海管終端的鋪管船舷側(cè)安裝海試技術(shù)研究

原慶東，王火平，董耀鋒，劉 浩

1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067

2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

對于海上油氣田開發(fā)項(xiàng)目，在海水深度達(dá)到250m以下時，受潛水作業(yè)水深限制，傳統(tǒng)的海底管道膨脹彎設(shè)計(jì)及安裝不再適用[1]，因而采用ROV作業(yè)的海管終端（PLET）及防沉板設(shè)計(jì)及安裝模式。

PLET（包括防沉板）尺寸較小時，可與海管一起在線安裝[2]，但在尺寸較大或較重時，受作業(yè)線空間限制，PLET及防沉板不能在線安裝，這時需要PLET和防沉板分體設(shè)計(jì)和安裝，一般采用防沉板先行安裝就位，再將PLET與海管一起鋪設(shè)安裝就位在防沉板上[3]。

在某些特殊情況下，即使PLET與防沉板分體設(shè)計(jì)與安裝[4]，PLET本身的尺寸和重量也無法滿足在線安裝要求，此時可采用PLET在鋪管船舷側(cè)與海管連接的方式實(shí)現(xiàn)PLET的安裝。

由于PLET在舷側(cè)安裝在國內(nèi)尚屬首次，能否成功存在很大不確定性，因此非常有必要首先進(jìn)行PLET假體及海管的海上實(shí)際模擬測試，以確保后期海上PLET及海管的安裝能夠順利實(shí)施。

1 PL ET及防沉板

南海某油田群開發(fā)項(xiàng)目共有4條深水海底管道，其中2條直徑14 in（1 in=25.4 mm），另外2條直徑10 in，油田平均水深420 m。為滿足水下ROV連接作業(yè)的需要，每條海管設(shè)計(jì)有2個PLET。綜合考慮PLET的形式、大小及安裝資源的能力，PLET和其防沉板采用了分體設(shè)計(jì)方案。由于此項(xiàng)目PLET尺寸、重量較大，無法在鋪管船生產(chǎn)線上在線安裝下放就位，因此考慮采用在鋪管船舷側(cè)下放安裝的方法[5]。

此項(xiàng)目中每條管道的2個PLET及防沉板分別位于海底管道的井口側(cè)和FPSO單點(diǎn)側(cè)，考慮防止?jié)O網(wǎng)拖掛、海上安裝、流動性保障等各方面因素，井口側(cè)和單點(diǎn)側(cè)的PLET及防沉板設(shè)計(jì)有所不同。

（1） FPSO單點(diǎn)側(cè)PLET及防沉板。FPSO單點(diǎn)側(cè)PLET與FPSO立管相連，PLET管端設(shè)計(jì)有立式連接器端口（HUB）和工藝隔離閥門。單點(diǎn)側(cè)PLET防沉板與PLET本體為分體設(shè)計(jì)，防沉板結(jié)構(gòu)采用防漁網(wǎng)設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)有左右兩個導(dǎo)軌，當(dāng)海管因流體溫度變化膨脹或收縮時PLET可在防沉板導(dǎo)軌上縱向前后滑動，PLET與防沉板的初始相對位置見圖1。

圖1 單點(diǎn)側(cè)PLET與防沉板

防沉板需要預(yù)先安裝到海底預(yù)定位置，再將PLET連同海管一同精準(zhǔn)安裝到防沉板內(nèi)，PLET應(yīng)安裝在防沉板導(dǎo)軌上大約中間位置。

（2）井口側(cè)PLET及防沉板。井口側(cè)PLET通過跨接軟管與水下中心管匯相連，管端采用水平式連接器[5]，設(shè)計(jì)有安裝旋轉(zhuǎn)門架及A/R纜連接鉤頭。

井口側(cè)防沉板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與單點(diǎn)側(cè)防沉板類似，也設(shè)計(jì)有PELT縱向滑動導(dǎo)軌，但形體大小尺寸稍有不同，PLET與防沉板的初始相對位置見圖2。

圖2 井口側(cè)PLET與防沉板

PLET和防沉板安裝有明確的安裝精度，見表1。

表1 PLET和防沉板安裝精度

2 海管終端（PL ET）舷側(cè)下放海試技術(shù)研究

PLET舷側(cè)海試模擬工作除了鋪管船外，還需要在鋪管船主甲板上安裝PLET舷側(cè)下放系統(tǒng)，并根據(jù)PLET舷側(cè)下放安裝系統(tǒng)的功能進(jìn)行海試模擬方案及工藝研究。

2.1 PLET舷側(cè)下放系統(tǒng)（PLS）

PLET舷側(cè)下放裝置是海管鋪設(shè)與PLET安裝的關(guān)鍵設(shè)備，由意大利REMAZEL公司制造，包括：A支架和PLET存放平臺、連接平臺和懸掛管卡、導(dǎo)向滑輪及AR纜、液壓動力站等，此裝置通過導(dǎo)向滑輪和船上AR絞車系統(tǒng)相連，形成整個舷側(cè)PLET下放系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 PLET舷側(cè)下放裝置

A支架上設(shè)有液壓系統(tǒng)，它可使PLET進(jìn)行X、Y、Z三個方向上的調(diào)整以便PLET精準(zhǔn)對中，下部設(shè)有連接工作平臺，用于PLET與海管的焊接、檢驗(yàn)等。在連接工作平臺的下方設(shè)有夾持型懸掛管卡，如圖4所示，通過液壓驅(qū)動方式打開或閉合懸掛管卡以懸掛和釋放海管，另外，懸掛管卡能夠沿軸向旋轉(zhuǎn)一定的角度。

為確保適合不同尺寸和形式的PLET，PLET和下放裝置中間還專門設(shè)計(jì)了一個PLET底座支架，如圖5所示。

該套系統(tǒng)的工作原理是將PLET放置在A支架上并呈倒立狀態(tài)，回收海管并將管頭固定在管卡上，連接PLET與回收海管頭，將其一同下放到已預(yù)先在海底安裝就位的防沉板上。利用導(dǎo)向滑輪將鋪管船上的AR纜與PLET相連，通過底座支架下放PLET。

圖4 PLET連接平臺和海管懸掛管卡

圖5 PLET底座支架

PLET舷側(cè)下放作業(yè)主要由A支架和懸掛卡具來完成。

A支架性能參數(shù)主要有：A支架最大荷載為4 000 kN，允許下放的PLET最大質(zhì)量100 t，最快外移時間小于5 min，允許PLET最大縱移、橫移、上下移動距離分別為±250、±150、±65 mm，允許PLET最大縱軸轉(zhuǎn)角±1.5°，PLET管段和HOC卡子最小距離4 m，PLET棄置時A架滑輪最大逃離角度1.5°。

懸掛卡具性能參數(shù)主要有：懸掛卡子最大荷載為6 000 kN，工作荷載為3 000 kN，最大橫向荷載為600 kN，適用管徑6～24 in。

2.2 PLET舷側(cè)下放安裝海試方案及工藝研究

PLET下放安裝模擬測試的目的主要是通過預(yù)演整個PLET連接、下放和安裝就位過程，驗(yàn)證舷側(cè)海管的回收、PLET焊接、檢驗(yàn)和涂敷方案的可行性，評估各個工序安排的合理性以及關(guān)鍵路徑的作業(yè)時間，檢驗(yàn)計(jì)算參數(shù)的有效性，整合并磨合聯(lián)合作業(yè)的合理性，給后期PLET安裝方案提供必要的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持，減少并解決實(shí)際安裝作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的問題。

海試模擬的基本方案是使用一段南海某油田開發(fā)項(xiàng)目的長約70 m、直徑14 in的管段，再連接約1 500 m長的起始纜，模擬平管段的鋪設(shè)和回收作業(yè)；使用PLET假體模擬在PLS上的安裝就位；然后進(jìn)行直徑14 in管段及起始纜的舷側(cè)回收模擬作業(yè)；再進(jìn)行PLET與回收管段的模擬對口、焊接、涂敷作業(yè)，最后進(jìn)行連接完成后的PLET和海管的整體舷側(cè)下放就位模擬作業(yè)。圖6為海試模擬的總體示意。

圖6 海試模擬總體示意

海試模擬現(xiàn)場選擇在該油田群FPSO附近的某一油田管纜路由北側(cè)約1 km處，和油田管纜路由方向平行，海試區(qū)域?yàn)?.5 km×1 km長方形范圍（見圖7）。

圖7 海試模擬現(xiàn)場

海試作業(yè)海況至少有3天天氣窗口（有義波高低于2.0 m，風(fēng)速低于20節(jié)）；PLET下放裝置工作平臺需要進(jìn)行防風(fēng)雨保護(hù)，以保證焊接質(zhì)量。

海試模擬需要準(zhǔn)備相應(yīng)的材料和工具設(shè)備，如PLET假體、J-Collar假體及保護(hù)器、PHS臨時底座、A/R纜頭、抓力錨、起始纜、14 in海管等；管道焊接用外對口器、水溶紙、切割設(shè)備、坡口機(jī)、消磁機(jī)、焊機(jī)、API625材料焊條、300 mm長CRA管短接等；檢驗(yàn)用外射線機(jī)；涂覆作業(yè)用噴砂設(shè)備、中頻加熱設(shè)備、真空檢測設(shè)備、熱縮帶、底漆和溶膠等。

PLET與海管之間的焊接工作是連接工作的關(guān)鍵一步，由于PLET上的海管與回收海管必須垂直連接，常規(guī)氣壩封堵的方案無法滿足焊接要求，經(jīng)過討論和陸地試驗(yàn)，決定采用吸水紙方案，并在此次海試期間進(jìn)行驗(yàn)證。

經(jīng)過討論研究，海試模擬PLET下放工藝步驟如下：第一，安裝準(zhǔn)備工作就緒。第二，鋪設(shè)起始纜。第三，鋪管船回收起始纜，并按正常鋪管方式將長70 m、直徑14 in管段及起始纜下放到海底預(yù)定位置。第四，將PLET假體安裝在PLET下放裝置底座支架上。第五，使用PLET下放裝置及AR纜進(jìn)行該管段舷側(cè)回收。第六，在PLET下放系統(tǒng)工作平臺上進(jìn)行PLET假體和該管段對口、焊接和涂敷作業(yè)。第七，下放PLET假體及該管段到海底，模擬下放及就位作業(yè)過程。第八，回收PLET假體及該管段海管，海試模擬作業(yè)結(jié)束。

2.3 PLET舷側(cè)下放作業(yè)海試模擬與效果

根據(jù)PLET舷側(cè)下放安裝海試方案和工藝步驟，在經(jīng)過充分陸地準(zhǔn)備后，鋪管船于2019年3月末到達(dá)海上指定區(qū)域開始海試作業(yè)。

長70 m、直徑14 in測試海管由4根共48 m的管道、J-Collar假體及保護(hù)罩和兩端吊耳管焊接在一起組成，如圖8所示。PLET假體見圖9。

圖8 長70 m、直徑14 in測試海管

鋪管船于2019年3月27日中午從錨地出發(fā)，28日中午到達(dá)海試現(xiàn)場。在進(jìn)行完托管架、抗內(nèi)波流、AR絞車測試、起始纜預(yù)鋪等準(zhǔn)備工作后，于3月30日開始進(jìn)行PLET與海管連接、下放模擬測試，但由于天氣原因，在測試管段回收到下放裝置平臺并懸掛在管卡上后，海管不得不再次下放到海底，3月31日鋪管船返回錨地躲避惡劣天氣。4月5日上午7點(diǎn)鋪管船返回模擬作業(yè)現(xiàn)場后，重新開始PLET下放模擬試驗(yàn)工作，4月6日完成PLET假體的模擬下放，4月7日返航錨地，詳細(xì)作業(yè)日程見表2。

圖9 PLET假體

通過舷側(cè)下放作業(yè)海試模擬試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

（1）此次海試模擬預(yù)演了一次PLET舷側(cè)下放過程，對后續(xù)PLET下放安裝工作提供了有力的技術(shù)支持和經(jīng)驗(yàn)，尤其是對PLET與海管的對口、焊接和涂敷過程，有了更清晰的時間概念。

（2）模擬試驗(yàn)期間進(jìn)行了船體DP狀態(tài)下抗內(nèi)波流模擬試驗(yàn)，證明鋪管船對內(nèi)波流有比較高的抗沖擊能力。

（3） 由于PLET假體是另外某項(xiàng)目提供的PLET防沉板假體，其設(shè)計(jì)為PLET和防沉板一體設(shè)計(jì)，因此此次模擬試驗(yàn)未能完全模擬該油田群開發(fā)項(xiàng)目PLET的下放作業(yè)，該油田群開發(fā)項(xiàng)目在后期PLET實(shí)際下放過程中所存在的問題（如可能的反轉(zhuǎn)）仍應(yīng)給予重視和進(jìn)一步研究探討。

（4）由于海底沒有防沉板假體，該項(xiàng)目的PLET下放在防沉板的就位作業(yè)未能模擬。

（5）在管匯端PLET連接下放時，由于防沉板已經(jīng)就位，而管道路由調(diào)整比較困難，因此防沉板安裝就位的方位角與管道路由的一致性非常重要，通過此次模擬海試和討論，對這一問題的重要性有了更充分的認(rèn)識。

（6） 由于海管是懸掛而不是固定在管卡上，海管在對口和焊接過程中存在移動或擺動現(xiàn)象，盡管此次海試使用了外對中器并在管外焊接固定鐵塊來協(xié)助對中，但對中焊接后的海管仍存在手摸感觸到的錯邊現(xiàn)象，不滿足焊接質(zhì)量要求，需要通過改進(jìn)外對中器等方式繼續(xù)提升對中水平。

表2 PLET安裝海試模擬日程

（7） 此次海試PLET假體在剛開始脫離A架時出現(xiàn)一些左右搖擺，未出現(xiàn)大幅搖擺現(xiàn)象，總體可控，為后期PLET下放安裝作業(yè)的安全實(shí)施提振了信心。

（8）此次海試收尾階段進(jìn)行PLET帶海管回收作業(yè)時，出現(xiàn)J-Collar進(jìn)入管卡困難的現(xiàn)象。需要進(jìn)行PLET及海管下放安裝后萬一需要回收的安裝分析及相應(yīng)對策。

（9）此次海試PLET與海管連接時的管口打底焊接質(zhì)量未達(dá)到要求，焊接過程中出現(xiàn)氬氣密封不嚴(yán)、氬氣純度下降快等現(xiàn)象，這個問題解決不好將嚴(yán)重影響施工質(zhì)量和作業(yè)工期，需要引起足夠的重視并采取有效措施。

3 結(jié)論

對于海上作業(yè)新技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)施，海試模擬是解決技術(shù)問題、減少施工安全事故、提高作業(yè)效率的有效措施。按照本文研究的方案進(jìn)行的海上海試模擬作業(yè)，解決了諸如PLET在舷側(cè)下放過程中是否會發(fā)生翻轉(zhuǎn)、PLET下放到海底時是否能夠平穩(wěn)就位、PLET就位安裝精度能否能夠保證、PLET和海管的最后一道焊口焊接質(zhì)量保證等一系列問題，為后期實(shí)際PLET舷側(cè)下放安裝的順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。