海底柔性軟管敷設方案可行性研究

李曉明， 姜學錄， 崔占明， 于銀海， 黃志新

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)

0 引 言

柔性軟管由金屬和聚合物材料制成，在海洋工程中主要適用于立管、跨接管、卸輸管、海底管道等[1-4]。與剛管相比，柔性軟管具有易彎曲、對海底適用性較強、水下抗腐蝕性好、便于水下敷設和安裝等特點。海底柔性軟管作為海底輸送介質的一種新型管道，在海洋工程中的使用逐年增多[5-7]。由于具有柔性的特點，柔性軟管適用于卷管式敷管法，在采用該方法時需要在陸地上將柔性軟管接長或直接生產較長的柔性軟管，然后將其安裝在專用滾筒上，送至海上進行敷設[8]。目前，卷管式敷管法可分為水平式和垂直式兩種。水平式敷管法主要采用S形敷設，適用于淺水或中等水深作業(yè)，而垂直式敷管法主要采用J形敷設，適用于中等水深或深水作業(yè)[9]。本文以渤海某油田8英寸(1英寸=0.025 4 m)柔性軟管敷設項目為例，闡述軟管敷設方式的選取、分析常用船舶資源的敷設能力并計算柔性軟管敷設過程中的各項參數。

1 概 述

渤海某油田位于渤海灣南部區(qū)域，東北距渤中35-2油田13.7 km，西北距渤中34-2/4油田19.4 km，西南距墾利10-1油田16.8 km和墾利3-2油田16.8 km。

渤海某油田計劃敷設一條8英寸天然氣輸送柔性軟管，總長度約13.7 km，水深為18.1～19.7 m。柔性軟管技術參數如表1所示。

表1 柔性軟管技術參數

2 軟管敷設方式選取

在軟管敷設前，需先確定敷設方式，需要考慮船舶起重機能力、甲板承載力和甲板面積等。除施工船舶外，還需要配套軟管敷設系統(tǒng)裝置，主要包括：軟管收放線裝置、張緊器、水平托軌和入水橋等[10-11]。目前常用的軟管收放線裝置有立式滾筒驅動和臥式轉盤驅動2種類型，如圖1和圖2所示。

圖1 立式滾筒驅動

圖2 臥式轉盤驅動

2.1 立式滾筒儲管作業(yè)方式

在滾筒驅動器上每次放置1個儲管滾筒，在滾筒上的軟管全部釋放后，更換另一個滾筒，將后一個滾筒上的軟管與前面的軟管現場連接。

(1) 可在起重船上或平板工程船上配備立式滾筒驅動、張緊器和入水橋等，選擇性較多，更適合短距離軟管敷設作業(yè)。

(2) 起重機起重能力需在500 t以上，吊裝曲線能夠滿足軟管滾筒倒駁需求。

(3) 甲板承載力在98.0 kN/m2以上，空間滿足軟管敷設系統(tǒng)、潛水設備、埋纜機擺放和空間布置需求。

(4) 每敷設1卷筒軟管，需回收埋纜機，倒駁軟管滾筒，然后再放置埋纜機，無法連續(xù)作業(yè)。

(5) 軟管重心高，底部結構與甲板接觸少，穩(wěn)定性差，對海況要求較高。

(6) 立式滾筒是短距離柔性軟管供貨時常用的存儲裝置，需配合滾筒驅動器使用。

2.2 臥式轉盤儲管作業(yè)方式

所有軟管儲存在一個大的臥式轉盤上，提前連接接頭，在海上敷設過程中可連續(xù)不間斷敷設，中間無需更換滾筒和現場連接接頭。臥式轉盤和驅動通常長期固定在特定工程船舶上，與工程船一起專門用于軟管/電纜敷設作業(yè)。使用該方法99.5%的連接工作可在陸地上完成，在海上連續(xù)敷設，海上施工時間短、速度快、成本低、張力相對小，有利于管道安全敷設，作業(yè)風險小。該方法對船的要求低，無需專用鋪管船，節(jié)省大筆敷設費用。

(1) 適合于淺水區(qū)域的專業(yè)軟管敷設船舶在國內數量較少。

(2) 不需要起重能力較強的浮式起重機，可使用門式起重機、船尾起重機、履帶起重機，能夠吊放埋纜機即可。

(3) 除自帶敷設系統(tǒng)外，甲板空間滿足潛水設備、埋纜機擺放。

(4) 連續(xù)性邊敷邊挖溝敷設，可不間斷作業(yè)。

(5) 軟管重心不高，底部與船甲板一體，接觸面積大、穩(wěn)定性好。

(6) 轉盤外徑可達25 m，儲管量大，而且盤體自身可旋轉，集儲管與放管功能于一體，是大直徑、長距離柔性軟管敷設較為理想的存儲裝置，但儲管盤建造費用昂貴，對鋪管船的主尺度要求高。

本項目為淺水區(qū)長距離軟管敷設，適合采用臥式轉盤儲管敷管方式，但最終的方案選擇需結合可用船舶資源等條件，綜合考慮工期和成本等因素。

3 船舶軟管敷設能力分析

以船舶濱海108、濱海109、海洋石油295為例進行柔性軟管敷設施工能力分析。

3.1 濱海108軟管敷設

濱海108船寬35 m，甲板面積充裕，最大載重能力為4 800 t，甲板承載力為49.0 kN/m2。濱海108既可實現臥式滾筒敷設，又可實現立式滾筒敷設。

搭載直徑為25 m的臥式滾筒可實現較長距離的軟管連續(xù)敷設能力。但濱海108船尾有推進器無法下放挖溝機，只能從側向進行軟管敷設和挖溝，軟管的敷設效率只能達到正常敷設的50%。濱海108臥式滾筒連續(xù)敷設能力如表2所示。

表2 濱海108臥式滾筒連續(xù)敷設能力

對其立式滾筒敷設能力進行分析。由于濱海108甲板承載力有限，采用立式軟管儲存裝置需對甲板面積進行評估，考慮甲板承載力不超過49.0 kN/m2，單滾筒軟管敷設能力如表3所示。濱海108搭載雙滾筒敷設軟管，可達雙倍敷設能力。濱海108的吊裝能力允許其吊裝整個卷滿軟管的滾筒，因此可使用駁船運輸多盤軟管，盡可能地縮短整個軟管敷設工期。

表3 濱海108立式單滾筒連續(xù)敷設能力

3.2 濱海109軟管敷設

濱海109甲板承載力為5.0 t/m，若采用立式滾筒敷設，可實現與濱海108同樣的敷設能力。但受限于其船寬度和有效甲板面積，不能實現雙滾筒敷設。若采用臥式滾筒敷設，承攬能力有所減少?？紤]甲板最大可利用寬度為14 m，軟管連續(xù)敷設能力如表4所示。

表4 濱海109臥式滾筒連續(xù)敷設能力

3.3 海洋石油295軟管敷設

管道挖溝動力定位工程船因配有門式起重機收放系統(tǒng)，甲板承載能力為98.0 kN/m2，在邊敷邊挖的軟管敷設中具有明顯優(yōu)勢，甲板面積允許搭載2個立式滾筒，顯著增加軟管連續(xù)敷設能力。但海洋石油295起重機能力不足，只能在敷設之前借助其他起重船吊裝2個滾筒，前往現場進行作業(yè)。如需進行長距離軟管敷設，需返回碼頭重新吊裝滾筒，施工效率大幅降低。因此，海洋石油295更適合非長距離軟管敷設。海洋石油295軟管連續(xù)敷設能力如表5所示。

表5 海洋石油295軟管連續(xù)敷設能力

按照邊敷邊挖溝考慮，濱海108、濱海109每天可達1.3 km，海洋石油295依托動力定位系統(tǒng)，不需要重復起拋錨，可實現更高的施工效率，因此本項目優(yōu)選海洋石油295。

4 海底軟管敷設分析

在軟管敷設過程中，需始終使軟管的彎曲半徑大于軟管敷設所要求的最小彎曲半徑(Minimum Bend Radius，MBR)。由于水下的狀態(tài)較難實時控制，而彎曲半徑與入水角有關，入水角又與張緊器牽引力有關，因此，在敷設分析中，可通過彎曲半徑的要求推導牽引力范圍。

以8英寸柔性軟管為例，分析軟管敷設施工中所需最大牽引力。

在本實例中，軟管外徑為304.1 mm，水深為18 m，軟管在空氣中的單位重量為1 399.4 N/m，軟管在水中的單位重量為670.1 N/m。

在軟管敷設施工中所需最大牽引力計算公式為

T=9.8Wd/(1-cosα)

(1)

式中：T為軟管張力；W為軟管在水中的重量；d為水深；α為入水角。

當軟管入水角分別取20°、30°、40°、50°、60°、70°和80°時，柔性空管所受最大牽引力、著泥點、懸鏈線長度、船尾彎曲半徑和著泥點彎曲半徑等參數如表6所示。張緊器敷管張力與軟管入水角α的關系如圖3所示。

表6 不同入水角軟管敷設施工中懸鏈線計算值

圖3 張緊器敷管張力與軟管入水角關系

由表6和圖3可知：在軟管敷設過程中，軟管入水角基本在50°～80°，則在軟管敷設過程中軟管所受張力為14.6～33.8 kN。根據懸鏈線計算公式：當軟管入水角為80°時，MBR為3.90 m，小于軟管要求的MBR(4.50 m)；當入水角為70°時，MBR為9.51 m>4.50 m。因此，在軟管敷設過程中，當入水角為50°～70°時，軟管所受拉力較小，同時滿足軟管MBR的要求[12]。

5 結 語

(1) 在國內具備專業(yè)淺水區(qū)域臥式敷管能力的動力定位船舶較少，錨系船較多，施工效率較低，帶有動力定位的專業(yè)軟管敷設船效率更高，但價格比較昂貴。

(2) 在軟管敷設前，需根據工期和成本等因素初步選定船舶，并根據船舶起重機能力、甲板承載力和甲板面積等因素，選擇立式或臥式敷管方式。

(3) 在軟管敷設前，應計算在不同的軟管入水角下軟管所受的張力和MBR等數據，找到張力和MBR都在可接受范圍內的入水角范圍，并根據計算結果控制敷管時的牽引力。

(4) 在一般情況下，當敷管速度低于船舶速度時，入水角度會變小。當管線入水角度逐漸變小時，最大牽引力逐漸增大，不利于管線敷設，應合理控制船舶速度，保證船舶速度與敷設速度同步。

(5) 臥式鋪管船在冬季施工時，常遇到大風天氣。短距離軟管敷設可以找一個較好的天氣窗口完成所有的軟管敷設，但當長距離軟管敷設遇到大風時只能棄管，天氣較好時再回收管頭重新連接。棄管的位置特別重要，盡可能選擇在接頭位置進行切割棄管。如果軟管敷設在較軟的海床上，應安裝一套管道追蹤設備，方便在日后對管道路線進行確認。如果軟管敷設在較硬的海床上，那么就需要一些袋裝沙或類似的方法幫助管道避過一些堅硬鋒利的邊緣或拐角，防止管道外護層被破壞。