南海涌浪環(huán)境下海底管道鋪設(shè)實(shí)例分析

田 震，蔡 錚，郭曉明，董廣寧，董樹陽

海洋石油工程股份有限公司，天津300461

東方13-2氣田位于南海北部的鶯歌海海域，距離東南方向已投產(chǎn)的崖城13-1氣田處理平臺(tái)約195 km。此次鋪設(shè)的長(zhǎng)195 km、管徑24 in（1 in=25.4 mm）的輸氣管道位于兩個(gè)氣田之間，海域水深約64～98 m，冬季海況惡劣。該管道計(jì)劃在冬季連續(xù)施工，而以往在冬季很少進(jìn)行南海海管鋪設(shè)工作，因此相關(guān)的歷史海況資料缺乏，這給施工設(shè)計(jì)帶來較大困難。且本次鋪設(shè)的海底管道（以下簡(jiǎn)稱海管）單根質(zhì)量達(dá)12 t，在正常的鋪設(shè)期間鋪設(shè)張力達(dá)到1 568 kN，接近主作業(yè)船（海洋石油201，以下簡(jiǎn)稱HYSY201） 正常工作的上限，HYSY201需同時(shí)應(yīng)對(duì)較大鋪設(shè)張力及惡劣海況的影響，面臨較大的挑戰(zhàn)。此次陸地海管裝船地點(diǎn)為珠海，距離施工現(xiàn)場(chǎng)約530 km，自航駁船單程需要3 d時(shí)間，長(zhǎng)距離運(yùn)輸使得整個(gè)海管鋪設(shè)進(jìn)程受天氣及海況的影響更為敏感。為順利開展海上施工，對(duì)實(shí)際施工期間遇到的主要問題，采取了合理的應(yīng)對(duì)措施，使得所有海底管道的鋪設(shè)工作最終順利地完成，填補(bǔ)了國內(nèi)長(zhǎng)距離海管鋪設(shè)作業(yè)及南海冬季涌浪環(huán)境下連續(xù)施工的空白。

1 南海海域冬季海況特點(diǎn)

海浪通常分為風(fēng)浪、涌浪、近岸浪。風(fēng)浪的波周期通常較小，涌浪的波周期往往較長(zhǎng)，一般海浪的周期為0～30 s，最常見為4～12 s，風(fēng)浪波周期基本在4.5 s以內(nèi)[1-2]。

南海屬于臺(tái)風(fēng)多發(fā)的海域，并處于季風(fēng)變換帶，海浪特征復(fù)雜。南海波周期的季節(jié)變化特征和有義波高較為相似，冬季（12、1、2月份）受東北信風(fēng)作用明顯，南海大部分海域均以東北向的風(fēng)、浪為主，平均波高在1.8～2.6 m，達(dá)到全年最大值；大部分海域波周期基本在6.5 s以上，主要為7～8 s的混合浪波周期，混合浪波周期等值線的分布情況與涌浪波周期較為接近，即南海的涌浪在混合浪中占主導(dǎo)地位[2-3]。本次海管鋪設(shè)正值南海冬季臺(tái)風(fēng)頻繁、涌浪較大時(shí)期，海管鋪設(shè)路由方向?yàn)槲鞅狈较?，涌浪方向?0°左右。船舶在橫浪向時(shí)遭遇周期接近其橫搖固有周期的海浪會(huì)發(fā)生諧搖，此時(shí)橫搖可能達(dá)到很大值，使得船舶發(fā)生傾斜和搖晃，有可能給施工中的船舶及海管造成嚴(yán)重?fù)p傷[4]，此時(shí)的天氣窗口并不適合海上作業(yè)。

海管兩端平臺(tái)側(cè)的歷年冬季施工期間的天氣待機(jī)情況如表1所示。根據(jù)歷史待機(jī)情況，并結(jié)合HYSY201的海管鋪設(shè)能力，給出如表1所示的本次海管鋪設(shè)期間預(yù)計(jì)的待機(jī)率，其中1、2、3月份無歷史資料（無數(shù)據(jù)），無法預(yù)估。然而，實(shí)際施工期間的海況比預(yù)估的更差，12月份實(shí)際待機(jī)率超過65%，1月份實(shí)際待機(jī)率超過33%，實(shí)際施工及待機(jī)期間的天氣預(yù)報(bào)如表2、表3所示（采用OWS氣象預(yù)報(bào)，后來證實(shí)與現(xiàn)場(chǎng)海況基本一致）。由表2可知，正常施工期間的風(fēng)力不超過5級(jí)，實(shí)際涌浪周期為8～10 s，有義波高為1.4～2.4 m，即為典型的涌浪環(huán)境，與前述的歷年海況資料接近；由表3可知，待機(jī)期間的風(fēng)力不超過7級(jí)，而實(shí)際涌浪周期為11～12 s，有義波高為3.4～4.3 m，風(fēng)力等級(jí)與涌浪周期、有義波高無法對(duì)應(yīng)。這種南海特有的異常海況給現(xiàn)場(chǎng)海管鋪設(shè)帶來較大的挑戰(zhàn)，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際海況進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算分析，并與設(shè)計(jì)階段的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，據(jù)此判斷實(shí)際的待機(jī)時(shí)間，尋找合適的天氣窗口。

表1 HYSY201冬季施工船舶待機(jī)率分析

2 主作業(yè)船舶及作業(yè)條件

表2 實(shí)際施工期間的典型海況

海管鋪設(shè)期間，鋪管船的穩(wěn)性至關(guān)重要，若因鋪管船受海況影響而運(yùn)動(dòng)幅值過大，則會(huì)影響鋪管效率及質(zhì)量，造成待機(jī)，甚至危及船舶和設(shè)備的安全[5]。本次海管鋪設(shè)的主作業(yè)船HYSY201正常作業(yè)（作業(yè)窗口）時(shí)要求有義波高Hs＜2.5 m，流速＜2.0 kn，譜峰周期Tp＜9 s，通常在譜峰周期超過11 s時(shí)，應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)待機(jī)，即無法進(jìn)行正常鋪設(shè)作業(yè)。

船舶在受環(huán)境條件影響時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振幅響應(yīng)。HYSY201的重心運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)可通過SESAM軟件分析獲得。SESAM軟件分析時(shí)所用的坐標(biāo)系統(tǒng)如圖1所示，坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)定義在船尾處，坐標(biāo)軸定義在船舶的中心線、船舶的基準(zhǔn)線上。

HYSY201重心位置位于x軸88.29 m、y軸0.00 m、z軸14.195 m處，動(dòng)態(tài)鋪設(shè)分析時(shí)選擇10%裝載海管的負(fù)荷狀態(tài)[6]。

采用OFFPIPE軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)鋪設(shè)與疲勞分析，波浪方向?yàn)榇蚕虼^為0°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正向，如波浪方向指向左舷為90°。計(jì)算分析時(shí)同時(shí)考慮波浪和海流的方向。HYSY201作業(yè)線位于船舶中心，由于HYSY201左右對(duì)稱，因此在動(dòng)態(tài)鋪設(shè)及疲勞分析中可以只分析0～180°范圍內(nèi)（中間的分析間隔取30°） 的情況即可。

表3 實(shí)際待機(jī)期間的典型海況

圖1 SESAM軟件建模時(shí)所用坐標(biāo)系統(tǒng)

3 涌浪環(huán)境下海管動(dòng)態(tài)鋪設(shè)及疲勞分析

根據(jù)施工海域的海況條件，對(duì)照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[7-8]，對(duì)于疲勞壽命的劃分與使用，按照DNV—OS—F101—2010標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于安裝期而言，通常疲勞壽命劃分為安裝期的10%，但在DNV—OS—F101—2012及其后續(xù)版本中指出，對(duì)于設(shè)計(jì)疲勞壽命的劃分可以根據(jù)施工需求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。本次疲勞計(jì)算時(shí)采用10%，允許損傷系數(shù)取0.333。在施工設(shè)計(jì)階段計(jì)算的正常作業(yè)過程中受到波浪及海流作用的管道其受力情況如表4所示。

表4 8 s涌浪周期下的動(dòng)態(tài)鋪設(shè)分析結(jié)果

由表4可知，8 s及以下涌浪周期時(shí)，可接受的最大有義波高為2.5 m，超過該有義波高時(shí)海管應(yīng)變值計(jì)算結(jié)果不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，鋪設(shè)期間海管存在較大風(fēng)險(xiǎn)（與10 s涌浪周期時(shí)類似）。這與前述表2中的海況較為接近，即可正常進(jìn)行海管鋪設(shè)作業(yè)。

在對(duì)應(yīng)的涌浪周期下，海管緩慢鋪設(shè)及待機(jī)的情況如表5、表6所示。由表中數(shù)據(jù)可知，除60°及120°方向外，其他涌浪及海流方向均未超出動(dòng)態(tài)鋪設(shè)的計(jì)算結(jié)果，海況變差時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行緩慢鋪設(shè)或現(xiàn)場(chǎng)待機(jī)抗風(fēng)抗流（不棄管），不會(huì)對(duì)海管造成損傷。60°及120°方向正好為托管架左后方及左前方，此時(shí)涌浪及海流對(duì)托管架影響較大，進(jìn)而影響海管鋪設(shè)，實(shí)際施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該方向的涌浪及海流，短時(shí)間內(nèi)的影響可以忽略，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)應(yīng)考慮臨時(shí)棄管。

表5 8 s涌浪周期下緩慢鋪設(shè)分析結(jié)果

表6 8 s涌浪周期下現(xiàn)場(chǎng)待機(jī)分析結(jié)果

實(shí)際待機(jī)期間的典型海況如表3所示，此種情況超出HYSY201的作業(yè)極限。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際海況，12 s涌浪周期下的動(dòng)態(tài)鋪設(shè)計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 12 s涌浪周期下動(dòng)態(tài)鋪設(shè)分析結(jié)果

由表7可知，12 s涌浪周期時(shí)可接受的最大有義波高只有2 m，且涌浪方向需為艏向及橫向，而實(shí)際海管鋪設(shè)期間船位為右后方來流及涌浪（即30°～60°方向），此時(shí)可接受的最大有義波高為1.5 m，明顯小于實(shí)際的有義波高3.5 m（長(zhǎng)周期涌浪通常伴隨著較高的有義波高）。HYSY201橫搖固有周期為12.5 s，涌浪周期為11～12 s時(shí)接近其橫搖固有周期，橫搖運(yùn)動(dòng)顯著且超過1°，使得甲板上的管吊無法正常工作，作業(yè)線無法繼續(xù)上管；縱傾也超過1°，船尾處托管架晃動(dòng)較大，海管疲勞損傷增加，影響海管正常鋪設(shè)。顯然，此種海況下不能進(jìn)行施工，HYSY201應(yīng)提前撤離施工現(xiàn)場(chǎng)，錨地待命。

4 現(xiàn)場(chǎng)存在的主要問題及解決措施

4.1 問題分析

施工期間，長(zhǎng)波涌浪及異常的海況給現(xiàn)場(chǎng)海管鋪設(shè)帶來諸多困難，嚴(yán)重影響HYSY201的鋪設(shè)效率及設(shè)備安全性，主要問題如下：

（1）在長(zhǎng)波涌浪環(huán)境下船舶縱傾顯著，臨時(shí)棄管后，當(dāng)海況好轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行管道回收，此時(shí)ROV（水下機(jī)器人）掛鉤因縱傾過大而導(dǎo)致ROV鉤上下較大幅度晃動(dòng)，引起掛鉤困難，耽誤了作業(yè)時(shí)間，甚至影響作業(yè)窗口。

（2）正常海管鋪設(shè)期間，較大的涌浪及海流增加了HYSY201推進(jìn)器的負(fù)載，使得DP負(fù)荷較大甚至超載（圖2所示為推進(jìn)器負(fù)荷過載。HYSY201推進(jìn)器DP負(fù)載為3 920 kN），該情況下有時(shí)需要進(jìn)行緩慢鋪設(shè)。負(fù)荷超載或持續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)影響了船舶的正常工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致DP異常。在HYSY201船位，每天兩個(gè)流向的持續(xù)時(shí)間為12h，頂流期間負(fù)荷超載，需持續(xù)觀察現(xiàn)場(chǎng)DP流的情況，若不具備作業(yè)條件時(shí)則需進(jìn)行臨時(shí)棄管。

圖2 頂流期間推進(jìn)器負(fù)荷過載

（3）現(xiàn)場(chǎng)較大的涌浪及海流導(dǎo)致運(yùn)管駁船靠泊困難。12月份駁船靠駁平均時(shí)間為2 h，靠船期間無法進(jìn)行走船，若流向不利于靠泊，需等待天氣窗口進(jìn)行靠泊，且靠泊期間風(fēng)險(xiǎn)性較大。同時(shí)，海管倒駁速度降低，甲板海管供應(yīng)速度低于鋪設(shè)速度，也需要緩慢鋪設(shè)。

（4）若涌浪周期及有義波高再增大或持續(xù)DP異常，則需臨時(shí)棄管回錨地倒駁海管，以等待天氣窗口。在整個(gè)海管鋪設(shè)期間，回錨地倒駁海管次數(shù)超過10次，這在增加天氣待機(jī)時(shí)間的同時(shí)也考驗(yàn)了整個(gè)施工團(tuán)隊(duì)高效的配合力。

4.2 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的上述問題，結(jié)合HYSY201船舶性能、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際海況及以往施工經(jīng)驗(yàn)，采取如下應(yīng)對(duì)措施：

（1）密切關(guān)注施工海域的海況，每12 h更新一次氣象資料，根據(jù)實(shí)時(shí)海況尋找滿足計(jì)算分析結(jié)果的合適天氣窗口；根據(jù)氣象預(yù)報(bào)及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的實(shí)際海況，在海況變差前提前進(jìn)行棄管作業(yè)準(zhǔn)備，保證人員及設(shè)備安全。

（2）針對(duì)推進(jìn)器負(fù)載較大的情況，進(jìn)行DP模式切換，作業(yè)模式由VARIABLE模式轉(zhuǎn)換至PIPELAY模式；模式切換后推進(jìn)器負(fù)載有所降低，但施工期間還需持續(xù)觀察，尤其是運(yùn)管駁船靠泊期間。

（3）根據(jù)天氣及海況條件合理選擇運(yùn)管駁船，結(jié)合運(yùn)管駁船及HYSY201甲板有效空間優(yōu)化甲板空間，最大化堆管區(qū)，天氣窗口合適時(shí)選擇運(yùn)載能力大的駁船，減少駁船靠泊次數(shù)，降低靠泊風(fēng)險(xiǎn)。在海況及作業(yè)線施工情況允許的前提下提前靠泊，由HYSY201拖帶駁船進(jìn)行走船，HYSY201鋪管與海管倒駁同時(shí)進(jìn)行，提高時(shí)間利用率。

5 結(jié)束語

此次海管鋪設(shè)工作挑戰(zhàn)了HYSY201的作業(yè)極限，同時(shí)也考驗(yàn)了整個(gè)施工團(tuán)隊(duì)的技術(shù)及管理水平。通過上述優(yōu)化措施，我國自主鋪設(shè)的海底最長(zhǎng)管道順利完工，HYSY201四次刷新國內(nèi)海管鋪設(shè)速度紀(jì)錄，最高紀(jì)錄達(dá)到4.02 km/d。