶尺寸，并大幅提升單船投資的經(jīng)濟(jì)性。

1.3 S型和J型鋪管系統(tǒng)共存的可行性

(1) 兩型鋪管系統(tǒng)所需配備的設(shè)備分析。表1對比了兩型鋪管系統(tǒng)需配備的設(shè)備，可得出結(jié)論：管子堆場、管子傳輸線、管子預(yù)制線、A & R絞車等設(shè)備是兩型鋪管系統(tǒng)都需配備的設(shè)備。如能將兩型鋪管系統(tǒng)的共有設(shè)備通過合理布置達(dá)到統(tǒng)一、共享，則可實(shí)現(xiàn)節(jié)省布置空間、減少設(shè)備數(shù)量、節(jié)約項(xiàng)目投資的目的。

表1 鋪管系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

(2) 兩型鋪管系統(tǒng)的布置位置分析。表2對比了兩型鋪管系統(tǒng)設(shè)備的布置位置，可得出結(jié)論：S型和J型鋪管系統(tǒng)共有設(shè)備的布置位置高度一致，并沒有實(shí)質(zhì)差異；其他非共有設(shè)備，僅J型鋪管塔與S型鋪管的托管架存在位置上的重疊。如能通過合理布置J型鋪管塔位置，確保J型鋪管塔與托管架互不干涉，則可實(shí)現(xiàn)將兩型鋪管系統(tǒng)布置在同一條船的目的。

表2 鋪管系統(tǒng)設(shè)備布置位置

2 兼具S型和J型鋪管系統(tǒng)的優(yōu)化布置方案

2.1 新方案介紹

本節(jié)介紹一種新型鋪管船的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案結(jié)合第1.2節(jié)和第1.3節(jié)介紹的兩型鋪管系統(tǒng)的特點(diǎn)和布置方案，不僅實(shí)現(xiàn)兩型鋪管系統(tǒng)完全共用第1.3節(jié)介紹的可共用設(shè)備，還利用S型鋪管系統(tǒng)的主作業(yè)線將雙節(jié)管預(yù)制成四節(jié)管，再通過升降機(jī)提升至露天甲板，供位于主甲板右舷的J型鋪管系統(tǒng)使用，并通過貫穿主甲板至船底的月池敷設(shè)管線[5]。新型鋪管船總布置圖如圖3所示。本設(shè)計(jì)方案可大幅減少重復(fù)功能設(shè)備的配置，降低項(xiàng)目初始投資額，提高鋪管船使用率，提高工程作業(yè)經(jīng)濟(jì)性。

圖3 新型鋪管船總布置圖

(1) 主尺度

主尺度如表3所示。

表3 新型鋪管船主尺度

(2) 主要鋪管設(shè)備和系統(tǒng)

① 管子預(yù)制線:含左右舷雙預(yù)制線，可將單節(jié)管預(yù)制成雙節(jié)管，并可在S型鋪管主作業(yè)線上將雙節(jié)管預(yù)制成四節(jié)管，并通過傳輸系統(tǒng)輸送至主甲板，供J型鋪管系統(tǒng)使用。

② S型鋪管系統(tǒng):管徑6～60 英寸(1英寸=0.025 4 m)，鋪設(shè)雙節(jié)管，鋪管水深為3 000 m，鋪管速度約7 km/d。

③ J型鋪管系統(tǒng):管徑5～36 英寸，敷設(shè)四節(jié)管，鋪管水深為3 000 m及以上，鋪管速度可達(dá)3.5 km/d。

④ 張緊器:4×175 t=700 t。

⑤ A & R絞車:2×600 t，含波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，可2臺聯(lián)合使用。

⑥ 起重機(jī)：1臺5 000 t主起重機(jī)，2臺50 t甲板起重機(jī)，1臺35 t甲板起重機(jī)，1臺25 t甲板起重機(jī)。

(3) 鋪管系統(tǒng)布置方案

① 管子堆場。該船主甲板共有約2 000 m2儲存面積，甲板載荷按15 t/m2設(shè)計(jì)；儲管架可以存儲長度為13 m的單節(jié)管，也可以直接存放雙節(jié)管和四節(jié)管；管子堆場布置在主甲板上，最大可裝載20 000 t管子。如圖4所示。

圖4 管子堆場效果圖

② 在J型鋪管模式下，右舷管子堆場改造成四節(jié)管傳輸線，如圖5所示。管子堆場的擱架采用螺栓連接。

圖5 四節(jié)管傳輸線

③ 管子傳輸系統(tǒng)。管子堆場上的管子通過左右兩舷的理管起重機(jī)，吊至艙口位置或傳輸系統(tǒng)，再由管子升降機(jī)下送至下一層14 700干舷甲板。主甲板布置圖如圖6所示。

圖6 主甲板布置圖

④ 14 700 干舷甲板的作業(yè)線可分為4個(gè)區(qū)域，如圖7所示：左舷雙節(jié)管預(yù)制線(圖7陰影1)、右舷雙節(jié)管預(yù)制線(圖7陰影2)、待作業(yè)橫移和對中區(qū)(圖7陰影3)、主作業(yè)線(圖7陰影4)。左右兩舷雙節(jié)管預(yù)制線由15個(gè)工作站組成，可同時(shí)將單節(jié)管預(yù)制成雙節(jié)管。除管子傳輸設(shè)備外，預(yù)制線含管子端部處理、坡口、對中、焊接、探傷等工作站。采用左右舷雙預(yù)制線的布置方式，可在兩舷同時(shí)預(yù)制3.5 km/d的雙節(jié)管，提高管子預(yù)制速度，提升鋪管效率，是實(shí)現(xiàn)7 km/d鋪管速度的保障。

圖7 干舷甲板布置圖

⑤ 待作業(yè)橫移和對中區(qū)位于干舷甲板艏部(見圖7陰影3)。預(yù)制的雙節(jié)管存放在該區(qū)域，并通過橫移小車移至船中心線，與主線對接。

⑥ 主作業(yè)線沿干舷甲板中心線布置(見圖7陰影4)，含端部處理、坡口、對中、焊接、探傷、包覆等工作站，艉部配備4臺175 t張緊器。

⑦ 托管架和托管架起升系統(tǒng)都布置在船尾，如圖8所示。其中，托管架起升系統(tǒng)采用插銷連桿方案，布置在主甲板上的主吊機(jī)筒體內(nèi)，如圖9所示。

圖8 托管架及托管架起升系統(tǒng)

圖9 托管架起升系統(tǒng)詳圖

⑧ 本船的J型鋪管系統(tǒng)直接鋪設(shè)四節(jié)管。干舷甲板兩側(cè)的管子預(yù)制線將單節(jié)管預(yù)制成雙節(jié)管后，再利用S型鋪管線的主作業(yè)線將雙節(jié)管預(yù)制成四節(jié)管，并完成包覆作業(yè)形成完整的四節(jié)管。完成預(yù)制的四節(jié)管通過橫移小車移向主作業(yè)線左側(cè)，并通過管子電梯將四節(jié)管向上輸送至主甲板，再經(jīng)由主甲板上的傳輸系統(tǒng)輸送給J型鋪管系統(tǒng)。如圖10所示。

圖10 S型鋪管線三維效果圖

⑨ J型塔布置于該船的船中靠右舷位置。塔下方設(shè)置從主甲板直通船底的月池，J型鋪管塔位于在該月池上方，通過該月池敷設(shè)管道。J型鋪管系統(tǒng)如圖11所示。在J型鋪管作業(yè)時(shí)，僅需運(yùn)行單側(cè)管子預(yù)制線即可實(shí)現(xiàn)3.5 km/d的鋪管速度。

圖11 J型鋪管系統(tǒng)

⑩ 本船的2臺600 t A & R絞車，可分別單臺或并車服務(wù)于J型、S型鋪管系統(tǒng)。A & R絞車布置于船中區(qū)域，在干舷甲板下，可通過滑輪將鋼絲繩引導(dǎo)至干舷甲板和主甲板，服務(wù)于S型鋪管系統(tǒng)和J型鋪管系統(tǒng)。A & R絞車艙布置如圖12所示，A & R絞車滑輪布置如圖13所示。

圖12 A&R絞車艙布置圖

圖13 A&R絞車滑輪布置圖

2.2 新方案的優(yōu)勢和意義

本文分析S型和J型兩種鋪管系統(tǒng)的共性及差異，通過實(shí)船方案介紹優(yōu)化布置方案，最終實(shí)現(xiàn)兩型鋪管系統(tǒng)在一條船上的完美結(jié)合。采用該設(shè)計(jì)方案的鋪管船與其他投入營運(yùn)的鋪管船相比有重大突破和優(yōu)勢，可為新一代多功能鋪管船提供研究案例。

(1) 該船具有S型和J型兩種鋪管系統(tǒng)，通過優(yōu)化布置，合理利用空間和共性設(shè)備，不僅實(shí)現(xiàn)所有通用設(shè)備能服務(wù)于兩型鋪管系統(tǒng)，還充分利用S型鋪管系統(tǒng)的主作業(yè)線設(shè)備預(yù)制四節(jié)管，供J型鋪管系統(tǒng)使用，進(jìn)一步減少非共用設(shè)備范圍。優(yōu)化方案的鋪管系統(tǒng)設(shè)備如表4所示。該優(yōu)化方案符合深水鋪管船提高鋪管速度、縮短海水生產(chǎn)周期、一條船有多種鋪管功能的發(fā)展趨勢[1]。

表4 優(yōu)化方案的鋪管系統(tǒng)設(shè)備

(2) 具有S型和J型兩種互補(bǔ)的鋪管方式，兩型鋪管系統(tǒng)相結(jié)合，能擴(kuò)大該船的作業(yè)水深范圍及對應(yīng)的鋪管管徑范圍，令該船交付后可獲得更高的利用率。

(3) 該多功能深水起重鋪管船可實(shí)現(xiàn)水下3 000 m大管徑鋪管作業(yè)，滿足我國深水油氣田作業(yè)需求，可徹底改變深水鋪管和水下作業(yè)依賴國外裝備的境況，填補(bǔ)該領(lǐng)域的國內(nèi)空白。

(4) 多功能起重鋪管船對船舶保有量較少、鋪管功能單一的海工工程公司來說非常實(shí)用，可提高船舶利用率，滿足各種鋪管方式，使用靈活，避免一次作業(yè)需多條船舶，減少資金投入總量以及船舶維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

隨著海洋資源開發(fā)的深入，國外起重/鋪管船正向著大型化、深水化、多功能化、環(huán)保、舒適性方向發(fā)展。該船的設(shè)計(jì)理念具有前瞻性，也是今后鋪管船發(fā)展的主要方向。

3 結(jié) 論

新型鋪管船設(shè)計(jì)方案充分利用S型鋪管系統(tǒng)的預(yù)制線、主作業(yè)線，為J型鋪管系統(tǒng)預(yù)制四節(jié)管，實(shí)現(xiàn)兩型鋪管系統(tǒng)的相互融合。一艘船兼?zhèn)涠喾N鋪管方式，能完成淺水、中深水、超深水的連續(xù)鋪管作業(yè)，為海上及水下作業(yè)、安裝等工程提供服務(wù)。

該設(shè)計(jì)方案不僅提高了鋪管設(shè)備的利用率，也提高了鋪管船的利用率，可為油氣服務(wù)公司減少船舶數(shù)量、實(shí)現(xiàn)一條船完成不同水深的工程作業(yè)需求、提升鋪管船的經(jīng)濟(jì)性、提高船舶所有人的市場接單能力提供支持。