葉永彪，方 霖，石錦坤，檀曉光，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

柔性軟管具有可設(shè)計(jì)、易彎曲、易鋪設(shè)、可回收、開發(fā)更經(jīng)濟(jì)、更適應(yīng)海洋環(huán)境等特點(diǎn),是海洋油氣開發(fā)工程重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一[1]。柔性軟管在國外已廣泛用于淺水、深水及超深水油氣開發(fā)，在國內(nèi)也已有近30 a的安裝應(yīng)用歷史，且國產(chǎn)軟管也已實(shí)現(xiàn)自主研制并投入使用[2-3]。海底軟管的鋪設(shè)安裝可分為水平鋪設(shè)和垂直鋪設(shè)兩種形式：水平鋪設(shè)方式主要用于淺水鋪設(shè)；垂直鋪設(shè)方式主要用于深水鋪設(shè)。鋪設(shè)方式的選取主要取決于鋪設(shè)裝備能力及軟管自身抗側(cè)向擠壓能力[4]。

隨著國內(nèi)海洋油氣開發(fā)走向深水，國內(nèi)一些深水開發(fā)項(xiàng)目提上日程，柔性軟管垂直鋪設(shè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的需求與日俱增[5]。經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，國內(nèi)在近年的文昌9-2/9-3/10-3氣田群開發(fā)項(xiàng)目中，成功實(shí)施了柔性軟管海上垂直鋪設(shè)。在該柔性軟管鋪設(shè)方案的制定中，安裝計(jì)算分析發(fā)揮著重要的作用，直接計(jì)算得出了軟管及構(gòu)件的受力情況，確定適合海上施工作業(yè)的天氣窗口，并在設(shè)備選型、輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造、吊索施工機(jī)具選取上提供了關(guān)鍵依據(jù)。

1 軟管垂直鋪設(shè)工作概述

軟管垂直鋪設(shè)工作所在的文昌9-2/9-3/10-3氣田群開發(fā)項(xiàng)目，其氣田群水深為110～150 m，位于中國南海西部。軟管垂直鋪設(shè)作業(yè)船為國內(nèi)一艘最大作業(yè)水深為3 000 m的多功能工程船舶[6](見圖1)。船主甲板以下艙內(nèi)配備2 500 t卷管盤(見圖2)，用以存儲(chǔ)軟管；主甲板以上月池附近配置325 t垂直鋪設(shè)系統(tǒng)(Vertical Lay System，VLS)，該系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)塔輪、服務(wù)起重機(jī)、垂直張緊器、回收棄置絞車、管槽及壓管器等關(guān)鍵設(shè)備(見圖3)，可實(shí)現(xiàn)軟管垂直鋪設(shè)，軟管下水采用月池下水方式。船上另配置2臺(tái)不同規(guī)格起重機(jī)、2臺(tái)遙控?zé)o人潛水器(Remote Operated Vehicle，ROV)(見圖4)及多臺(tái)不同規(guī)格的絞車，這些設(shè)備在軟管海上垂直鋪設(shè)中都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

圖1 軟管垂直鋪設(shè)作業(yè)船

圖2 作業(yè)船艙內(nèi)卷管盤模型

圖3 作業(yè)船VLS

圖4 作業(yè)船ROV

項(xiàng)目共有2根軟管需要鋪設(shè)。一根為6英寸(1英寸=0.025 4 m)軟管，鋪設(shè)水深約120 m，總長為18.25 km，由11個(gè)軟管分段構(gòu)成，全部為國產(chǎn)軟管。另一根為8英寸軟管，鋪設(shè)水深為117～145 m，總長為20.90 km，由16個(gè)軟管分段構(gòu)成。

在鋪設(shè)方式上，6英寸軟管的前8個(gè)分段采用水平方式鋪設(shè)，分段間采用焊接方式連接，后3個(gè)分段采用垂直鋪設(shè)方式鋪設(shè)，分段間及分段與前8個(gè)分段末端采用法蘭連接方式或焊接方式連接。8英寸軟管分段全部采用垂直鋪設(shè)，分段間采用法蘭連接方式連接。6英寸軟管垂直鋪設(shè)是公司國內(nèi)首個(gè)軟管垂直鋪設(shè)工程，本垂直鋪設(shè)安裝計(jì)算分析基于6英寸軟管展開。圖5為文昌9-2/9-3/10-3項(xiàng)目軟管分段及連接示例。

單位：km圖5 文昌9-2/9-3/10-3項(xiàng)目軟管分段及連接示例

軟管垂直鋪設(shè)的過程主要包括軟管首末端甲板處理、首端起始鋪設(shè)、正常鋪設(shè)及末端鋪設(shè)。首末端甲板處理主要是軟管分段首末端從艙內(nèi)卷管盤導(dǎo)出、牽引穿越VLS至月池處進(jìn)行與其他分段的連接及陽極等附件的安裝工作。首端起始鋪設(shè)工作主要是軟管首端入水后鋪設(shè)至海床的工作。正常鋪設(shè)工作主要是軟管首端及附近一段軟管鋪設(shè)至海床后軟管保持一定懸鏈線形態(tài)進(jìn)行的鋪設(shè)工作，包括含中間接頭的正常鋪設(shè)及不含中間接頭的正常鋪設(shè)，在正常鋪設(shè)過程中由于設(shè)計(jì)存在甩彎路由，因此存在軟管甩彎鋪設(shè)。末端鋪設(shè)工作主要是軟管末端鋪設(shè)至海底設(shè)計(jì)位置的工作。軟管首末端的回接工作采用飽和潛水作業(yè)進(jìn)行，不在安裝計(jì)算分析研究范圍內(nèi)。

2 初始參數(shù)及模型基礎(chǔ)

2.1 軟管基本參數(shù)

文昌9-2/9-3/10-3氣田群開發(fā)項(xiàng)目6英寸軟管參數(shù)如表1所示。軟管在鋪設(shè)過程中內(nèi)注淡水。

表1 軟管參數(shù)

2.2 環(huán)境參數(shù)

在軟管安裝數(shù)值模擬分析中，考慮的環(huán)境參數(shù)主要有水深、海水密度、海浪、海流、潮汐、海床摩擦力、海床剛度，水深較深時(shí)可不考慮潮汐潮位的影響。所采用的環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 環(huán)境參數(shù)

表2中：波浪方向的定義，船舶隨浪為0°、迎浪為180°；海流流向的定義，與鋪設(shè)方向相同為0°、相反為180°，在實(shí)際模型中定義方向需結(jié)合艏向進(jìn)行調(diào)整。模擬中采用一年一遇海流的結(jié)果，對(duì)于海上施工偏于保守。

2.3 接受準(zhǔn)則

安裝數(shù)值模擬的一個(gè)重要目的是預(yù)報(bào)適合海上施工作業(yè)的天氣窗口，由于安裝過程中采用一年一遇海流，天氣窗口可表征為軟管安裝不同施工階段下的允許海上作業(yè)的最大波高。確定天氣窗口需依據(jù)張緊器、絞車、索具、軟管力學(xué)性能、軟管與船舶間隙等因素確定，這些因素的極限就是接受準(zhǔn)則。安裝分析的接受準(zhǔn)則如表3所示。

表3 接受準(zhǔn)則

表3中，張緊器、絞車等設(shè)備及索具的受力接受準(zhǔn)則最終體現(xiàn)于允許的軟管安裝張力極限。

2.4 模型基礎(chǔ)

軟管垂直鋪設(shè)安裝計(jì)算分析基于OrcaFlex軟件，需要用到該軟件自帶基本模型進(jìn)行整個(gè)鋪設(shè)系統(tǒng)的建模，基本模型主要有船模型、線模型、浮塊模型、絞車模型、連接模型、形狀模型等，這些基本模型的特點(diǎn)及作用如表4所示。

表4 OrcaFlex基本模型說明

3 軟管垂直鋪設(shè)安裝計(jì)算分析

3.1 甲板處理模擬分析

在文昌9-2/9-3/10-3氣田群開發(fā)項(xiàng)目中，軟管甲板處理過程指軟管從甲板下方艙室卷管盤倒出，通過VLS倒至月池上方進(jìn)行陽極等配件安裝及測(cè)試的過程。安裝分析針對(duì)軟管首末端甲板處理工作進(jìn)行靜態(tài)模擬分析，確定軟管、起重機(jī)、絞車及各索具構(gòu)件(吊帶、卸扣、拖拉網(wǎng)套)的靜態(tài)受力，在此基礎(chǔ)上考慮1.5倍動(dòng)態(tài)效應(yīng)，進(jìn)行設(shè)備及索具能力評(píng)估及選型工作。甲板處理過程模擬部分靜態(tài)步分析模型如圖6所示。

圖6 軟管垂直鋪設(shè)甲板處理模型

3.2 首端起始鋪設(shè)模擬分析

6英寸軟管垂直鋪設(shè)首端起始鋪設(shè)有多種安裝方案，最終施工方案為垂直鋪設(shè)段首端下放至水平鋪設(shè)段末端處后，開始垂直段獨(dú)立鋪設(shè)。首端經(jīng)過甲板處理倒至月池蓋上方，安裝陽極等配件后，連接配重塊，VLS張緊器輸出軟管將軟管首端的配重塊經(jīng)月池下放至海床上。張緊器繼續(xù)輸出軟管并進(jìn)行移船操作，使軟管首端落至海床上，按照軟管首端鋪設(shè)路由，完成軟管首端起始鋪設(shè)。首端起始鋪設(shè)過程進(jìn)行了靜態(tài)及動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算分析，如圖7所示。

圖7 軟管垂直鋪設(shè)首端起始鋪設(shè)模型

3.3 正常鋪設(shè)模擬分析

在軟管垂直鋪設(shè)過程中，軟管分段需要在月池處連接后再進(jìn)行鋪設(shè)，因此正常鋪設(shè)過程包括含中間接頭連接及不含中間接頭連接等2種情況。相對(duì)于無中間接頭的正常鋪設(shè)，含中間接頭的正常鋪設(shè)難度更高，安裝模擬分析也更為復(fù)雜，主要原因在于中間接頭剛度大且長度較長，軟管鋪設(shè)至海床時(shí)中間接頭兩側(cè)軟管管體容易過彎。

對(duì)不含中間接頭的正常鋪設(shè)安裝進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)行30 m、35 m、40 m、45 m、50 m共5種Layback(軟管觸泥點(diǎn)至月池中心水平間距)的模擬計(jì)算。對(duì)含中間接頭的正常鋪設(shè)進(jìn)行40 m、45 m和50 m共3種Layback的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算。模擬分析以40 m Layback為研究對(duì)象，針對(duì)中間接頭海底鋪設(shè)過程，進(jìn)行多個(gè)靜態(tài)步模擬，根據(jù)最小彎曲半徑和最大軟管頂張力篩選關(guān)鍵靜態(tài)步，并對(duì)45 m、50 m Layback類似的關(guān)鍵靜態(tài)步進(jìn)行建模和動(dòng)態(tài)計(jì)算。不含中間接頭的正常鋪設(shè)每個(gè)Layback模擬一個(gè)靜態(tài)步，每個(gè)靜態(tài)步都是關(guān)鍵靜態(tài)步。正常鋪設(shè)分析模型如圖8所示。

圖8 軟管垂直鋪設(shè)正常鋪設(shè)模型

3.4 末端鋪設(shè)模擬分析

軟管末端鋪設(shè)跟隨40 m Layback正常鋪設(shè)進(jìn)行。為計(jì)算下放軟管末端的回收棄置絞車最大受力，末端鋪設(shè)的模擬始于軟管末端接頭通過VLS張緊器之前。VLS回收棄置絞車在張緊器打開后，將軟管末端下放至甲板月池懸掛，進(jìn)行陽極塊安裝等工作；回收棄置絞車將軟管末端下放一定水深，下放起重機(jī)；經(jīng)過索具連接、起重機(jī)及回收棄置絞車操作，將軟管末端轉(zhuǎn)移至起重機(jī)上；移船及操作起重機(jī)，將軟管末端沿設(shè)計(jì)路由鋪設(shè)至目標(biāo)平臺(tái)立管下方軟管末端連接法蘭附近。末端鋪設(shè)分析模型如圖9所示，對(duì)回收棄置絞車受力最大的關(guān)鍵靜態(tài)步進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

圖9 軟管垂直鋪設(shè)末端鋪設(shè)模型

3.5 計(jì)算分析結(jié)果

根據(jù)軟管垂直鋪設(shè)安裝計(jì)算分析及軟管垂直鋪設(shè)篩選指標(biāo)，可得到軟管各安裝階段計(jì)算分析結(jié)果，可直接用于施工指導(dǎo)，如表5和表6所示。其中，表5結(jié)果可用于作業(yè)海況的選取，表6結(jié)果可用于設(shè)備、與設(shè)備連接索具的能力校核及選型。

表5 軟管垂直鋪設(shè)安裝允許海況及相應(yīng)軟管受力

4 結(jié) 論

文昌9-2/9-3/10-3氣田群開發(fā)項(xiàng)目成功實(shí)施的較深水柔性軟管垂直鋪設(shè)工作中，安裝計(jì)算分析結(jié)合軟管垂直鋪設(shè)船舶及設(shè)備，進(jìn)行了良好的數(shù)值模擬，得到軟管垂直鋪設(shè)允許安裝作業(yè)海況及軟管、設(shè)備施工機(jī)具受力結(jié)果，對(duì)軟管鋪設(shè)過程的完整性保障及設(shè)備施工機(jī)具選型提供了有力依據(jù)。就計(jì)算分析結(jié)果而言，可得到以下結(jié)論。

(1)在軟管垂直鋪設(shè)整體過程中，在適宜作業(yè)條件下，允許作業(yè)海況達(dá)1.5 m波高。其中，首末端鋪設(shè)允許作業(yè)海況達(dá)2.0 m波高，水深45～50 m Layback的正常鋪設(shè)允許作業(yè)海況達(dá)1.5 m波高。

(2)在軟管不含中間接頭鋪設(shè)過程中，正常鋪設(shè)允許作業(yè)海況最高達(dá)3.0 m波高，高于首末端鋪設(shè)；在含中間接頭鋪設(shè)過程中，正常鋪設(shè)允許作業(yè)海況最高達(dá)2.0 m波高，與首末端鋪設(shè)相同。這說明中間接頭的存在降低了正常鋪設(shè)的允許作業(yè)海況波高。

(3)在不同鋪設(shè)Layback下的軟管正常鋪設(shè)作業(yè)中，含中間接頭的正常鋪設(shè)僅在水深45～50 m Layback條件下具備較高允許作業(yè)海況，而不含中間接頭的正常鋪設(shè)則在水深30～50 m的范圍內(nèi)仍具有較高允許作業(yè)海況。這說明中間接頭的存在降低了正常鋪設(shè)可用Layback的范圍。

(4)在軟管安裝過程中最小彎曲半徑及軟管與船體間隙為影響允許作業(yè)海況的主要因素。隨著Layback的增大，軟管正常鋪設(shè)的最小彎曲半徑也增大，這對(duì)保障鋪設(shè)過程軟管的完整性有利。但隨著Layback的增大，軟管與船體間隙減小，軟管與船體碰撞的風(fēng)險(xiǎn)增大，軟管鋪設(shè)允許的作業(yè)海況相應(yīng)降低。這說明軟管垂直鋪設(shè)所需的Layback須設(shè)定在合理范圍，過小或過大的Layback均不利于軟管垂直鋪設(shè)工作的實(shí)施。

(5)在相同Layback條件下，含中間接頭軟管正常鋪設(shè)的最小彎曲半徑小于不含中間接頭軟管正常鋪設(shè)的最小彎曲半徑，允許作業(yè)海況也較低。這說明中間接頭的存在增加了鋪設(shè)過程軟管過彎的風(fēng)險(xiǎn)，在軟管設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能不用或少用中間接頭。