深水大型起重鋪管船S型鋪管系統(tǒng)鋪管能力分析*

涂永彬 趙 潔 李 勝 阮見(jiàn)明

(1武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065；2 武昌船舶重工集團(tuán)有限公司湖北海洋工程裝備研究院有限公司，湖北 武漢 430060)

1. 概述

深水大型起重鋪管船主要服務(wù)于海工模塊整體吊裝與深海油氣管道鋪設(shè)，系統(tǒng)復(fù)雜，布置密集，自動(dòng)化操控要求高，作業(yè)海況復(fù)雜，動(dòng)力定位能力強(qiáng)，單船造價(jià)高，是國(guó)際公認(rèn)的高技術(shù)、高附加值船舶。當(dāng)前國(guó)際上主流的深水大型起重鋪管船都采用DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)[1]，作業(yè)水深超過(guò)1000m，船上同時(shí)配備大型起重機(jī)和S型鋪管系統(tǒng)，擁有很好的自航能力，能在比較惡劣的海況下進(jìn)行鋪管作業(yè)。

起重鋪管船鋪管能力，主要包括鋪管速度、鋪管作業(yè)水深、鋪設(shè)管節(jié)外徑、長(zhǎng)度、重量等性能指標(biāo)。其中，鋪管速度和鋪管作業(yè)水深為關(guān)鍵性能指標(biāo)，決定了船舶工作海域和鋪管效率，直接影響船舶租金。本文著眼于鋪管能力的研究，在對(duì)比分析三艘深水大型起重鋪管船S型鋪管系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，厘清鋪管作業(yè)流程，研究主要鋪管設(shè)備，得出影響鋪管速度和鋪管作業(yè)水深的主要因素，為今后國(guó)內(nèi)該類(lèi)船舶S型鋪管系統(tǒng)的自主設(shè)計(jì)及設(shè)備選型提供有益借鑒。

2. S型鋪管系統(tǒng)及主要鋪管設(shè)備

海洋油氣資源開(kāi)采運(yùn)輸涉及的海底管道用途不一、型式多樣，鋪管的作業(yè)海況和鋪管水深也有很大差異，為適應(yīng)不同需求，而產(chǎn)生多種鋪管方式，主要包括S型鋪管(S-Lay)、J型鋪管(J-Lay)、卷筒式鋪管(Reel-Lay)、柔性鋪管(Flex-Lay)以及復(fù)合鋪管(Multi-Lay)等[2]。這些不同的鋪管方式，通過(guò)選用相應(yīng)的鋪管設(shè)備，在船上進(jìn)行系統(tǒng)集成，形成專(zhuān)用的鋪管系統(tǒng)。

如圖1所示，S型鋪管系統(tǒng)是指在船上將一根一根的管節(jié)連接成管線(xiàn)，使用張緊器對(duì)管線(xiàn)進(jìn)行夾持和收放，保持管線(xiàn)姿態(tài)，再經(jīng)由船艉的托管架使管線(xiàn)呈S形姿態(tài)落入海底。

1-托管架 2-管線(xiàn) 3-張緊器 4-工作站 5-支撐滾輪組 6-管節(jié)(單節(jié)管) 7-管節(jié)(雙節(jié)管)圖1 典型S型鋪管系統(tǒng)布置圖

圖2 典型S型鋪管系統(tǒng)鋪管流程圖

如圖2所示，S型鋪管系統(tǒng)采用流水線(xiàn)作業(yè)，按照加工工藝將管節(jié)與管線(xiàn)的連接細(xì)分為多道工序，在連接處設(shè)置相應(yīng)的工作站，主要完成焊接坡口開(kāi)設(shè)、管節(jié)對(duì)中、管節(jié)焊接、焊縫質(zhì)量檢測(cè)、管節(jié)接頭防腐處理等工序。S型鋪管系統(tǒng)可以鋪設(shè)混凝土包敷的剛性管道，不僅適用于淺水作業(yè)環(huán)境，也可以在深水條件下完成海底油氣管道的鋪設(shè)。

從設(shè)備配置角度，深水大型起重鋪管船S型鋪管系統(tǒng)，根據(jù)作業(yè)流程，將鋪管設(shè)備劃分為管節(jié)傳輸設(shè)備、管線(xiàn)對(duì)中裝置、管線(xiàn)支撐滾輪、張緊器、可調(diào)支撐滾輪以及A&R絞車(chē)等。其中，張緊器和A&R絞車(chē)為鋪管系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備[3]。

圖3 張緊器

圖4 A&R絞車(chē)(張力絞車(chē))

圖5 A&R絞車(chē)(儲(chǔ)纜絞車(chē))

2.1 張緊器

如圖3所示，張緊器(Tensioner)主要由機(jī)架(設(shè)備底座、兩側(cè)支撐結(jié)構(gòu)和頂部結(jié)構(gòu))、履帶輪、升降螺桿、氣動(dòng)夾緊裝置、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、齒輪箱和電氣元件等組成。該張緊器為履帶輪上下布置的垂直張緊器，工作時(shí)對(duì)管線(xiàn)產(chǎn)生垂直方向的夾持力。此外，還有履帶輪左右布置的水平張緊器，以及上下左右各布置一套履帶輪裝置的四履帶張緊器。

在S型鋪管系統(tǒng)中，管線(xiàn)從托管架到海床之間有比較長(zhǎng)的懸空段，懸空段的管線(xiàn)會(huì)由于鋪管船受到風(fēng)、浪、流的影響而上下垂蕩，使得船尾和海床之間的距離不斷變化，在管線(xiàn)內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力。如果將管線(xiàn)與鋪管船固定在一起，當(dāng)鋪管船受環(huán)境因素影響而上升時(shí)，懸空段的管線(xiàn)將承受很大的拉力，這個(gè)拉力可能會(huì)使管線(xiàn)超過(guò)許用應(yīng)力造成破壞。當(dāng)鋪管船受環(huán)境因素影響而下降或?qū)⒐芫€(xiàn)自由置于船上時(shí)，管線(xiàn)在自身重力和浪流的作用下，將承受很大的彎曲應(yīng)力。當(dāng)該應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限后，將使管線(xiàn)產(chǎn)生塑性變形[4]。簡(jiǎn)言之，懸垂于海水中的管線(xiàn)，在受到外界環(huán)境因素影響時(shí)，既有可能被拉斷，也有可能被折斷。

S型鋪管系統(tǒng)中張緊器的應(yīng)用，能很好地解決上述問(wèn)題。鋪管作業(yè)流水線(xiàn)上的管線(xiàn)經(jīng)過(guò)多道工序后，由固定在船上的張緊器夾持管線(xiàn)并保持一定的張緊力，使管線(xiàn)一直處于張緊狀態(tài)，并能隨著風(fēng)、浪、流等外界環(huán)境的變化實(shí)時(shí)地調(diào)整張緊力的大小，使懸垂于海水中的管線(xiàn)處于受控狀態(tài)。

2.2 A&R絞車(chē)

A&R絞車(chē)(Abandon & Recovery Winch)是鋪管船上配備的另一類(lèi)大型專(zhuān)用設(shè)備，主要用于管線(xiàn)的回收和棄置[5]。在遇到惡劣天氣條件時(shí)，鋪管海域的作業(yè)環(huán)境超出鋪管船的承受能力，迫使鋪管船不得不停止作業(yè)。通過(guò)操作A&R絞車(chē)將懸垂于海水中的管線(xiàn)放置于海底。當(dāng)風(fēng)浪過(guò)去，再使用A&R絞車(chē)將管線(xiàn)從海底拉回至鋪管作業(yè)線(xiàn)，繼續(xù)鋪管作業(yè)。

從拉拽海水中懸垂管線(xiàn)的角度來(lái)說(shuō)，A&R絞車(chē)和張緊器的功能基本相似。只是張緊器主要用來(lái)保持懸垂管線(xiàn)的姿態(tài)，以免管線(xiàn)被拉斷或者被折斷；A&R絞車(chē)則在保持懸垂管線(xiàn)姿態(tài)的前提下，通過(guò)拉拽將懸垂管線(xiàn)放置海底或者拉到鋪管船上。

隨著海洋油氣開(kāi)采逐步向深遠(yuǎn)海進(jìn)軍，鋪管水深早已突破2000m，有些大型鋪管船的鋪管水深甚至可以達(dá)到3000m。鋪管作業(yè)越深，意味著懸垂在海水中的管線(xiàn)更長(zhǎng)、重量更大，這就給張緊器和A&R絞車(chē)的能力提出了更高的要求。尤其對(duì)于A&R絞車(chē)來(lái)說(shuō)，不僅要求A&R絞車(chē)要有超過(guò)3000m的容繩量，還要具備很大的拉力。一般情況下，額定拉力不超過(guò)300t的A&R絞車(chē)，通常采用單卷筒型式；當(dāng)額定拉力超過(guò)300t時(shí)，A&R絞車(chē)由一臺(tái)雙卷筒的張力絞車(chē)和一臺(tái)單卷筒的儲(chǔ)纜絞車(chē)組成，如圖4、圖5所示。

3. 深水大型起重鋪管船S型鋪管系統(tǒng)對(duì)比分析

近些年來(lái)，筆者參與的深水大型起重鋪管船項(xiàng)目主要有：美國(guó)McDermott公司的DLV6000(Derrick Pipe-Lay Vessel)起重鋪管船，新加坡Swiber公司的DCV5000(Deepwater Construction Vessel)起重鋪管船，以及Swiber公司的KAIZEN4000起重鋪管船改裝項(xiàng)目。

3.1 船舶主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比分析

從船舶主尺度、定位方式、推進(jìn)器數(shù)量及能力等幾個(gè)方面，對(duì)DLV6000、DCV5000和KAIZEN4000等三型起重鋪管船進(jìn)行對(duì)比分析，具體參數(shù)如表1所示。

表1 三型起重鋪管船主要技術(shù)參數(shù)

從船舶主尺度方面進(jìn)行分析，這三型起重鋪管船的顯著特點(diǎn)是型寬很大、總長(zhǎng)較長(zhǎng)、甲板面積大。這三型船均配備有大型海洋工程起重機(jī)：KAIZEN4000的最大起重能力為3800t @ 30m，DCV5000的最大起重能力為5000t @ 34m，DLV6000的最大起重能力為5500t @ 39m。一方面，船舶主尺度需滿(mǎn)足起重穩(wěn)定性的要求；另一方面，S型鋪管系統(tǒng)需要在甲板上安裝數(shù)十臺(tái)套鋪管設(shè)備，各工作站也需要足夠的作業(yè)空間，較大的甲板面積，也是為了滿(mǎn)足S型鋪管系統(tǒng)的要求。

對(duì)于深水大型起重鋪管船，除裝備有錨泊定位系統(tǒng)外，還必須配備一定數(shù)量的推進(jìn)器，形成DP3動(dòng)力定位能力，滿(mǎn)足深水作業(yè)需要。KAIZEN4000全船共安裝8臺(tái)推進(jìn)器，在船艉左、右舷各安裝一臺(tái)5500 kW的全回轉(zhuǎn)式推進(jìn)器，在船舶中部?jī)上霞棒疾抗才鋫?臺(tái)2200 kW的可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，此外，還安裝一臺(tái)功率為1950 kW的艏側(cè)推。DCV5000和DLV6000則分別配備了8臺(tái)和9臺(tái)推進(jìn)器。

3.2 S型鋪管系統(tǒng)主要參數(shù)對(duì)比分析

從鋪管方式、鋪管水深、鋪設(shè)管節(jié)規(guī)格、主要鋪管設(shè)備配置等幾個(gè)方面，對(duì)DLV6000、DCV5000和KAIZEN4000等三型起重鋪管船進(jìn)行對(duì)比分析，具體參數(shù)如表2所示。

表2 三型起重鋪管船鋪管系統(tǒng)主要參數(shù)

根據(jù)上表鋪管系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)，結(jié)合總布置圖和技術(shù)規(guī)格書(shū)，尤其是對(duì)鋪管系統(tǒng)設(shè)備布置圖和主要鋪管設(shè)備技術(shù)規(guī)格書(shū)進(jìn)行重點(diǎn)研究，對(duì)這三型船S型鋪管系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，得到影響鋪管速度和鋪管作業(yè)水深的主要因素，具體如下。

(1)S型鋪管系統(tǒng)鋪管作業(yè)流程大致相同

海底油氣管道的鋪設(shè)，主要是在鋪管船上把一根根的管節(jié)連接成管線(xiàn)，通過(guò)船艉的托管架沉入海底。為了提高鋪管效率，通常采用流水線(xiàn)作業(yè)，細(xì)分每道工序，在管節(jié)橫向或縱向的傳輸過(guò)程中，設(shè)置相應(yīng)的工位分別完成管節(jié)兩端焊接坡口的開(kāi)設(shè)，新加管節(jié)與已連管節(jié)的對(duì)中，管節(jié)之間的焊接，焊縫質(zhì)量的檢測(cè)，焊接接頭處的防腐與包敷，將管節(jié)連成管線(xiàn)后，再通過(guò)張緊器夾持管線(xiàn)、調(diào)整管線(xiàn)狀態(tài)，船舶前進(jìn)一根管節(jié)的距離，管線(xiàn)經(jīng)由船艉的托管架沉入海底。

(2)鋪管作業(yè)分為單節(jié)管模式和雙節(jié)管模式

海底油氣管道采用英制標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)管節(jié)長(zhǎng)度通常分為單節(jié)管(Single Joint)和雙節(jié)管(Double Joint)[2]。單節(jié)管長(zhǎng)度為40英尺，約為12.2m；雙節(jié)管長(zhǎng)度為80英尺，約為24.4m。鋪管船S型鋪管系統(tǒng)至少配備一條主鋪管作業(yè)流水線(xiàn)，用來(lái)鋪設(shè)單節(jié)管或雙節(jié)管。有些鋪管船還專(zhuān)門(mén)設(shè)置雙節(jié)管預(yù)制流水線(xiàn)，可以在船上把單節(jié)管預(yù)制成雙節(jié)管。例如，KAIZEN4000的鋪管作業(yè)流水線(xiàn)為單節(jié)管鋪管作業(yè)線(xiàn)，DLV6000的鋪管作業(yè)流水線(xiàn)既可鋪設(shè)單節(jié)管也可鋪設(shè)雙節(jié)管，DCV5000可以在船上將單節(jié)管預(yù)制成雙節(jié)管，也可以直接鋪設(shè)單節(jié)管或雙節(jié)管。

1-托管架 2-可調(diào)支撐滾輪組3-張緊器 4-支撐滾輪組 5-管節(jié)(雙節(jié)管) 6-管節(jié)(單節(jié)管)圖6 典型S型鋪管系統(tǒng)工作站布置圖

(3)管節(jié)長(zhǎng)度和工作站數(shù)量是影響鋪管速度的主要因素

S型鋪管系統(tǒng)在鋪管作業(yè)流水線(xiàn)上設(shè)置有各種工作站，主要包括對(duì)中站、焊接站、檢測(cè)站、返修站、噴涂站、包敷站等。理論上，鋪管船鋪設(shè)管節(jié)的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，工作站數(shù)量越多，鋪管速度就越快。但是，受到船舶主尺度的制約，在流水線(xiàn)長(zhǎng)度一定的情況下，鋪設(shè)管節(jié)越長(zhǎng)，工作站的數(shù)量就越少。如圖6所示，在單節(jié)管模式下流水線(xiàn)上有WS1、WS2、WS3…… WS11總計(jì)11個(gè)工作站；而在雙節(jié)管模式下流水線(xiàn)上可用的工作站只有WS2、WS4、WS6、WS7、WS8、WS9、WS11等7個(gè)工作站。因此，管節(jié)長(zhǎng)度和工作站數(shù)量相互制約，在設(shè)計(jì)鋪管系統(tǒng)時(shí)需綜合考慮鋪管模式的選擇和工作站的數(shù)量。

(4)張緊器與A&R絞車(chē)的能力是影響鋪管作業(yè)水深的重要因素

正常鋪管時(shí)，托管架至海床之間的懸空段管線(xiàn)，主要依靠張緊器的作用來(lái)保持管線(xiàn)的姿態(tài)。隨著鋪管作業(yè)水深的增加，懸空段的管線(xiàn)將會(huì)更長(zhǎng)，承受風(fēng)浪流的影響更大，對(duì)張緊器能力的要求也更高。因此，張緊器的能力直接影響鋪管作業(yè)水深。

當(dāng)鋪管作業(yè)被迫中斷和重新開(kāi)始時(shí)，則需要使用A&R絞車(chē)對(duì)管線(xiàn)進(jìn)行棄置和回收。因此，要求A&R絞車(chē)的能力與張緊器相當(dāng)，A&R絞車(chē)的容繩量與鋪管作業(yè)水深相適應(yīng)。對(duì)這三型起重鋪管船張緊器和A&R絞車(chē)性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以充分印證這一結(jié)論。例如，在KAIZEN4000的鋪管系統(tǒng)中，張緊器的額定拉力為3×100t，A&R絞車(chē)的額定持續(xù)拉力為300t；KAIZEN4000的鋪管水深為1000m，A&R絞車(chē)的容繩量為Φ96×1300m。在DCV5000的鋪管系統(tǒng)中，張緊器的額定拉力為3×200t，A&R絞車(chē)的額定持續(xù)拉力為600t；DCV5000的鋪管水深為3000m，A&R絞車(chē)的容繩量為Φ138×3500m。因此，A&R絞車(chē)的能力也是影響鋪管作業(yè)水深的重要因素。

(5)托管架長(zhǎng)度也是影響鋪管作業(yè)水深的重要因素

對(duì)深水大型起重鋪管船而言，船舶主尺度、動(dòng)力定位能力、張緊器和A&R絞車(chē)的能力直接影響鋪管作業(yè)水深。除此之外，托管架長(zhǎng)度也是影響鋪管水深的重要因素。管線(xiàn)通過(guò)船艉的托管架沉入海底，作業(yè)水深越大，懸空段的管線(xiàn)越長(zhǎng)，托管架處管線(xiàn)的彎曲半徑就越大，托管架的長(zhǎng)度就越長(zhǎng)。例如，KAIZEN4000總長(zhǎng)156m，托管架主要由兩節(jié)組成，總長(zhǎng)為74m，鋪管水深1000m；DCV5000總長(zhǎng)約200m，托管架由三節(jié)組成，第一節(jié)長(zhǎng)度為40m，第二節(jié)長(zhǎng)度為30m，第三節(jié)長(zhǎng)度為20m，鋪管水深可達(dá)3000m；而DLV6000總長(zhǎng)超過(guò)200m，托管架總長(zhǎng)為98m，鋪管水深達(dá)到3000m。

4. 結(jié)論

通過(guò)以上分析，為滿(mǎn)足鋪管速度和鋪管作業(yè)水深等設(shè)計(jì)要求，在對(duì)S型鋪管系統(tǒng)及主要鋪管設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)選型時(shí)，除考慮船舶主尺度和動(dòng)力定位能力外，還需重點(diǎn)考慮鋪管作業(yè)流水線(xiàn)規(guī)劃與工作站設(shè)置，張緊器、A&R絞車(chē)等主要鋪管設(shè)備配置等問(wèn)題，具體結(jié)論如下。

(1)S型鋪管系統(tǒng)鋪管速度的影響因素

S型鋪管系統(tǒng)采取流水線(xiàn)作業(yè)，為了提高鋪管速度，應(yīng)該根據(jù)工藝流程，合理利用甲板空間，增加鋪管作業(yè)線(xiàn)的長(zhǎng)度，細(xì)化每道工序，合理分配每道工序的時(shí)間，設(shè)置更多的工作站、平衡每個(gè)工作站的作業(yè)時(shí)間，以提高鋪管效率，增加鋪管速度。也就是說(shuō)，鋪設(shè)相同規(guī)格的管節(jié)，鋪管作業(yè)線(xiàn)流水更長(zhǎng)，工作站數(shù)量越多，每道工序耗時(shí)越均衡，鋪管速度就越快。

至于單節(jié)管鋪管作業(yè)線(xiàn)與雙節(jié)管鋪管作業(yè)線(xiàn)，鋪管速度快慢的問(wèn)題。雖然一次鋪設(shè)的單節(jié)管比雙節(jié)管短，但是對(duì)于相同長(zhǎng)度的鋪管作業(yè)線(xiàn)，鋪設(shè)單節(jié)管時(shí)可以設(shè)置更多的工作站，每道工序的耗時(shí)更少，鋪管效率更高。所以，單節(jié)管鋪管作業(yè)線(xiàn)與雙節(jié)管鋪管作業(yè)線(xiàn)鋪管速度的快慢不能一概而論。

(2)S型鋪管系統(tǒng)鋪管作業(yè)水深的影響因素

對(duì)于具備DP3動(dòng)力定位能力的深水大型起重鋪管船來(lái)說(shuō)，張緊器作為S型鋪管系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心設(shè)備，通常被看作是決定鋪管作業(yè)水深的決定因素。但是，通過(guò)研究，尤其是重點(diǎn)分析位于船艉托管架和海床之間懸垂于海水之中的S形管線(xiàn)后，發(fā)現(xiàn)船型大小、托管架的長(zhǎng)度和彎曲程度也直接影響到船舶對(duì)懸垂管線(xiàn)的托附能力，影響著鋪管作業(yè)水深。

此外，在鋪管中止和重新開(kāi)始時(shí)，需要利用A&R絞車(chē)對(duì)管線(xiàn)進(jìn)行棄置和回收，要求A&R絞車(chē)能夠承受懸垂管線(xiàn)產(chǎn)生的載荷，A&R絞車(chē)的容繩量要滿(mǎn)足鋪管水深的要求。因此，A&R絞車(chē)的配置也是決定鋪管作業(yè)水深的一個(gè)主要因素。

(3)張緊器與A&R絞車(chē)的設(shè)備配置

S型鋪管系統(tǒng)在作業(yè)狀態(tài)下利用張緊器的夾持來(lái)保證懸垂于海水中管線(xiàn)的姿態(tài)，在鋪管中止和重新開(kāi)始時(shí)利用A&R絞車(chē)在保持懸垂管線(xiàn)姿態(tài)的前提下，將懸垂管線(xiàn)放置海底或者拉到鋪管船上。從拉拽懸垂管線(xiàn)和保持管線(xiàn)姿態(tài)的角度來(lái)說(shuō)，張緊器和A&R絞車(chē)的功能相似，二者能力也基本相當(dāng)，在設(shè)計(jì)選型時(shí)須注意張緊器與A&R絞車(chē)能力匹配的問(wèn)題。

綜上，鋪管速度越快，鋪管效率越高，鋪管水深越大，作業(yè)范圍越廣，鋪管能力越強(qiáng)，船舶租金就越高。但是，對(duì)船舶主尺度、動(dòng)力定位能力、推進(jìn)器的數(shù)量及能力、S型鋪管系統(tǒng)的配置及張緊器、A&R絞車(chē)等鋪管設(shè)備的要求就越高，船舶建造成本及運(yùn)營(yíng)成本也越高。因此，在S型鋪管系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主要設(shè)備選型過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮船舶租金與建造成本及運(yùn)營(yíng)成本的關(guān)系，鋪管作業(yè)流水線(xiàn)與船舶主尺度及甲板空間的關(guān)系，鋪管速度與鋪管作業(yè)模式及工作站數(shù)量的關(guān)系，鋪管作業(yè)水深與動(dòng)力定位能力及主要鋪管設(shè)備的關(guān)系，張緊器數(shù)量及能力與A&R絞車(chē)能力及容繩量的關(guān)系。