南海深水鋼懸鏈立管S型鋪設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

王曉飛，李 斌，趙福臣，吳仕鵬，王 佳

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

為充分發(fā)揮我國現(xiàn)有深水S型鋪管船“海洋石油201”的作業(yè)能力，以中國南海陵水17-2項目的一條6 in（1 in=25.4 mm） SCR為例，針對SCR焊接、超深水管道起始鋪設(shè)、渦激抑制減緩裝置安裝以及柔性接頭應(yīng)變控制等關(guān)鍵技術(shù)進行研究，并給出技術(shù)方案[1-8]。

1 SCR鋪設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 焊接工藝設(shè)計

為了滿足嚴(yán)苛的疲勞壽命要求，SCR的焊接工藝設(shè)計是關(guān)鍵。在陵水17-2項目中，首次開發(fā)了機械式熔化極氣體保護焊冷金屬過渡（mGMAW-CMT）的封底工藝和機械式熔化極氣體保護焊脈沖模式（mGMAW-P） 的填充蓋面工藝，坡口形式設(shè)計為窄間隙J型坡口。管道焊縫組對錯邊量（Hi-Lo）控制在0.5 mm以內(nèi)。為達到這一標(biāo)準(zhǔn)，SCR管道兩端必須進行內(nèi)鏜孔，并根據(jù)管端測量數(shù)據(jù)進行分類和配對。SCR焊縫需打磨拋光形成圓滑過渡，并將余高控制在0.75 mm以內(nèi)，以降低焊縫位置應(yīng)力集中系數(shù)。通過機械性能和全尺度疲勞試驗，證明所開發(fā)的焊接工藝滿足規(guī)格書要求。SCR焊縫不允許返修，如果焊縫缺陷值超出標(biāo)準(zhǔn)則需要切口重新焊接。因此為了達到較高的焊接效率，必須控制切口數(shù)量。設(shè)計過程中對比了不同作業(yè)站點布置對施工效率的影響，以?6 in的SCR為例，施工作業(yè)效率評估如表1所示。

表1 施工作業(yè)效率評估

從上述分析中得知，對于每個雙節(jié)點管道而言，方案一較方案二雖然在關(guān)鍵路徑上平均節(jié)省5.5 min，但由于切口耗時更長，在效率上方案二更高，因此，海上施工時建議使用方案二。

1.2 超深水SCR起始鋪設(shè)技術(shù)

對于超深水管道S型鋪設(shè)，其與J型鋪設(shè)類似，通常將管道的分離角設(shè)計為近90°，使托管架尾滾輪與管道成切線狀態(tài)。S型鋪設(shè)依靠船艉托管架將管道從水平轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直形態(tài)，即管道與托管架分離后成J型狀態(tài)。因此，托管架的曲率設(shè)計應(yīng)盡可能接近豎直狀態(tài)，同時應(yīng)將管道的應(yīng)變控制在規(guī)范要求內(nèi)。根據(jù)管道基本參數(shù)，設(shè)計了針對超深水管道安裝的托管架曲率，如表2所示。

表2 托管架曲率設(shè)計數(shù)據(jù)

陵水17-2項目的SCR（?6 in）起始鋪設(shè)方法為超深水管道懸垂下放連接重力錨法，作業(yè)水深為1 430 m。此方法是以一個重力錨作為系固點，當(dāng)管段懸垂下放至接近海床后，將管頭通過一小段起始纜與重力錨連接到一起。與常規(guī)大抓力錨相比，重力錨可以在長基線（LBL）陣列中精確就位，并具備較高承載力和穩(wěn)定性，能夠保證起始端落在目標(biāo)區(qū)域的安裝精度。

重力錨上預(yù)留一段起始纜短索具，可以在起始鋪設(shè)前由支持船預(yù)先安裝完畢。管頭起始端連接另一段起始纜，其長度根據(jù)實際重力錨的安裝位置確定。對超深水SCR起始鋪設(shè)，兩段起始纜的總長度一般為50～100 m。管頭端的起始纜應(yīng)進行綁扎，以防止在通過托管架時與滾輪攪?yán)p。超深水SCR起始鋪設(shè)的基本步驟如圖1所示。

圖1 超深水SCR起始懸垂下放工藝

1.3 渦激抑制裝置安裝設(shè)計

VIVstrake在SCR懸空段的覆蓋率為75%，設(shè)計使用年限為30年。VIV strake制造材料有PE/PU/PP等。相關(guān)試驗研究表明，適用于S-lay的材質(zhì)主要為PU，這是因為S型鋪設(shè)在管道通過托管架滾輪時承受較大的支反力。綁扎帶材質(zhì)設(shè)計為高耐海水腐蝕的鎳625合金。VIV strake在使用前要根據(jù)鋪設(shè)時滾輪支反力在陸地進行測試，以模擬通過托管架后渦激抑制列版的恢復(fù)狀態(tài)及損壞率。

對于單個雙節(jié)點管道，VIVstrake安裝作業(yè)處于SCR鋪設(shè)關(guān)鍵路徑，施工效率高低取決于綁扎作業(yè)面的范圍。設(shè)計時盡量選擇一個比較大的作業(yè)區(qū)域進行，在釋放管道過程中進行綁扎作業(yè)。安裝過程中可能出現(xiàn)滾輪碾壓滑脫現(xiàn)象，應(yīng)檢查滾輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，可在VIVstrake初始位置安裝楔形木塊以幫助平滑通過滾輪，過渡形式設(shè)計效果如圖2所示。

圖2 VIV減緩裝置初始安裝過渡設(shè)計

1.4 SCR鋪設(shè)長度的精確控制

SCR安裝精度應(yīng)滿足立管懸掛角度誤差范圍，安裝允許的懸掛角度誤差一般為±0.5°。為了滿足最終安裝精度要求，在SCR鋪設(shè)階段需要將柔性接頭管焊接在正確位置上，即通過精確控制SCR的長度誤差來保證懸掛角度的正確?；赟CR（?6 in）特性和所在水深，經(jīng)分析SCR鋪設(shè)長度的精度應(yīng)控制為±6 m以內(nèi)。考慮到海床起伏、定位設(shè)備精度、管道測量誤差等因素影響，應(yīng)將SCR鋪設(shè)長度的精度控制在±3 m內(nèi)，這在1 500m水深（懸鏈線超過2 000 m） 的范圍控制難度較大。為達到所要求的鋪設(shè)精度，制訂了鋪設(shè)長度精度控制的方案，如圖3所示。首先，制訂了采用長基線陣列的方式，對標(biāo)記點進行水下定位，得到所需鋪設(shè)管道的長度；然后，對后續(xù)待焊接的每根管道測量實際長度，對鋪管長度數(shù)據(jù)進行動態(tài)控制；最后，確定所需安裝的調(diào)整管長度。

圖3 終止鋪設(shè)精度控制模型

1.5 柔性接頭終止鋪設(shè)技術(shù)

SCR終止鋪設(shè)于柔性接頭側(cè)。由于柔性接頭是SCR的關(guān)鍵構(gòu)件，起到懸掛立管、承受平臺運動荷載的作用，對其進行保護非常重要。柔性接頭的外徑（1100mm） 是管道外徑（168.3 mm） 的6.6倍，在通過“海洋石油201”托管架時，由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生較大彎矩，從而引起塑性變形而導(dǎo)致柔性接頭彈性體損壞。為將柔性接頭局部應(yīng)變控制在0.24%以內(nèi)，以滿足設(shè)計要求，為此專門設(shè)計了過渡裝置，其一端為ROV鉤，另一端為吊耳，如圖4所示。

圖4 柔性接頭安裝應(yīng)力過渡裝置

2 SCR海上鋪設(shè)效果

2020年8月，“海洋石油201”用時10 d完成了1條?6 in的SCR鋪設(shè)作業(yè)，鋪設(shè)總長度的精度誤差控制在±1.5 m內(nèi)。累計焊接365道焊縫，切口3道，一次合格率為99.2%，切口率為0.8%，遠(yuǎn)低于國際SCR鋪設(shè)過程中的切口率。海上施工實踐表明，“海洋石油201”采用S型鋪設(shè)方式可以用于安裝SCR。

3 結(jié)束語

通過對鋼懸鏈立管鋪設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的研究，解決了采用S型鋪管船安裝SCR的技術(shù)難點，并應(yīng)用在國內(nèi)首個鋼懸鏈立管安裝項目中。在后續(xù)SCR鋪設(shè)項目的設(shè)計時，建議重點關(guān)注以下幾點：第一，通過設(shè)計選用適合的S型鋪管船進行深水SCR鋪設(shè)；第二，對于SCR焊接，作業(yè)站點設(shè)置可以減少切口率；第三，VIV減緩裝置應(yīng)選用聚氨酯材料，應(yīng)設(shè)計過渡段輔助通過滾輪；第四，通過控制SCR鋪設(shè)長度精度，可以實現(xiàn)對SCR懸掛角度誤差的控制；第五，柔性接頭若作為末端安裝時，通過設(shè)計過渡裝置可以有效控制局部應(yīng)變，從而降低風(fēng)險。