滑移下水導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

崔廣亮， 陳凱超， 魏佳廣， 董振強(qiáng)， 劉 濤

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引 言

深水導(dǎo)管架具有建造投資高、拖航難度大、運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，一旦出現(xiàn)意外事故，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失。在國(guó)際上，深水導(dǎo)管架一般采用干拖的方式進(jìn)行運(yùn)輸，濕拖方式僅限于導(dǎo)管架安裝階段的短距離運(yùn)輸。

深水導(dǎo)管架通常采用滑移下水，濕拖到就位區(qū)域的方式進(jìn)行海上安裝。導(dǎo)管架滑移下水區(qū)域一般選擇距離平臺(tái)場(chǎng)址1～2 n mile(1 n mile=1.852 km)的位置，以便縮短導(dǎo)管架濕拖距離，降低導(dǎo)管架在濕拖過(guò)程中密封艙波浪拍擊進(jìn)水及拖纜磨損斷裂等風(fēng)險(xiǎn)。

相比短距離濕拖，導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖過(guò)程會(huì)經(jīng)歷多次潮流變化及風(fēng)向變化，如何克服氣象變化帶來(lái)的影響，保證濕拖方案安全可靠是長(zhǎng)距離濕拖面臨的最大難題。本文以東方13-2CEPB導(dǎo)管架安裝為例，梳理了影響導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖的主要因素，對(duì)導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖方案進(jìn)行了研究及方案優(yōu)化，降低了長(zhǎng)距離濕拖的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為工程節(jié)約了施工成本。

1 技術(shù)方案研究

東方13-2CEPB導(dǎo)管架長(zhǎng)80 m，寬72 m，高36 m，重量約為8 200 t，受油田區(qū)域水深不足的影響，導(dǎo)管架需要選擇距離平臺(tái)場(chǎng)址17 n mile的較深海域滑移下水，然后采用長(zhǎng)距離濕拖的方式將導(dǎo)管架拖帶至安裝現(xiàn)場(chǎng)。

針對(duì)可能的影響因素，為保證導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖作業(yè)的可靠性，對(duì)導(dǎo)管架濕拖方案進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。

1.1 濕拖方案設(shè)計(jì)

由于該導(dǎo)管架底部外形尺寸很大，因此大大增加了其在濕拖過(guò)程中的海水阻力。在導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖的過(guò)程中，為了提供足夠的濕拖力，在方案初步設(shè)計(jì)中采用2艘200 t系柱拖力拖輪(見圖1中拖輪1和拖輪2)作為“主拖輪”，主要提供導(dǎo)管架濕拖方向的拖拉力，采用2艘150 t系柱拖力拖輪(見圖1中拖輪3和拖輪4)作為“輔助拖輪”，主要起到導(dǎo)管架穩(wěn)向作用，導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖布置方案如圖1所示。

1.2 拖點(diǎn)設(shè)計(jì)

通常，用于濕拖的拖點(diǎn)設(shè)計(jì)在導(dǎo)管架主腿側(cè)面，在導(dǎo)管架安裝設(shè)計(jì)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要優(yōu)勢(shì)在于用鋼量小，容易加工，并且容易切除；但此類拖點(diǎn)一般設(shè)計(jì)許用拖力較小，使用時(shí)容易產(chǎn)生疲勞損壞。常用拖點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 導(dǎo)管架濕拖常用拖點(diǎn)示意圖

為了使拖點(diǎn)能夠滿足項(xiàng)目需要，東方13-2項(xiàng)目拖點(diǎn)設(shè)計(jì)前置到導(dǎo)管架詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)位置在導(dǎo)管架主腿的頂部，此方案雖然用鋼量有所增加，但在增大拖點(diǎn)設(shè)計(jì)能力的同時(shí)能夠提高長(zhǎng)距離濕拖過(guò)程中拖點(diǎn)的耐疲勞能力。拖點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 東方13-2項(xiàng)目導(dǎo)管架濕拖拖點(diǎn)示意圖

1.3 濕拖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖過(guò)程中濕拖系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，綜合考慮受力能力、耐磨性及海況等的影響，濕拖系統(tǒng)選用高強(qiáng)纜繩作為拖纜，可以在相同破斷力情況下減小拖纜的直徑，增加可靠性和操作性。針對(duì)高強(qiáng)纜繩耐磨性能較差的特點(diǎn)，選用一段環(huán)形鋼纜連接濕拖點(diǎn)和高強(qiáng)纜繩，減小導(dǎo)管架運(yùn)輸及濕拖過(guò)程中拖纜的磨損。

濕拖系統(tǒng)需要在導(dǎo)管架裝船階段進(jìn)行預(yù)布，方便海上連接，如圖4所示。

圖4 濕拖系統(tǒng)在駁船甲板布置示意

濕拖系統(tǒng)海上連接方式如圖5所示。

圖5 濕拖系統(tǒng)海上連接方式示意圖

2 濕拖力計(jì)算分析

本文中的濕拖計(jì)算分析采用MOSES軟件，根據(jù)海水流速、風(fēng)速及導(dǎo)管架濕拖速度的不同，選擇3種環(huán)境工況對(duì)導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖進(jìn)行計(jì)算分析。其中海水流速選擇“一年一遇”的1.17 m/s和“常規(guī)作業(yè)”的0.60 m/s兩種，風(fēng)速選擇“一年一遇”的24.4 m/s和“常規(guī)作業(yè)”的12.0 m/s，濕拖速度選擇0.5 kn(1 kn=1.852 km/h)和1.0 kn兩種，詳細(xì)環(huán)境工況組合如表1所示。

表1 環(huán)境工況參數(shù)取值

長(zhǎng)距離濕拖方向及環(huán)境力方向選取如圖6所示。

圖6 導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖方向及環(huán)境力方向

根據(jù)選取的環(huán)境工況，通過(guò)計(jì)算得出長(zhǎng)距離濕拖計(jì)算分析結(jié)果如表2所示[1]。

表2 長(zhǎng)距離濕拖計(jì)算分析結(jié)果

從表2可以看出，在工況A情況下，濕拖力最大為569 t。若按照此設(shè)計(jì)方案執(zhí)行，2艘200 t拖力拖輪無(wú)法提供足夠的濕拖力，不能滿足項(xiàng)目需求，若更換300 t拖力的拖輪來(lái)完成此次濕拖任務(wù)則需要付出相當(dāng)大的成本，且市場(chǎng)拖輪資源極其有限，會(huì)影響項(xiàng)目的工期計(jì)劃。因此，導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖方案優(yōu)化成為解決問(wèn)題的最佳途徑[2]。

3 方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)論，導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖受海水流速影響較大，經(jīng)過(guò)深入研究，從選取的環(huán)境工況和導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖方案兩個(gè)方面入手，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化最為可行。

3.1 工況合理選取

將上述選取的環(huán)境工況參數(shù)、油田區(qū)域水文氣象特點(diǎn)及國(guó)家海洋局的統(tǒng)計(jì)資料[3]進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)選取的“一年一遇”環(huán)境工況參數(shù)較實(shí)際值偏大。通過(guò)對(duì)國(guó)家海洋局的統(tǒng)計(jì)資料的認(rèn)真分析，綜合考慮東方13-2CEPB導(dǎo)管架施工季節(jié)，選取施工當(dāng)月最大的流速及風(fēng)速值作為計(jì)算依據(jù)較為合理，選取的最大流速為0.62 m/s，選取的最大風(fēng)速為10.0 m/s。優(yōu)化后選取的環(huán)境工況如表3所示。

表3 優(yōu)化后環(huán)境工況參數(shù)取值

根據(jù)優(yōu)化后選取的環(huán)境工況參數(shù)，計(jì)算不同濕拖速度下的拖力，得出長(zhǎng)距離濕拖計(jì)算分析結(jié)果如表4所示。

表4 優(yōu)化后長(zhǎng)距離濕拖計(jì)算分析結(jié)果

從優(yōu)化后的長(zhǎng)距離濕拖計(jì)算分析結(jié)果可以看出，在工況E情況下，濕拖力最大為328 t。若按照此設(shè)計(jì)方案執(zhí)行，2艘200 t拖力拖輪能夠提供足夠的濕拖力，可以滿足項(xiàng)目需求。但是，200 t拖力的拖輪資源對(duì)于工程來(lái)說(shuō)成本仍然偏高，因此從工程實(shí)際出發(fā)[4]，有必要對(duì)導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 濕拖方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)市場(chǎng)資源狀況，系柱拖力大于150 t的拖輪資源非常豐富。若濕拖均選擇該能力類型的拖輪，則能夠節(jié)約大量項(xiàng)目成本。依據(jù)導(dǎo)管架濕拖受力分析，濕拖方案可以通過(guò)調(diào)整“輔助拖輪”(見圖7中拖輪3和拖輪4)航向的方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使“輔助拖輪”調(diào)整航向后不僅能夠提供濕拖方向上的拖力，分擔(dān)“主拖輪”(見圖7中拖輪1和拖輪2)部分濕拖力，同時(shí)能夠滿足保持濕拖方向的能力。

優(yōu)化后的長(zhǎng)距離濕拖布置方案如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的長(zhǎng)距離濕拖布置方案

環(huán)境工況合理選取和濕拖方案優(yōu)化后，選取4艘150 t拖力拖輪完成長(zhǎng)距離濕拖任務(wù)，能夠滿足濕拖力及濕拖作業(yè)要求，達(dá)到了節(jié)約項(xiàng)目成本的目的。

通過(guò)東方13-2項(xiàng)目的作業(yè)實(shí)踐，該方案的可行性得到了驗(yàn)證。隨著我國(guó)海上石油資源的大開發(fā)，類似東方13-2CEPB導(dǎo)管架滑移下水水深不足的情況將時(shí)有發(fā)生，因此在降本增效的大環(huán)境下，該方案的推廣應(yīng)用顯得非常重要。

4 結(jié) 語(yǔ)

導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖方案在東方13-2項(xiàng)目的成功應(yīng)用，不僅為項(xiàng)目節(jié)約了大量的成本，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也為后續(xù)項(xiàng)目在導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖方案設(shè)計(jì)及實(shí)施方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，主要經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

(1) 現(xiàn)場(chǎng)海況的合理選取。作為濕拖最大的影響因素，現(xiàn)場(chǎng)海況的選取，特別是流速的選取直接影響濕拖計(jì)算結(jié)果。建議后續(xù)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段充分考慮施工海況的環(huán)境參數(shù)，為設(shè)計(jì)工作提供切實(shí)可行的數(shù)據(jù)依據(jù)。

(2) 導(dǎo)管架濕拖系統(tǒng)預(yù)布置。導(dǎo)管架濕拖系統(tǒng)需要在運(yùn)輸駁船出港前布置在駁船甲板上，濕拖高強(qiáng)纜繩需要在導(dǎo)管架上固定，防止在導(dǎo)管架運(yùn)輸過(guò)程中高強(qiáng)纜磨損，影響現(xiàn)場(chǎng)使用。

(3) 若導(dǎo)管架濕拖力不大于250 t，即單根濕拖纜繩使用拉力小于125 t，建議將高強(qiáng)纜采用漂浮尼龍纜進(jìn)行替換，從而降低濕拖系統(tǒng)的采購(gòu)費(fèi)用。

(4) 導(dǎo)管架下水窗口的選擇。在施工過(guò)程中，建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)潮汐情況選擇導(dǎo)管架下水的窗口期，利用海水流向的變化，減小導(dǎo)管架濕拖過(guò)程中流速帶來(lái)的阻力。

(5) 濕拖速度的選擇。濕拖航速建議選擇1～1.25 kn，既能縮短濕拖的時(shí)間，有效利用海上施工窗口，又能降低拖力要求，避免使用大型拖輪資源，節(jié)約項(xiàng)目成本。

在導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖時(shí)，濕拖方案的設(shè)計(jì)需要考慮船舶資源、拖帶系統(tǒng)及水文氣象等因素的綜合影響[4-7]。本文結(jié)合工程實(shí)際和施工海域氣象條件，合理選取計(jì)算條件，優(yōu)化導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖方案，為工程的順利實(shí)施提供了保障，同時(shí)對(duì)今后導(dǎo)管架長(zhǎng)距離濕拖具有較好的參考指導(dǎo)作用。