深水水下管道終端舷側(cè)安裝關鍵技術研究

羅 超

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

目前，國內(nèi)海洋油氣開發(fā)的重點已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了深海，勘探工作已取得豐碩成果，主要區(qū)域在南海深水海域。南海流花、陵水等區(qū)塊正在穩(wěn)步開發(fā)。水下生產(chǎn)系統(tǒng)是深水油氣田開發(fā)的重要組成部分，其安裝隨著水深的增加，安全性和經(jīng)濟性面臨很大的挑戰(zhàn)[1-2]。PLET(pipeline end termination)作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的必備設備，其安裝也面臨新的挑戰(zhàn)，如傳統(tǒng)PLET在線安裝方法隨著水深的增加及尺寸、重量的增加已不再適用。流花16-2和29-1油田開發(fā)項目為國內(nèi)首次自主實施的深水項目，最大作業(yè)水深達到約1 200 m。

目前深水PLET安裝方法主要為在線安裝和舷側(cè)安裝。在線安裝是指S-lay鋪管的鋪管作業(yè)線安裝方法，在S-lay鋪管過程中，PLET與海管通過焊接完成對接,然后隨著海管一起鋪設至海底。適用在線安裝方法的PLET結構形式有分體式PLET(不帶防沉板,見圖1)和可折疊防沉板的PLET(見圖2)，以保證小尺寸順利通過作業(yè)線[3-4]。PLET在線安裝法是最簡單的PLET安裝方法，基本不用準備多余的設備，需要在海管鋪設前在PLET位置安裝防沉板，在海管鋪設完畢后，可以直接進行PLET安裝，但受到張緊器的開口的限制，PLET的尺寸和安裝方法受到限制，PLET和防沉板Mudmat需要分開安裝。

圖1 分體式PLET

圖2 可折疊防沉板的PLET

舷側(cè)安裝是通過舷側(cè)裝置回收已鋪設的管道至舷側(cè)與PLET焊接后一起下放到海底，類似于J-lay的在線安裝但需增加鋪管后的管道回收過程[3]。舷側(cè)安裝的PLET一般為帶防沉板的結構形式，根據(jù)下放形式又可分為浮筒輔助下放的形式(浮筒式，見圖3)和通過旋轉(zhuǎn)臂直接下放的形式(yoke式，見圖4)。兩種結構形式的安裝過程基本一致，其中yoke式的PLET不需深水浮筒輔助，安裝過程更為簡單、經(jīng)濟。

圖3 浮筒式PLET

圖4 york式PLET

兩種安裝方法對比如表1所示，在國內(nèi)都已有工程應用，隨著海洋石油走向深水，舷側(cè)安裝有很好的應用前景。

表1 PLET安裝方法對比

1 深水水下管道終端舷側(cè)安裝關鍵技術研究

深水水下管道終端舷側(cè)安裝關鍵技術包括以下幾部分組成：

(1) 關鍵施工設備，包括舷側(cè)安裝系統(tǒng)設備、輔助工機具等。

(2) 舷側(cè)安裝施工工藝。

本文主要針對PLET深水舷側(cè)安裝的關鍵技術特點進行如下分析。

2 舷側(cè)安裝關鍵設備

2.1 舷側(cè)安裝系統(tǒng)設備

舷側(cè)安裝系統(tǒng)(PLET handing system，PHS)是在安裝船舷側(cè)安裝PLET的主要設備，可實現(xiàn)海管回收，PLET固定回接和下放。PHS(見圖5)由以下部分組成：

圖5 舷側(cè)安裝系統(tǒng)

(1) A字架(A frame)，可轉(zhuǎn)動實現(xiàn)不同作業(yè)角度，頂部橫梁處的滑輪用于給AR絞車(abandon and recovery winch)鋼纜導向。

(2) AR絞車，用于管道回收和下放。

(3) PLET平臺，位于A字架并可相對于A字架移動，用于在安裝期間固定PLET并可以調(diào)整PLET位置以便于管端對口焊接。

(4) 懸掛平臺，可相對甲板移動將懸掛平臺端部的懸掛夾具伸出舷外用于懸掛管道，適用于多種管徑，懸掛夾具上方是作業(yè)平臺，可實現(xiàn)PLET與管道的回接作業(yè)。

2.2 輔助工機具

輔助工機具主要有懸掛夾具的套筒和頂板、適配框架、J-collar等。由于PHS系統(tǒng)的懸掛夾具尺寸固定，且不能調(diào)整，但針對不同項目管徑變化，因此須配備與管徑匹配的套筒和頂板(見圖6)，滿足J-collar的懸掛功能并使海管在夾具內(nèi)穩(wěn)定減少疲勞，同時套筒和頂板內(nèi)壁還貼有膠皮來保護海管涂層。

適配框架(見圖7)作用是調(diào)整PLET相對固定平臺的位置，使PLET下放吊點和AR纜共線，便于PLET懸掛和分離。

J-collar用于實現(xiàn)管道在懸掛平臺的固定。因此待回接PLET的已鋪設海管管端附近須配有J-collar(見圖8)。

圖6 懸掛夾具套筒和頂板

圖7 適配框架

圖8 J-collar及其懸掛狀態(tài)

3 PLTE舷側(cè)安裝施工工藝

典型的PLTE舷側(cè)安裝工藝主要包括3個階段：

(1) 已鋪設管道的回收。

(2) PLET與管道的回接。

(3) PLET和管道的下放。

已鋪設管道的回收階段，通過AR絞車提升管道至舷側(cè)并懸掛到懸掛夾具上。該過程須設計AR纜提升高度與相應船位(見圖9)，以保證海管安全且最終管端傾角達到設計的回接角度。

在PLET與管道回接階段，通過PLET平臺固定并調(diào)整PLET姿態(tài)使其與管端對中并完成回接。該過程持續(xù)時間較長，不僅需要設計合理的回接角度和天氣窗口以保證安裝期管道有足夠的疲勞壽命，必要時還需要通過增大J-collar管段的外徑、壁厚等參數(shù)進行優(yōu)化。

PLET和管道下放階段，通過AR纜下放PLET至海床目標位置。開始下放前須設計合理的A字架角度便于PLET脫離和下放，下放過程須設計AR纜下放高度與相應船位，保證結構和海管安全。下放過程如圖10所示，其中PLET和浮筒入水時及浮筒式PLET著泥時為關鍵階段須重點計算分析。

以上設計過程中除了管道的強度疲勞校核外還須對滑輪處AR纜垂向傾角和載荷、懸掛夾具載荷、PLET著泥速度等設備能力進行校核，通過優(yōu)化設計最終確定設計參數(shù)及作業(yè)天氣窗口。此外南海內(nèi)波流較多[7]，為避免船舶失位造成破壞，還須做好監(jiān)測和預防。

圖9 海管回收過程設計

圖10 PLET和海管下放過程設計

4 深水PLET舷側(cè)安裝關鍵技術應用與實踐

本文以南海某油氣田開發(fā)PLTE安裝為案例，對帶浮筒的PLET舷側(cè)安裝工藝流程進行了詳細描述。該油氣田位于香港以南約300 km，平均水深約為750 m。其中流花29-1開發(fā)包括4個PLET的安裝(2個6 in PLET和2個12 in PLET)，最大安裝水深為1 120 m，最小安裝水深為520 m。使用海洋石油201船及其新配備的舷側(cè)下放裝置進行安裝。4個PLET均為如圖11所示的結構形式，下放吊點用于和AR纜相連，york臂用于和浮筒相連，通過浮筒浮力平衡PLET重量并防止PLET扭轉(zhuǎn)。

圖11 流花29-1 PLET結構

PLET舷側(cè)安裝主要安裝流程如下：

(1) 準備工作。

a. 待回接PLET的已鋪設海管管端附近已裝有J-collar和回收鎖具。

b. 配備與管徑匹配的套筒和頂板。

c. 根據(jù)PLET的尺寸配備PLET適配框架。

d. 安裝水下LBL(long baseline)系統(tǒng)用于PLET位置和姿態(tài)測量。

e. PLET倒駁，起大吊，使用HYSY201船的800 t鉤將PLET從駁船吊至甲板。

(2) 已鋪設管道回收。

HYSY201模式轉(zhuǎn)換，將AR纜從作業(yè)線傳導至PHS系統(tǒng)，將PHS調(diào)整至90°角度，然后下放AR纜，并下放到海底于海管封頭的浮筒系統(tǒng)上方，在ROV的協(xié)助下將AR纜和浮筒系統(tǒng)連接，然后按照計算要求逐步移動船舶和回收AR纜，將海管回收至PHS系統(tǒng)上(見圖12)，并拆除J-collar保護器，將J-collar放在PHS的懸掛夾具中，關閉懸掛夾具的保護裝置，測量和調(diào)整海管的角度，使實際角度與設計角度符合。將載荷從AR纜轉(zhuǎn)移至懸掛夾具。

圖12 海管回收后狀態(tài)

圖13 調(diào)節(jié)A字架組對

圖14 PLET脫離

(3) 將A字架調(diào)至水平位置，拆除浮筒系統(tǒng)，回收浮筒和切割封頭。

(4) 吊裝PLET至PLET平臺上的適配框架掛點，并連接下放鎖具。

(5) 管端坡口加工，如果是CRA材質(zhì)，需要安裝水溶紙，然后做好保護，等待最終的組對焊接。

(6) 調(diào)節(jié)A字架角度使PLET與管端組對(見圖13)后，完成焊接、檢驗、噴砂除銹與防腐涂敷等工序。

(7) 連接浮筒。

在甲板上完成浮筒配扣。使用800 t鉤起吊浮筒并旋轉(zhuǎn)至舷外，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)主吊，將浮筒轉(zhuǎn)至PLET正前方，隨著PLET的下放浮筒連接索具緩慢拉直并拎起yoke，在此過程中須避免觸碰鉤掛PLET結構物。

(8) PLET脫離。

浮筒安裝完畢，打開懸掛夾具的保險銷，然后AR纜慢慢帶力，收緊AR纜，將海管的張力從懸掛夾具傳遞至AR絞車的張力轉(zhuǎn)換，打開懸掛卡具，收回懸掛夾具，使海管與懸掛夾具完全分離，然后繼續(xù)收緊AR纜，將PLET從底座框架掛點中拉出，使PLET和PHS慢慢分離(見圖14)。

(9) 將A字架設定至下放角度。

(10) PLET入水。

按照計算分析的步驟，緩慢移船同時保持張力釋放AR纜下放PLET，按照計算文件中每一次對移船距離，對AR纜下放長度和AR絞車的張力進行控制，使PLET慢慢入水，在PLET過飛濺區(qū)時要快，盡量減小波浪的影響，800 t保持小張力，保持浮筒的豎直；同時有必要在PLET兩側(cè)用牽引繩限制其可能的扭轉(zhuǎn)。

(11) 浮筒入水和脫鉤。

繼續(xù)下放PLET，至浮筒完全入水一定深度，暫停下放，下放吊鉤通過浮筒吊帶上浮力完成浮筒頂部連接索具與800 t脫鉤，此處采用的自動釋放裝置不需要任何裝置的輔助。

(12) PLET下放至著泥。

按照計算分析的步驟繼續(xù)下放PLET至接近泥面附近時暫停，對比定位數(shù)據(jù)和目標位置偏差，根據(jù)需要調(diào)整船位，并繼續(xù)下放使PLET落到目標位置。

(13) 測量。

通過PLET上面定位設備與水下LBL系統(tǒng)互相矯正，確定PLET安裝位置和姿態(tài)，確定是否滿足設計的精度要求。

(14) ROV解開PLET吊點上的ROV卡環(huán)，將AR纜和PLET分離，HYSY201回收AR纜，ROV拆卸定位和回收LBL系統(tǒng)。

(15) ROV解開PLET yoke上的ROV卡環(huán)，將yoke和浮筒分離，釋放浮筒，然后由RSV回收浮筒。

5 結 語

PLET作為深水油氣田開發(fā)的常用水下設備，其舷側(cè)安裝技術的應用前景廣闊。通過南海某油氣田的實踐應用為該技術積累了寶貴經(jīng)驗，本文詳細介紹了PLET舷側(cè)安裝的主要設備以及關鍵施工工藝組成的關鍵技術，并以實際工程項目為依托詳細介紹了整個安裝過程，為后續(xù)深水油氣田的開發(fā)提供參考。