管纜斜坡式鋪設(shè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

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（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

隨著海洋石油行業(yè)的發(fā)展，水下生產(chǎn)系統(tǒng)在深水油氣田中應(yīng)用得越來越廣泛，其中柔性管纜是水下生產(chǎn)設(shè)施的重要組成部分，主要包括柔性軟管、臍帶纜、電纜。柔性管纜的主要特點(diǎn)是具有較小的彎曲半徑，對由于連接浮體運(yùn)動、波浪、海流環(huán)境和安裝作業(yè)等引起的彎曲載荷具有較好的順應(yīng)性。

柔性管纜的海上安裝通常由鋪纜船完成，根據(jù)管纜入水方式的不同，可分為水平鋪設(shè)（Horizontal-lay）和豎直鋪設(shè)（Vertical-lay）2 種形式。水平鋪設(shè)中，按照管纜存儲方式的不同，也可分為卷盤（carousel）鋪設(shè)和滾筒（reel）鋪設(shè)。因滾筒方便運(yùn)輸，匹配性強(qiáng)，并可以多次重復(fù)利用，滾筒鋪設(shè)目前應(yīng)用廣泛。

綜合來看，水平鋪設(shè)方式中使用動力定位船、中軸式滾筒驅(qū)動裝置、張緊器、入水橋，這是國際上較為成熟的管纜安裝方法，安裝工作效率較高。部分項(xiàng)目由于其施工要求，需要設(shè)計(jì)應(yīng)用較高的入水橋，張緊器也須相應(yīng)加高并設(shè)置一定角度，這就用到特殊的斜坡式形式，其仍屬于管纜水平鋪設(shè)方式的范疇。

該文根據(jù)流花21-2 電纜施工實(shí)例進(jìn)行論述，該例中斜坡式鋪設(shè)系統(tǒng)的入水橋總高度為 14m，該創(chuàng)新設(shè)計(jì)的成功實(shí)施是國內(nèi)水下管纜鋪設(shè)的又一突破，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 鋪設(shè)關(guān)鍵設(shè)備

1.1 選型概述

柔性管纜鋪設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，為高效完成柔性管纜的鋪設(shè)工作并實(shí)現(xiàn)效益最大化，需要合理選用設(shè)備。圖1 為斜坡式鋪設(shè)系統(tǒng)的側(cè)視圖，展示了鋪設(shè)系統(tǒng)的基本設(shè)備。

圖1 斜坡式鋪設(shè)系統(tǒng)的設(shè)備

通常來說，柔性管纜鋪設(shè)作業(yè)所需的關(guān)鍵設(shè)備選型，主要由以下關(guān)鍵因素決定：柔性管纜尺寸參數(shù)；柔性管纜數(shù)量及到貨形式；柔性管纜鋪設(shè)作業(yè)水深；柔性管纜的鋪設(shè)方案。

柔性管纜鋪設(shè)設(shè)備選型前需要對柔性管纜的技術(shù)文件進(jìn)行詳細(xì)研究，可先進(jìn)行柔性管纜鋪設(shè)初步分析，分析的結(jié)果可以為鋪設(shè)裝備選型、裝船布置及輔助施工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供支持與建議。

管纜存儲裝置是柔性管纜存儲、運(yùn)輸及鋪設(shè)的載體。由上文可知，常見的柔性管纜存儲裝置一般分為滾筒和卷盤。滾筒和可旋轉(zhuǎn)式卷纜盤，都是以繞軸旋轉(zhuǎn)的方式收放管纜，不存在扭力積累，所以對海纜、軟管和臍帶纜的存儲都適用，具體選擇哪種類型，需要綜合考慮柔性管纜參數(shù)和船舶參數(shù)。

如果是長距離管纜，在不允許分段的前提下，其存儲采用較多的是固定卷纜盤或帶有大容量儲纜艙的施工船舶。帶有儲纜艙的專業(yè)鋪纜船是長距離海纜鋪設(shè)的首選，但這類船舶資源較少。

短距離的管纜較常采用滾筒存儲及鋪設(shè)，但須搭配專門的中軸式滾筒驅(qū)動裝置來使用。

該實(shí)例的設(shè)備選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于流花21-2 油田的2 條電纜：A 電纜（長度3.7km），B 電纜（長度3.86km）。電纜的主要參數(shù)見表1。

表1 電纜主要參數(shù)

1.2 滾筒驅(qū)動裝置

中軸式滾筒驅(qū)動裝置通常分為驅(qū)動立塔、滑軌、動力和控制單元4 個(gè)部分。驅(qū)動立塔上含有液壓動力單元，垂直方向布置的液壓缸可以頂舉滾筒離開底座，塔頂?shù)尿?qū)動模塊可以與滾筒上的驅(qū)動接口相匹配并小范圍水平移動，插入滾筒的驅(qū)動接口內(nèi)，驅(qū)動模塊在液壓馬達(dá)作用下驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)，完成管纜收放。

滾筒驅(qū)動裝置的選型需要根據(jù)滾筒的尺寸，滾筒及管纜的總重以及鋪設(shè)的海況條件綜合考慮。

目前國外廠家供貨采用的滾筒已經(jīng)形成了一套行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滾筒的寬度和HUB 接口幾乎完全一致，所以在滾筒尺寸方面主要考慮的是滾筒外徑。

滾筒加上管纜的總質(zhì)量，不能超過放纜裝置可驅(qū)動的最大重量。如滾筒的寬度超過6m，這將導(dǎo)致裝置的2 個(gè)驅(qū)動塔間隔較大，滾筒施加給驅(qū)動塔的力矩較大，可能造成驅(qū)動塔固定結(jié)構(gòu)的損壞，所以驅(qū)動裝置的選型需要考慮滾筒的寬度是否在規(guī)定范圍內(nèi)。

流花21-2 電纜由于廠家采用滾筒形式交貨，滾筒的寬度和HUB 接口都為通用尺寸。電纜滾筒的自重為183MT，根據(jù)需求最終選取400MT 通用滾筒驅(qū)動裝置。

1.3 張緊器設(shè)備

在鋪設(shè)某些小管徑管纜時(shí)，如果通過計(jì)算得出的鋪設(shè)張力不大，可以考慮使用滾筒驅(qū)動裝置直接鋪設(shè)，但是需要保證管纜鋪設(shè)至滾筒最內(nèi)圈時(shí)的力矩不大于滾筒驅(qū)動裝置能夠承受的最大力矩。

如果無法使用滾筒驅(qū)動裝置直接鋪設(shè)，就需要在管纜鋪設(shè)路由上增加張緊器設(shè)備。張緊器可以在管纜鋪設(shè)下放過程中，控制鋪設(shè)的速度，并保證管纜受到的張力為恒定值。張緊器的4 條履帶向內(nèi)移動收緊，給管纜施加壓力，管纜表面和履帶將產(chǎn)生摩擦力，這種摩擦力為軟管提供張緊力，防止管纜意外滑動的同時(shí)向外輸送管纜。

在張緊器選型時(shí)，根據(jù)初步計(jì)算分析的結(jié)果，首先選定張緊器的噸位，也就是張緊器可提供的最大張力。

管纜廠家提供的側(cè)壓力數(shù)據(jù)，注明了在不同的鋪設(shè)張力值下，單位長度管纜每履帶所需的最小側(cè)壓力和所能承受的最大側(cè)壓力，以及推薦側(cè)壓力數(shù)值。在進(jìn)行選型時(shí)，先確定鋪設(shè)張力的區(qū)間范圍，然后配合張緊器廠家提供的側(cè)壓力表，核對在最小和最大側(cè)壓力范圍內(nèi)，張緊器能否提供足夠張力。

張緊器的噸位確定后，需要根據(jù)其規(guī)格書核對該噸位的張緊器與管纜的尺寸是否匹配。不同類型的張緊器可適用的管纜外徑有一個(gè)適應(yīng)范圍，只要確保管纜的尺寸在這個(gè)范圍內(nèi)即可。除此之外，在某些管纜上還會附著有如中間接頭、限彎器之類的附件，需要保證張緊器履帶的最大張開間距可以滿足附件的通過要求。

對該實(shí)例流花21-2 電纜，使用水動力軟件Orcaflex初步計(jì)算電纜鋪設(shè)過程，得出電纜的最大動態(tài)張力為37.1MT?？紤]該張力值及上述因素，選擇使用最大工作荷載50MT 張緊器。

2 輔助結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)

2.1 入水橋

入水橋是管纜斜坡式鋪設(shè)方式中的重要設(shè)備，一般將其固定在施工船舶船尾或船舷，是用于管纜入水導(dǎo)向的裝置，主要起到支撐管纜并控制管纜在入水橋上曲率的作用，使管纜在鋪設(shè)時(shí)管纜具有比較合理的變形。

入水橋通常采用弧面溝槽設(shè)計(jì)，入水橋的弧形板設(shè)計(jì)半徑要求大于管纜的最小操作半徑。需要根據(jù)管纜的參數(shù)和鋪設(shè)要求等設(shè)計(jì)入水橋，如管纜在甲板上的路由、最小彎曲半徑、固定位置等要求。

根據(jù)廠家提供的電纜資料，電纜的MBR（操作最小彎曲半徑）為4.2m，設(shè)計(jì)的入水橋弧面半徑必須要大于這個(gè)數(shù)值，考慮一定的設(shè)計(jì)余量，將其半徑設(shè)計(jì)為5m。

在電纜的鋪設(shè)過程中，需要在電纜上安裝浮子、管卡等附屬結(jié)構(gòu)，這些安裝工作在入水橋弧板的下方完成，因此需要將入水橋本體抬升至距甲板一定高度，以提供人員操作的空間，并在入水橋下方增加一個(gè)主工作平臺。

流花21-2 有一段電纜外層需要安裝限位管卡和左右兩側(cè)的限彎段結(jié)構(gòu)，該段總長為11.6m，如圖2 所示。根據(jù)操作需求，必須在入水橋弧板下方留有7m 以上的操作空間，以安裝限位管卡和一側(cè)限彎段。

圖2 電纜限位管卡及限彎結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上需求，入水橋設(shè)計(jì)總高須要達(dá)到14m 左右，才能滿足電纜鋪設(shè)安裝附屬結(jié)構(gòu)的要求。

如圖3 所示，入水橋弧板下方的主工作平臺設(shè)計(jì)有可向兩側(cè)打開的格柵蓋板，蓋上時(shí)可供人員站立，打開后即可通過電纜。工作平臺上設(shè)計(jì)有2 條平行大梁，可以前后拉動，當(dāng)電纜鋪設(shè)至末端，需要進(jìn)行電纜臨時(shí)懸掛時(shí)，將大梁伸出提供懸掛支撐。入水橋的二層平臺上設(shè)計(jì)有懸臂梁，方便轉(zhuǎn)運(yùn)電纜的附屬結(jié)構(gòu)和施工工具等。

圖3 入水橋設(shè)計(jì)模型

2.2 張緊器支架

為了與入水橋相配合進(jìn)行施工，配套的張緊器需要加高到相適應(yīng)的高度，為保證電纜路徑由張緊器至入水橋弧板的平順過度，需要將張緊器設(shè)置為一定的角度，這可以通過設(shè)計(jì)張緊器下方支架的傾斜角度來實(shí)現(xiàn)。使用AutoCAD 軟件進(jìn)行模擬，得出支架的最優(yōu)傾斜角度為17°?？紤]到支架預(yù)制方便及拆裝靈活，將入水橋支架設(shè)計(jì)為上下2 層，下層結(jié)構(gòu)上表面水平，上層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有傾斜角度。

3 有限元計(jì)算

3.1 計(jì)算通用參數(shù)

使用海洋工程結(jié)構(gòu)分析軟件SACS 進(jìn)行入水橋和張緊器支架建模計(jì)算。設(shè)計(jì)使用HYSY285 船進(jìn)行安裝施工，入水橋和張緊器支架固定于船尾，如圖4 所示。

圖4 入水橋張緊器布置

根據(jù)DNVGL 船舶運(yùn)動規(guī)范及船舶外形尺寸，采用表2 船舶運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行裝船計(jì)算。

結(jié)構(gòu)計(jì)算的工況考慮結(jié)構(gòu)自重和環(huán)境載荷風(fēng)載，風(fēng)速根據(jù)規(guī)范選取27m/s，分別考慮與船艏向0°、90°、180°、270°方向的風(fēng)載荷。

管纜在入水橋和張緊器上的最大工作拉力，可按照張緊器的最大工作載荷50t 取值。入水橋和張緊器支架的鋼材材質(zhì)選用Q235B，屈服強(qiáng)度235MPa，泊松比為0.3。

3.2 入水橋計(jì)算

將以上表2 中的船舶運(yùn)動參數(shù)，輸入至SACS Tow input file 中，同時(shí)在軟件中建立入水橋的模型及加載本身重力載荷，入水橋的邊界條件設(shè)為最下層底座在甲板上多節(jié)點(diǎn)固定，圖5 為入水橋計(jì)算模型。在SACS 拖航Tow 模塊中同時(shí)運(yùn)行模型文件和Input file 文件，計(jì)算可得出船舶航行時(shí)，船舶運(yùn)動施加在入水橋上的載荷。

圖5 入水橋計(jì)算模型

表2 船舶運(yùn)動參數(shù)

在上述拖航Tow 計(jì)算基礎(chǔ)上，在軟件模型中輸入各向風(fēng)載。再輸入管纜施加的張緊力，以及管纜末端懸掛時(shí)施加在入水橋上的懸掛力，以上所有的載荷即為入水橋模型的基本載荷。在最終的計(jì)算組合combine 模型中，選取10個(gè)詳細(xì)工況，對上述的各種基本載荷進(jìn)行組合計(jì)算?？蓪⒃敿?xì)工況歸類為表3 中的主要類型。

表3 入水橋工況組合

在生成的結(jié)果文件psvdb 中查看計(jì)算結(jié)果，根據(jù)API RP 2A-WSD 和AISC 規(guī)范，入水橋結(jié)構(gòu)各桿件的最大材料強(qiáng)度利用率=0.66<1，如圖6 所示，結(jié)果證明入水橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 入水橋計(jì)算結(jié)果

3.3 張緊器支架計(jì)算

張緊器支架的基本計(jì)算過程與入水橋相同，邊界條件設(shè)為立柱支點(diǎn)全部固定，張緊器自重作為一個(gè)重心點(diǎn)進(jìn)行加載，如圖7 所示。計(jì)算中選取9 個(gè)詳細(xì)工況，對上述的各種載荷進(jìn)行組合，計(jì)算結(jié)果。可將主要工況歸類見表4。

表4 張緊器支架工況組合

圖7 張緊器支架計(jì)算模型

根據(jù)API RP 2A-WSD 和AISC 規(guī)范，張緊器支架結(jié)構(gòu)各桿件的最大材料強(qiáng)度利用率=0.67<1，如圖8，結(jié)果證明張緊器支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 張緊器支架計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

在海洋石油工程中采用水平鋪設(shè)的方式進(jìn)行管纜海上安裝是一種常用方式，根據(jù)部分管纜的鋪設(shè)要求，需要的入水橋較高，將張緊器的高度增加，并且設(shè)計(jì)為一定的斜度，即為斜坡式鋪設(shè)系統(tǒng)。

斜坡式管纜鋪設(shè)系統(tǒng)在流花16-2 油田群工程項(xiàng)目中成功應(yīng)用，提高了管纜鋪設(shè)安裝技術(shù)水平。該鋪設(shè)系統(tǒng)提升了管纜海上鋪設(shè)的效率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

該文通過流花16-2 油田群工程項(xiàng)目中流花21-2 油田電纜鋪設(shè)設(shè)計(jì)的成功實(shí)例，詳細(xì)闡述了斜坡式鋪設(shè)系統(tǒng)的主要設(shè)備、選型要求、配套結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)物的計(jì)算分析，以及斜坡式鋪設(shè)系統(tǒng)對施工效率提升等方面?？偨Y(jié)出一套斜坡式鋪設(shè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程和方法，對今后類似管纜鋪設(shè)項(xiàng)目實(shí)施提供了參考。