水下ROV可拆卸式海纜抱卡的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高 超 劉耀江 盧維強(qiáng) 李國(guó)毅 何昱亮

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

近年來，在全球海洋油氣開發(fā)的項(xiàng)目中，深水項(xiàng)目扮演著越來越重要的角色。開發(fā)水深超過500 m的深水項(xiàng)目占48%，開發(fā)水深超過1 500 m的深水項(xiàng)目占22%，深海油氣開發(fā)已經(jīng)成為未來各國(guó)油氣資源爭(zhēng)奪的主戰(zhàn)場(chǎng)。海底電纜作為水下電力輸送設(shè)備，連接上部設(shè)施和水下生產(chǎn)系統(tǒng)，被稱為水下生產(chǎn)的生命線，是深海項(xiàng)目管道鋪設(shè)的重要組成部分。海纜作為海上油氣田開發(fā)的重要組成部分之一，主要應(yīng)用于從水面生產(chǎn)設(shè)施到電潛泵等用電設(shè)備的連接，為水下用電設(shè)備提供生產(chǎn)所需要的動(dòng)力。海纜安裝作為海上油氣田工程建設(shè)的重要組成部分，通常在海纜末端下放入水過程中，需要采用鋼絲編織的拖拉網(wǎng)套來承受海纜水中懸鏈線的重量，在打開張緊器使海纜末端通過的過程中，海纜不會(huì)滑脫以及破壞和失控。

1 原理概述

隨著油田開發(fā)水深的增加，海纜在水中懸鏈線的質(zhì)量也隨之提升，采用常規(guī)的鋼絲拖拉網(wǎng)套該工藝將無法滿足實(shí)際施工的需要，并且拖拉網(wǎng)套對(duì)安裝人員的要求較高，在高負(fù)載的情況下容易破壞管纜的外包覆，且拖拉網(wǎng)套安裝后無法回收，將會(huì)永久地遺留在管纜上，在后續(xù)生產(chǎn)過程中增加了管纜被漁網(wǎng)拖曳的風(fēng)險(xiǎn)。拖拉網(wǎng)套的安裝和編織方法受限于操作者的經(jīng)驗(yàn)以及手法，存在極大的不穩(wěn)定性。針對(duì)上述拖拉網(wǎng)套的缺陷，設(shè)計(jì)了1種水上甲板安裝，水下ROV可拆卸式海纜抱卡是1種更加安全高效的方式，其示意圖如圖1所示[1-2]。

圖1 水下ROV可拆卸式海纜抱卡示意圖

通常在海纜末端需要通過張緊器之前，在入水橋位置安裝鋼絲編織的拖拉網(wǎng)套并與下放絞車相連，將海纜懸鏈線載荷由張緊器通過拖拉網(wǎng)套傳遞至絞車，使海纜末端可以順利地通過張緊器，并由水平姿態(tài)通過吊機(jī)實(shí)現(xiàn)翻身成為垂直姿態(tài)，并將載荷由絞車傳遞給吊機(jī)，水下ROV斷開絞車與拖拉網(wǎng)套的連接，回收絞車至甲板，拖拉網(wǎng)套將遺留在海纜上。

水下ROV可拆卸式海纜抱卡為兩瓣式環(huán)形結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部采用類似4軌張緊器的特殊鋼制墊板，并通過螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械鎖緊?？梢酝ㄟ^內(nèi)部墊板均勻地將載荷分步在管纜的外包覆上，抱卡為圓形環(huán)抱結(jié)構(gòu)，如圖2所示，可以提供較大的接觸面積，在更短的長(zhǎng)度上提供較大的軸向載荷，以保證操作安全可控，且對(duì)海纜的外包覆的影響較小。另外，抱卡是通過外側(cè)圓形環(huán)抱結(jié)構(gòu)配合內(nèi)部墊板提供擠壓力的，可以在同一外徑的抱卡下，通過更換內(nèi)部墊板的尺寸規(guī)格以適應(yīng)不同外徑的深水海纜。抱卡可以采用ROV進(jìn)行水下回收，使用完成后在海纜表面無任何結(jié)構(gòu)遺留，有效降低了后續(xù)生產(chǎn)過程中管纜被漁船掛到拖曳的風(fēng)險(xiǎn)。

2 水下ROV可拆卸式海纜抱卡設(shè)計(jì)

2.1 抱卡總體設(shè)計(jì)

深水海纜大多外徑尺寸不一，目前拖拉網(wǎng)套多為針對(duì)單一外徑海纜、受力情況定制適用于單個(gè)海纜的拖拉網(wǎng)套，拖拉網(wǎng)套的安裝和編織方法受限于操作者的經(jīng)驗(yàn)以及手法，存在極大的不穩(wěn)定性，進(jìn)而影響海上施工的安全。ROV可拆卸式抱卡如圖3所示，其可以提供穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)化提供安裝以及受力，并且可以使用ROV進(jìn)行水下拆除，確保海上施工的安全，以及降低后續(xù)生產(chǎn)過程中管纜被漁船掛到拖曳的風(fēng)險(xiǎn)。抱卡通過頂部2個(gè)吊耳與絞車鋼絲繩相連提供受力，在甲板上通過扭矩扳手工具對(duì)抱卡進(jìn)行鎖緊。鎖緊機(jī)構(gòu)上一側(cè)采用ROV液壓工具可拆卸式螺母，另一側(cè)則采用內(nèi)嵌是螺帽配合彈簧機(jī)構(gòu)，以便于水下ROV解鎖后，螺栓可以有效分離。在考慮ROV可拆卸式抱卡受力情況時(shí)，需要考慮安裝工況下可能面臨的最大受力情況，并且至少保留1.5倍的安全系數(shù)，以應(yīng)對(duì)可能的極端突發(fā)情況。

2.2 抱卡的墊板設(shè)計(jì)

圖2 水下ROV可拆卸式海纜抱卡使用示意圖

抱卡是通過內(nèi)部抱卡的擠壓力以及墊板與海纜的外表面摩擦力提供軸向拉力，需要設(shè)計(jì)墊板擠壓到海纜的外表面上，形成足夠的擠壓載荷，通過外層的摩擦能力來確保提升載荷，并將載荷傳遞至產(chǎn)品的鎧裝。要設(shè)計(jì)1種機(jī)械卡子和墊板，可以安裝在海纜的任何位置，提供擠壓力和摩擦力。因?yàn)镽OV管卡的載荷能力完全取決于管卡的內(nèi)摩擦力。

圖3 水下ROV可拆卸式海纜抱卡總體結(jié)構(gòu)示意圖

為了使抱卡可以針對(duì)不同外徑，可以通過更換抱卡內(nèi)部不同厚度的墊板實(shí)現(xiàn)。

墊板的設(shè)計(jì)如圖4所示，需要考慮海纜可以承受的徑向擠壓力，并通過墊板的有效解除面積以及夾角計(jì)算可以施加到海纜本體上的有效擠壓力，在完成墊板的外形設(shè)計(jì)后，需要將設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)給海纜廠家進(jìn)行校核，并在墊板預(yù)制成功后，采用海纜的樣纜進(jìn)行擠壓力和滑移測(cè)試，以驗(yàn)證抱卡的性能是否能滿足要求。

圖4 水下ROV可拆卸式海纜抱卡墊板示意圖

2.3 抱卡強(qiáng)度分析

抱卡強(qiáng)度分析主要包括安裝過程中的吊裝分析、受力分析以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。通過安裝分析確定了動(dòng)態(tài)放大系數(shù)后，可以對(duì)ROV操作管纜抱卡進(jìn)行吊裝分析和受力分析，以選取合適的吊裝索具和墊板，確定安裝過程中ROV操作管纜抱卡的強(qiáng)度滿足要求。

3 水下ROV可拆卸式海纜抱卡安裝與回收

水下ROV可拆卸式海纜抱卡在海纜末端到達(dá)張緊器入口前需要進(jìn)行安裝，安裝完成后需要與能提供足夠拉力的絞車鋼絲繩相連，并在絞車上安裝拉力計(jì)以監(jiān)控海纜末端通過張緊器下放過程中的受力情況。確保受力始終在設(shè)計(jì)受力范圍以內(nèi)。

3.1 水下ROV可拆卸式海纜抱卡甲板安裝

準(zhǔn)備ROV抱卡吊裝索具，吊裝抱卡至工作平臺(tái)；利用吊機(jī)安裝抱卡至海纜，進(jìn)行組隊(duì)，并利用綁扎帶，手拉葫蘆等工具進(jìn)行對(duì)中，并通過ROV卸扣與A&R絞車相連，并將回收索具綁扎在抱卡上；在A&R絞車上安裝拉力計(jì)；通過扭矩扳手對(duì)螺栓進(jìn)行鎖緊，按照既定順利進(jìn)行螺栓緊固，達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)扭矩值；吊機(jī)連接海纜末端，準(zhǔn)備通過張緊器，并下放末端入水；繼續(xù)鋪設(shè)海纜，下放ROV抱卡入水，直到海纜末端接近張緊器入口處，回收A&R絞車并帶力；打開張緊器，吊機(jī)配合絞車使海纜末端緩慢地通過張緊器；海纜末端通過張緊器后，吊機(jī)將整個(gè)海纜末端提起，逐漸將受力由絞車傳遞給吊機(jī)。

3.2 索具設(shè)計(jì)

抱卡在甲板上安裝完成后，需要通過索具在拆卸后回收至甲板，為了實(shí)現(xiàn)水下ROV拆卸并順利回收至甲板，將絞車與抱卡通過如圖5所示連接，索具通過ROV可拆卸式卸扣，并通過鋼絲繩卸扣與抱卡頂部吊耳相連，同時(shí)延伸出吊機(jī)回收索具及吊帶與吊環(huán)，后續(xù)通過ROV鉤與吊機(jī)相連。

吊機(jī)回收索具如圖6所示，采用吊機(jī)與吊帶連接并攜帶ROV鉤的配置

圖5 水下ROV可拆卸式海纜抱卡連接索具示意圖

3.3 抱卡回收

當(dāng)海纜末端通過張緊器后，受力將由抱卡傳遞至吊機(jī)，此時(shí)ROV水下斷開絞車鋼絲繩與抱卡之間的連接，回收絞車鋼絲繩至甲板，下放吊機(jī)回收索具，將回收索具攜帶的ROV鉤與預(yù)留的回收吊環(huán)相連。ROV攜帶液壓工具，對(duì)鎖緊的螺栓進(jìn)行反向解鎖，按照螺栓的安裝順序依次斷開螺栓的連接，待所有螺栓都斷開后，回收抱卡至甲板。

4 結(jié)語

圖6 水下ROV可拆卸式海纜抱卡回收索具示意圖

水下ROV可拆卸式海纜抱卡作為深水海纜安裝必備裝置之一，會(huì)越來越多地應(yīng)用在海洋石油開發(fā)的深水安裝項(xiàng)目中。在未來，ROV海纜抱卡必將可以取代拖拉網(wǎng)套。尤其是在深水項(xiàng)目中，由于水深深導(dǎo)致海纜在水中的懸鏈線長(zhǎng)，頂部載荷大，并且深水管纜的外包覆均為PE材質(zhì)，傳統(tǒng)的拖拉網(wǎng)套在高載荷狀態(tài)下容易滑動(dòng)，難以保證其安全性。水下ROV可拆卸式海纜抱卡的研究設(shè)計(jì)可以適應(yīng)一定范圍內(nèi)不同外徑的管纜，提供穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)化的安裝回收流程，可以增強(qiáng)海上施工的穩(wěn)定性、安全性。水下ROV可拆卸式海纜抱卡在實(shí)際應(yīng)用的過程中，仍然需要考慮如下問題，ROV液壓工具在每次使用前需要進(jìn)行校準(zhǔn)，并在每個(gè)螺栓上進(jìn)行適配，確定水下液壓工具可以完美適配ROV抱卡。根據(jù)ROV抱卡的使用頻次，需要根據(jù)螺栓疲勞和屈服強(qiáng)度對(duì)螺栓進(jìn)行選型。為了應(yīng)對(duì)更為復(fù)雜的工況，進(jìn)一步拓展水下ROV可拆卸式海纜抱卡，考慮如何實(shí)現(xiàn)海纜抱卡水下ROV可拆可裝，以便于廣泛地應(yīng)用于后期海纜的維修作業(yè)。