深水鋼懸鏈線立管安裝回接技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

方 霖，高 原，石錦坤，楊 盛，段立志

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518054)

0 引 言

鋼懸鏈線立管(Steel Catenary Riser，SCR)在國(guó)外應(yīng)用于海洋油氣開(kāi)發(fā)已有超過(guò)20年的歷史[1]。SCR具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝建造成本較低、對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)有較大適應(yīng)性、適應(yīng)高溫高壓工作環(huán)境等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于墨西哥、西非等地深海油氣田開(kāi)發(fā)，適用于各類(lèi)型平臺(tái)，適用水深達(dá)3 000 m[2]。

國(guó)內(nèi)對(duì)深水SCR技術(shù)的研究起步較晚，尚無(wú)實(shí)際工程應(yīng)用記錄[3]，但有望于近年在陵水17-2氣田開(kāi)發(fā)中得到實(shí)際應(yīng)用。國(guó)內(nèi)研究涉及SCR設(shè)計(jì)及安裝的諸多方面，如尺寸設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、渦激振動(dòng)、疲勞分析、安裝技術(shù)等。

通過(guò)文獻(xiàn)研究，對(duì)國(guó)內(nèi)SCR安裝回接相關(guān)工作進(jìn)行介紹和分析，并結(jié)合國(guó)內(nèi)SCR發(fā)展趨勢(shì)，提出幾點(diǎn)建議。

1 SCR構(gòu)成及安裝回接概述

SCR的結(jié)構(gòu)構(gòu)成隨設(shè)計(jì)的不同而不同，主要包括柔性接頭(或應(yīng)力接頭)、柔性接頭延伸管、SCR管體等。其中，柔性接頭上端為法蘭，在SCR安裝及拆卸時(shí)可連接SCR拖拉頭，在SCR回接至懸掛結(jié)構(gòu)后可連接其他管線。柔性接頭及其延伸管組裝在一起，一般由專(zhuān)業(yè)廠家制造提供；SCR管體為多段鋼管焊接，管段一般由工廠預(yù)制后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，為防止渦激振動(dòng)，SCR管體上需安裝螺旋列板。圖1和圖2分別為典型SCR構(gòu)成示例和實(shí)物照片。

圖1 SCR整體構(gòu)成示例

圖2 SCR實(shí)物(柔性接頭端)

SCR安裝回接主要包括鋪設(shè)過(guò)程和回接過(guò)程。其中：鋪設(shè)過(guò)程基本與常規(guī)鋼制硬管的鋪設(shè)相同，不同之處在于存在SCR首末端安裝差異及增加螺旋列板安裝；回接過(guò)程則涉及SCR最終安裝至各類(lèi)型目標(biāo)平臺(tái)。根據(jù)安裝方法的不同，鋪設(shè)過(guò)程可能涉及鋪設(shè)后的海底濕存，從而相應(yīng)地涉及回接之前海底的回收工作。

根據(jù)海洋環(huán)境特點(diǎn)、回接平臺(tái)類(lèi)型等因素的不同，SCR安裝回接后的設(shè)計(jì)形態(tài)也有多種類(lèi)型，包括簡(jiǎn)單懸鏈線立管、緩波形立管、陡波形立管和L形立管等4種基本形式，如圖3所示。

圖3 SCR基本形式示例

2 國(guó)外SCR近年安裝回接技術(shù)概述

Heerema Marine Contractors公司在2008年采用起重船進(jìn)行某張力腿平臺(tái)8根SCR的回收安裝，油田位于墨西哥灣，水深為1 350 m[4]。8根SCR外徑范圍為6～16英寸(1英寸=0.025 4 m)。在安裝過(guò)程中，SCR預(yù)鋪設(shè)、水下傳遞、懸掛回接等過(guò)程采用創(chuàng)新技術(shù)：使用焊接馬眼連接鋼絲繩(見(jiàn)圖4)；采用液壓卸扣等新工藝；設(shè)備選型和索具設(shè)計(jì)均有借鑒意義。

圖4 焊接馬眼連接鋼絲繩

Genesis Oil and Gas公司在2014年對(duì)鋼質(zhì)緩波形立管(Steel Lasy Wave Riser，SLWR)及常規(guī)型SCR進(jìn)行基于強(qiáng)度及疲勞性能的對(duì)比分析[5]。對(duì)SLWR還進(jìn)行基于安裝步驟的模擬分析，提出適合墨西哥灣的一種SLWR安裝方案。方案中，SLWR和常規(guī)型SCR回接在2個(gè)Spar平臺(tái)的I形套管上，水深均約1 500 m。SLWR和常規(guī)型SCR有2種安裝方式，一種是首端安裝回接，另一種是末端安裝回接。在首端安裝回接中，SCR首端連接牽引纜，通過(guò)牽引纜回接至平臺(tái)后，開(kāi)始進(jìn)行SCR鋪設(shè)。在末端安裝回接中，首端連接靜態(tài)海管進(jìn)行鋪設(shè)，末端濕存海底后，回收安裝回接。

Subsea 7公司在SCR安裝方面有著豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)S-Lay、J-Lay和Reel-Lay等3種方式的SCR安裝技術(shù)均較為成熟。Subsea 7公司的J-Lay和Reel-Lay技術(shù)最早可追溯到2000年的巴西Roncador項(xiàng)目。在2009年的BC-10項(xiàng)目中，Subsea 7公司安裝了鋼質(zhì)緩波形立管，提出改善SCR疲勞問(wèn)題的一種新構(gòu)型。在2014年Santos盆地的超深水項(xiàng)目Sapinhoa和Lula NE項(xiàng)目中，Subsea 7安裝了27根SCR，并將普通SCR形式升級(jí)為浮體支撐立管(Buoy Supporting Riser，BSR)形式(見(jiàn)圖5)，從而克服超深水SCR安裝的挑戰(zhàn)[6]。在2016年的Coulomb項(xiàng)目中，Subsea 7公司安裝1根SCR，在平臺(tái)懸掛模塊上采用1套卡子系統(tǒng)，該卡子系統(tǒng)為對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有齒狀構(gòu)造，通過(guò)這種齒狀構(gòu)造克服SCR懸掛張力，這與傳統(tǒng)的SCR懸掛卡子有明顯不同[7]。

圖5 Sapinhoa和Lula NE項(xiàng)目BSR模型

3 國(guó)內(nèi)SCR安裝回接方法

3.1 SCR安裝回接方法分類(lèi)

國(guó)內(nèi)學(xué)者提出SCR常用的安裝方法主要有預(yù)鋪設(shè)法(pre-lay)、后鋪設(shè)法(post-lay)和后建造法(post-construct)[8]。其中：預(yù)鋪設(shè)法與后鋪設(shè)法的區(qū)別在于平臺(tái)安裝與SCR鋪設(shè)的先后順序；后鋪設(shè)法與后建造法的區(qū)別在于SCR鋪設(shè)相對(duì)于平臺(tái)的起始方向。預(yù)鋪設(shè)法：SCR鋪設(shè)濕存于海底后再進(jìn)行平臺(tái)安裝，最后將SCR回收并回接至平臺(tái)。后鋪設(shè)法和后建造法：平臺(tái)安裝就位后再進(jìn)行SCR安裝回接，后鋪設(shè)法SCR自平臺(tái)遠(yuǎn)端開(kāi)始鋪設(shè)，后建造法SCR自平臺(tái)近端開(kāi)始鋪設(shè)。

3.2 SCR安裝回接過(guò)程劃分

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)SCR安裝各階段的叫法不盡相同，但內(nèi)涵一致；在安裝過(guò)程中，索具的叫法也不盡相同，有吊纜、A&R纜、索具等，均可理解為SCR安裝回接索具或其構(gòu)成部分。

對(duì)于預(yù)鋪設(shè)法，SCR安裝回接過(guò)程一般分為鋪管、末端棄放、海底提升、穿越拖拉、懸掛等5個(gè)步驟。SCR海底提升過(guò)程分為移船和收纜同步進(jìn)行的耦合方案，以及移船和收纜不同步的非耦合方案。在這5個(gè)步驟中，鋪管和末端棄放可理解為SCR鋪設(shè)濕存于海底的過(guò)程，海地提升、穿越拖拉和懸掛可理解為SCR回收回接的過(guò)程。

也有學(xué)者將SCR整個(gè)安裝過(guò)程分為鋪設(shè)階段、提管階段和移管階段[9-10]。其中：鋪設(shè)階段為SCR鋪設(shè)濕存在海底的過(guò)程；在提管階段，SCR端部與吊纜相連，通過(guò)移船和收纜從海底回收；移管階段為SCR從安裝船轉(zhuǎn)移至平臺(tái)回接懸掛的過(guò)程。這種安裝過(guò)程的劃分與預(yù)鋪設(shè)法5個(gè)階段的劃分一致。相對(duì)而言，前者劃分方法較后者更為具體。

3.3 SCR安裝回接總體安裝方案

SCR鋪管過(guò)程中，管體與常規(guī)海管起始鋪設(shè)過(guò)程不同，起始鋪設(shè)后的流線段管體鋪設(shè)與常規(guī)海管相同。SCR安裝回接的一種鋪管方法為直接鋪管法[11]。SCR與生產(chǎn)管道相連，安裝船在一端下放安裝管道終端至海底目標(biāo)位置后，鋪管船進(jìn)行生產(chǎn)管道和SCR的鋪設(shè)安裝。直接鋪管法連接過(guò)程劃分為4個(gè)步驟，包括：立管在鋪管船上與管匯連接；管匯安裝船與鋪管船協(xié)調(diào)工作，鋪管船駛離安裝船，鋪出立管；立管與管匯同時(shí)下放至海底；管匯與海底基座連接。直接鋪管法可用于預(yù)鋪設(shè)法和后鋪設(shè)法的SCR管體鋪設(shè)，可作為后建造法的參考。

SCR回接過(guò)程中，一種形式是穿越平臺(tái)完成安裝回接工作，是SCR安裝回接技術(shù)的難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)有基于Spar平臺(tái)的SCR穿越轉(zhuǎn)移方法的研究，可總結(jié)Spar平臺(tái)SCR穿越轉(zhuǎn)移方法的步驟如下：SCR柔性接頭回接至安裝船作業(yè)平臺(tái)上臨時(shí)懸掛，拆除柔性接頭保護(hù)罩，安裝拖拉頭等穿越轉(zhuǎn)移工具，并移船靠近平臺(tái)；安裝船下放SCR拖拉頭至一定水深，遙控?zé)o人潛水器(Remote Operated Vehicle，ROV)水下連接Spar平臺(tái)拉入纜與SCR拖拉頭；安裝船繼續(xù)下放SCR拖拉頭至一定水深，SCR載荷主要由安裝船SCR索具承擔(dān)；回收平臺(tái)拉入纜，SCR載荷逐漸由安裝船SCR索具轉(zhuǎn)移至平臺(tái)拉入纜；ROV解除安裝船SCR索具連接，完成SCR穿越轉(zhuǎn)移工作[12]。

SCR回接過(guò)程中，另一種形式是直接在平臺(tái)同側(cè)進(jìn)行懸掛回接，完成安裝回接工作?；亟討覓斓难芯炕阼旒苁絊par平臺(tái)，有兩種方式：(1)通過(guò)拖拉管將SCR拉入，在Spar甲板上采用法蘭將SCR與平臺(tái)上的硬管相連接；(2)將SCR接頭與Spar上的接頭座相連接。也有研究基于半潛式平臺(tái)，采用起重機(jī)配合絞車(chē)牽拉直接將SCR接頭安裝于接頭座[13]。

3.4 SCR安裝回接設(shè)備

有學(xué)者對(duì)SCR采用S-Lay鋪管方式，在安裝過(guò)程中對(duì)托管架的受力進(jìn)行研究，建立托管架與SCR相互作用的局部有限元模型，分析軸向張力、托管架曲率、輥軸夾角對(duì)立管應(yīng)力和輥軸反力的影響，對(duì)托管架滾軸受力、立管受力、托管架滾軸夾角設(shè)置、托管架曲率設(shè)置得出具有參考意義的結(jié)論[14]。

比較深入的一項(xiàng)研究是對(duì)國(guó)內(nèi)采用S-Lay鋪管方式的鋪管船進(jìn)行新增舷側(cè)SCR安裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[15]。將SCR的安裝方法、作業(yè)船和南海海況相結(jié)合，論證舷側(cè)SCR安裝系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)由主塔架、快速連接器、SCR固定系統(tǒng)、A&R絞車(chē)?yán)|控制系統(tǒng)、導(dǎo)向滑輪等模塊組成。針對(duì)這套舷側(cè)系統(tǒng)進(jìn)行SCR預(yù)鋪設(shè)、后鋪設(shè)法安裝回接方案的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行水池縮尺比模型試驗(yàn)，論證該系統(tǒng)進(jìn)行SCR安裝回接工作的能力。

4 國(guó)內(nèi)SCR安裝回接分析

4.1 國(guó)內(nèi)SCR安裝分析概述

國(guó)內(nèi)SCR安裝回接分析主要針對(duì)SCR安裝的某些過(guò)程進(jìn)行，如SCR鋪設(shè)過(guò)程、從安裝船轉(zhuǎn)移至目標(biāo)平臺(tái)過(guò)程、棄管回收過(guò)程，這些大多屬于整體層面上的研究。研究對(duì)象以管徑為10英寸的SCR居多，最大達(dá)14英寸。分析的鋪管方式有S-Lay和J-Lay兩種，研究水深為1 000～3 000 m，其中，1 500 m水深的研究較多。

安裝回接影響因素有SCR自身參數(shù)(如管徑壁厚)、注水狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)(水深、波浪和海流)，安裝回接過(guò)程中SCR自身及索具的受力，適宜SCR安裝回接作業(yè)的天氣窗口，以及涉及的設(shè)備選型工作等。

4.2 SCR安裝強(qiáng)度分析

在基于S-Lay的SCR安裝強(qiáng)度分析中，有學(xué)者[16]基于Spar平臺(tái)和S-Lay鋪管船，進(jìn)行SCR安裝的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)模擬，模擬水深為1 500 m，研究SCR安裝回接過(guò)程中的應(yīng)力、張力及疲勞問(wèn)題。研究結(jié)果表明：在鋪設(shè)階段，最大等效應(yīng)力峰值出現(xiàn)在托管架區(qū)域；在提管階段，最大等效應(yīng)力峰值出現(xiàn)在立管頂端與吊纜相連位置；在移管階段，最大等效應(yīng)力峰值出現(xiàn)在SCR觸地點(diǎn)區(qū)域。

基于J-Lay的SCR安裝強(qiáng)度分析的文獻(xiàn)[17-21]則較多，研究水深最深達(dá)3 000 m。研究結(jié)果表明：在鋪設(shè)階段，立管最大等效應(yīng)力峰值出現(xiàn)在立管頂部和觸地點(diǎn)附近位置，觸地點(diǎn)之前及之后的最大等效應(yīng)力都急劇減?。辉谝乒茈A段，立管最大等效應(yīng)力峰值在立管觸地點(diǎn)附近位置。在SCR下放過(guò)程中，有效張力逐漸增大，在SCR末端到達(dá)井口時(shí)達(dá)到最大值，在SCR繼續(xù)下放至海床上時(shí)明顯減小，最大有效張力出現(xiàn)在SCR頂端。外徑為355.6 mm(14英寸)、壁厚為25.4 mm、材質(zhì)為API 5L X65的SCR，在模擬水深為 1 200 m的條件下，SCR焊點(diǎn)處允許疲勞時(shí)間達(dá)5 d。

4.3 作業(yè)天氣窗口及其他影響因素分析

SCR鋪設(shè)安裝作業(yè)窗口可通過(guò)安裝分析確定，而確定的依據(jù)歸結(jié)于特定作業(yè)天氣窗口下SCR自身及設(shè)備索具的受力問(wèn)題,如SCR管線的最大彎曲應(yīng)變和最大等效應(yīng)力，以及安裝船上用于作業(yè)的絞車(chē)受力、平臺(tái)上的穿越鋼絲繩及牽引纜等設(shè)備索具承受的張力，進(jìn)而可進(jìn)行設(shè)備選型校核。

國(guó)內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在SCR安裝回接過(guò)程中，水深、波浪、海流、鋪管船運(yùn)動(dòng)和注水狀態(tài)均是SCR鋪設(shè)的影響因素。在水深越大的情況下，SCR在水中懸鏈線長(zhǎng)度越長(zhǎng)、質(zhì)量越大，SCR頂部應(yīng)力和張力也就越大。在SCR鋪設(shè)及穿越平臺(tái)轉(zhuǎn)移過(guò)程中，注水工況的管體彎曲應(yīng)變?cè)谡w上大于空管工況。海流對(duì)空管工況下SCR穿越轉(zhuǎn)移的影響大于注水工況。波浪載荷會(huì)顯著增加SCR最大彎曲應(yīng)變，波浪波高、周期及浪向均對(duì)SCR安裝回接過(guò)程的受力產(chǎn)生影響。迎浪及隨浪的影響較小，適宜作業(yè)天氣窗口較高，橫浪影響較大，適宜作業(yè)天氣窗口較低。波浪譜峰周期在一定范圍時(shí)，適宜作業(yè)天氣窗口較低；作業(yè)窗口與安裝船運(yùn)動(dòng)特征有關(guān)，安裝船垂向運(yùn)動(dòng)越顯著，作業(yè)窗口越低。SCR棄管回收時(shí)，注水工況下的彎曲應(yīng)變大于空管空況。隨著SCR逐步回收，SCR彎曲應(yīng)變會(huì)逐漸增加。

5 國(guó)內(nèi)SCR安裝回接技術(shù)工作建議

國(guó)內(nèi)SCR海上安裝回接技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用離國(guó)外先進(jìn)技術(shù)仍有一定差距。安裝回接設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究較少。后續(xù)可針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)展開(kāi)相關(guān)研究工作。比如：(1)SCR安裝回接關(guān)鍵環(huán)節(jié)方案研究，包括海上施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)詳細(xì)方案的研究、相應(yīng)細(xì)節(jié)處理方案優(yōu)化、實(shí)際海上施工設(shè)計(jì)和計(jì)算分析工作等；(2)安裝回接輔助構(gòu)件的研制，包括深水SCR面臨安裝船舷側(cè)臨時(shí)懸掛問(wèn)題、SCR柔性接頭回收至懸掛平臺(tái)問(wèn)題等；(3)SCR安裝回接索具設(shè)計(jì)，包括SCR載荷在安裝船索具和平臺(tái)索具之間的傳遞問(wèn)題；(4)深水SCR索具采用ROV實(shí)際操作難度較大等問(wèn)題；(5)SCR安裝回接成套設(shè)備研發(fā)配置，包括船舶資源、ROV資源、不同鋪管方式的SCR安裝鋪設(shè)系統(tǒng)等。

6 結(jié) 論

國(guó)內(nèi)深水SCR安裝回接技術(shù)的研究主要集中在整體層面上的安裝方法和安裝分析上，在關(guān)鍵安裝細(xì)節(jié)上尚需進(jìn)一步研究，才能更接近實(shí)際海上安裝應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。