淺析D P船冬季海底雙層保溫管道鋪設(shè)

孟小雨，孟嘉巖，姜宇超，柴昕辰，于 彬

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

1 海底管道鋪設(shè)

1.1 海底管道

海底管道是海上油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中油氣輸運(yùn)最經(jīng)濟(jì)、便捷和安全的方式。按照管道橫截面類(lèi)型分類(lèi)，海底管道可分為單層保溫管、雙層管和集束管。與陸地管道不同，海底管道在承受管內(nèi)、外壓力的同時(shí)，還受海流與泥沙的沖蝕、海底低溫環(huán)境與管內(nèi)流體的巨大溫差、海底微生物的腐蝕等海洋環(huán)境因素的綜合影響。在成分、性能、尺寸控制等方面，海底管道用鋼要求高于陸地[1]。為滿(mǎn)足載荷要求，海管橢圓度與壁厚均需嚴(yán)格控制。金屬管道外層常增加瀝青砂膠涂層或者環(huán)氧涂層，同時(shí)配有陰極保護(hù)[2]。管道外部可以通過(guò)混凝土或玻璃纖維包裝以保護(hù)外壁涂層。

為滿(mǎn)足M管道85℃的運(yùn)行溫度，M海管更換項(xiàng)目所使用的海管為雙層管，內(nèi)外管間填充聚氨酯以保溫。內(nèi)管為管徑12"（30.48 cm）、壁厚15.9 mm的無(wú)縫鋼管，外管為管徑18"（45.72 cm）、壁厚12.7 mm的高頻直縫鋼管。

1.2 海底管道鋪設(shè)方法

目前，海底管道的鋪設(shè)方法主要有4種，分別是拖管法（Tow method/Tow-lay）、S形鋪管法（S-lay）、J型鋪管法（J-lay）、卷管式鋪管法（Reel barge method/Reel-lay）[2-3]。4種鋪管方法各有特點(diǎn)，在不同的鋪設(shè)工況下各有優(yōu)勢(shì)：拖管法使用拖輪進(jìn)行海管鋪設(shè)，僅適于離岸較近的淺水海域，后3種鋪管法需鋪管船與駁船配合施工，適于遠(yuǎn)離海岸的深水海域[4]。

1.3 S形鋪管法施工流程

鋪設(shè)系統(tǒng)主要由焊接站、張緊器、托管架3部分組成。S形鋪管法因鋪設(shè)速度快、效率高、適用于大口徑管道和全部水深范圍而備受青睞，是目前應(yīng)用最廣泛的鋪管方法。

S形鋪管法常規(guī)施工過(guò)程分為3個(gè)階段，分別是起始鋪設(shè)、正常鋪設(shè)和終止鋪設(shè)。受海況條件限制，海上施工有時(shí)無(wú)法連續(xù)作業(yè)，故設(shè)臨時(shí)棄管、棄管回收兩種流程。此外，施工前后還有大量前期準(zhǔn)備及后期處理工作。

2 海底管道鋪設(shè)作業(yè)船舶

2.1 鋪管船

S形鋪管法的應(yīng)用需以鋪管船為載體，鋪管船主要?dú)v經(jīng)了“無(wú)動(dòng)力駁船改造—半潛式船型搭配固定式托管架—?jiǎng)恿Χㄎ讳伖艽比陌l(fā)展與改進(jìn)。動(dòng)力定位鋪管船鋪設(shè)效率高、對(duì)水深的適應(yīng)能力強(qiáng)，成為目前S形鋪管船的主流。

M海管更換項(xiàng)目選用的主作業(yè)船海洋石油201船是我國(guó)第一艘自主詳細(xì)設(shè)計(jì)和建造的同時(shí)具備3000 m深水鋪管能力、4000 t起重能力、DP-3級(jí)動(dòng)力定位，且具備自航能力的深水起重鋪管船，作業(yè)管徑為6～60"（15.24～152.40 cm），作業(yè)水深為15～3000 m[5]。

2.2 動(dòng)力定位船

海底管道鋪設(shè)的全周期都受到環(huán)境條件的限制，包括風(fēng)、浪、流、潮沙、海冰等，同時(shí)也存在地震等意外情況的影響。其中，風(fēng)荷載、浪荷載與流荷載對(duì)鋪設(shè)管道的影響最為顯著。施工中多通過(guò)對(duì)表征環(huán)境信息的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，完成環(huán)境荷載的監(jiān)測(cè)。

動(dòng)力定位船舶是一種可執(zhí)行高精度作業(yè)的全驅(qū)動(dòng)水面船，通過(guò)對(duì)環(huán)境載荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由控制系統(tǒng)推演反算，控制安裝在船體各部位的推進(jìn)器，克服海洋中風(fēng)浪流等環(huán)境因素的影響，獨(dú)立的控制船體的縱、橫向位置或艏向達(dá)到給定值，以盡可能抵消環(huán)境力的影響[6]。海洋石油201船采用DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)，選用康斯伯格（Kongsberg）公司的K-Pos系統(tǒng)（表1）[7]。

表1 環(huán)境載荷監(jiān)測(cè)

3 海管鋪設(shè)作業(yè)線(xiàn)及主要設(shè)備

3.1 海管鋪設(shè)作業(yè)線(xiàn)

海洋石油201船是具有自航能力的動(dòng)力定位（ABS DPS3；CCS DP3）雙層甲板深水鋪管起重船。在主甲板縱向中心線(xiàn)設(shè)有鋪管作業(yè)線(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)主作業(yè)線(xiàn)或主線(xiàn)），主作業(yè)線(xiàn)的左右兩側(cè)設(shè)置雙節(jié)點(diǎn)管道區(qū)域（以下簡(jiǎn)稱(chēng)輔線(xiàn)）。

雙層保溫管道鋪設(shè)過(guò)程中，管段在鋪管船上經(jīng)過(guò)吊裝、輸送、組對(duì)、焊接、無(wú)損檢測(cè)、保溫材料填充、節(jié)點(diǎn)涂敷等流程后，接長(zhǎng)為管道經(jīng)過(guò)張緊器，沿托管架入海[8]。根據(jù)M項(xiàng)目雙層保溫管道鋪設(shè)的作業(yè)要求，本次主線(xiàn)系統(tǒng)選配1個(gè)采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）的自動(dòng)焊接站、3個(gè)采用氣保護(hù)藥芯焊絲電弧焊（FCAW-G）的半自動(dòng)焊接站、2個(gè)噴砂除銹站、2個(gè)防腐補(bǔ)口站及1個(gè)陽(yáng)極安裝站。表2中，NDT為無(wú)損檢測(cè)，AUT為全自動(dòng)超聲波技術(shù)，PAUT為相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，UT和MT分別為磁粉探傷和超聲波探傷。

表2 海洋石油201船主作業(yè)線(xiàn)工作站

兩側(cè)每條輔線(xiàn)選配1個(gè)坡口預(yù)制區(qū)、3個(gè)使用埋弧焊（SAW）的焊接站、1個(gè)返修站（表3）。

表3 海洋石油201船左、右輔線(xiàn)工作站

3.2 海管鋪設(shè)主要設(shè)備

高效的鋪管作業(yè)依賴(lài)于各類(lèi)裝備的協(xié)調(diào)工作（表4）。目前鋪管作業(yè)線(xiàn)系統(tǒng)上各類(lèi)裝備的設(shè)計(jì)、制造基本被國(guó)外公司壟斷，如意大利的Goriziane公司、意大利Remacut公司、荷蘭SAS公司以及新加坡PH公司等[8]。

表4 鋪管系統(tǒng)設(shè)備布置

3.2.1 A/R絞車(chē)

A/R絞車(chē)（Abandonment and Recovery Winch，又稱(chēng)收放絞車(chē)）主要用于海底管道鋪設(shè)中的棄管作業(yè)和收管作業(yè)，在實(shí)際作業(yè)中一般與張緊器配合使用，通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，可全自動(dòng)完成張力轉(zhuǎn)換[9-10]。

海洋石油201船配有2套A/R絞車(chē)，最大張緊力分別為400 t和300 t，分別用于鋪管和船側(cè)PLET安裝。A/R絞車(chē)安裝在A甲板前部，包括直角型排纜器、儲(chǔ)繩卷筒、牽引卷筒、測(cè)量滾輪、導(dǎo)向滾輪、補(bǔ)償滾輪等，A/R絞車(chē)由機(jī)側(cè)控制箱和DP室控制系統(tǒng)共同控制。

3.2.2 張緊器

張緊器（Tensioner）是海底管道鋪設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備，作用即實(shí)現(xiàn)鋪管過(guò)程中的張力控制，用于給已焊接管道提供張力并控制管道下放，并控制管道鋪設(shè)速度[11]。

海洋石油201船設(shè)有2臺(tái)張緊器，安裝在主線(xiàn)5站與6站之間，鋼管鋪設(shè)時(shí)每臺(tái)張緊器最大張緊力為200 t，水泥配重管鋪設(shè)時(shí)每臺(tái)張緊器最大張緊力為120 t，適用管徑為6～60"，由液壓站側(cè)控制箱、張緊器側(cè)控制箱、DP室控制系統(tǒng)共同控制。

3.2.3 托管架

托管架是S形深水鋪管作業(yè)中重要裝備之一，它位于鋪管船尾部或船側(cè)，相當(dāng)于船體的延伸，其功能是按特定的曲率支撐管道，并引導(dǎo)管道以設(shè)計(jì)的角度進(jìn)入水下，控制管道下水時(shí)的彎曲變形[12]。

海洋石油201船托管架位于船艉，共4節(jié)，總長(zhǎng)約106 m，最小鋪管半徑為90 m，最大鋪管半徑為365 m。M項(xiàng)目使用了兩節(jié)。

3.2.4 ROV

在海管的鋪設(shè)施工中，ROV（Remotely Operated Vehicle，水下機(jī)器人）可通過(guò)遠(yuǎn)程遙控，實(shí)現(xiàn)水下監(jiān)控及水下機(jī)械操作。M項(xiàng)目選配ROV共2臺(tái)，選用的ROV為200 HP（147.1 kW）、3000 m鎧甲纜、TMS內(nèi)軟纜600 m重工作級(jí)水下機(jī)器人，配備一個(gè)SCHILLING TITAN-4七功能模擬機(jī)械手、一個(gè)SCHILLING RIGMAS-TER五功能機(jī)械手，可外接液壓剪、液壓砂輪機(jī)、鉆石切割鋸、吸泥泵等各類(lèi)液壓工具，具有很強(qiáng)的水下工作能力（表5）[13]。

表5 M項(xiàng)目ROV主要工作

4 施工面臨的問(wèn)題與效率提升對(duì)策

4.1 海況條件惡劣，高效利用天氣窗口

依據(jù)設(shè)計(jì)文件，鋪管作業(yè)環(huán)境限制條件較為嚴(yán)格，風(fēng)速≤16 m/s，有義波高≤2.5 m，波浪周期≤9 s，流速≤2節(jié)。因冬季海況不佳，以往甚少進(jìn)行雙層海管鋪設(shè)作業(yè)，根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，天氣待機(jī)取純工期的30%。但實(shí)際施工中，冬季海況遠(yuǎn)不及預(yù)期，作業(yè)窗口短暫且不連續(xù)。通過(guò)對(duì)施工海域作業(yè)海況的統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)，M海域1—2月份天氣待機(jī)在總工期中占比高達(dá)60.7%，制約鋪管的關(guān)鍵因素為有義波高及波浪周期。

針對(duì)海況惡劣、施工效率不高的情況，提出如下策略：

（1）選取兩家及以上獨(dú)立且可靠性較高的天氣預(yù)報(bào)服務(wù)商，結(jié)合鋪管船動(dòng)力定位系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選擇合適的天氣窗口施工，在保障質(zhì)量安全的基礎(chǔ)上盡可能做到連續(xù)施工（如相鄰兩施工窗口間隔較短時(shí)考慮作業(yè)船舶現(xiàn)場(chǎng)避風(fēng)，節(jié)約鋪管船往返錨地與施工現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間及油料消耗）。

（2）錨地避風(fēng)期間按照作業(yè)船最大管段儲(chǔ)量自駁船倒駁海管至鋪管船，避免因管段運(yùn)輸不及時(shí)，或現(xiàn)場(chǎng)海況不允許駁船與鋪管船靠泊作業(yè)導(dǎo)致的鋪管待機(jī)。

（3）根據(jù)管端質(zhì)量將海管分組，在海況相對(duì)不佳時(shí)優(yōu)先使用橢圓度更好的管段，以節(jié)約焊接組對(duì)時(shí)間，避免海況不佳時(shí)長(zhǎng)時(shí)間停船帶來(lái)的管道疲勞。

（4）錨固件安裝采用陸地預(yù)制錨固件管段的方式，將錨固件這一特殊組件的安裝轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)管段的安裝，減少海上作業(yè)量，縮短海上作業(yè)時(shí)間。

（5）海況條件較長(zhǎng)時(shí)間不支持鋪管作業(yè)時(shí)，在不影響輔線(xiàn)預(yù)制海管作業(yè)的情況下，考慮臨近海域其他項(xiàng)目穿插作業(yè)，高效利用作業(yè)船舶，避免長(zhǎng)時(shí)間天氣待機(jī)。

4.2 主線(xiàn)團(tuán)隊(duì)磨合，焊接效率穩(wěn)步提升

雙層管道內(nèi)、外管焊接相互制約，需先進(jìn)行內(nèi)管組對(duì)、焊接、檢驗(yàn)合格后，填充保溫材料，然后拉動(dòng)外管才能繼續(xù)外管的組對(duì)、焊接，同時(shí)露出內(nèi)管下一道坡口（圖1）。

圖1 雙層管焊接示意

M項(xiàng)目施工過(guò)程中，主線(xiàn)焊接效率是制約鋪管作業(yè)施工效率的主要原因，對(duì)作業(yè)線(xiàn)各節(jié)點(diǎn)有效作業(yè)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)組對(duì)、焊接、返修是耗時(shí)最長(zhǎng)的工藝流程，決定移船時(shí)間、制約作業(yè)線(xiàn)效率的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是主線(xiàn)1站與主線(xiàn)2站（表6）。通過(guò)改進(jìn)作業(yè)流程、提升焊接質(zhì)量、加強(qiáng)焊接管理，可以有效壓縮作業(yè)時(shí)長(zhǎng)。

表6 主線(xiàn)焊接效率提升策略

4.3 強(qiáng)化精細(xì)管理，轉(zhuǎn)型信息化數(shù)字化

在海上施工過(guò)程中，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的各種問(wèn)題，大量決策依托于施工經(jīng)驗(yàn)，缺乏數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)統(tǒng)計(jì)施工信息，建立成熟的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以為現(xiàn)場(chǎng)決策提供更為堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。

（1）油水消耗。通過(guò)對(duì)作業(yè)船舶的油水消耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得到待機(jī)狀態(tài)與作業(yè)狀態(tài)的油水消耗速度。將海況信息納入統(tǒng)計(jì)，分析耗油與浪高間的關(guān)系、耗水與氣溫間的關(guān)系。結(jié)合造水情況，得到作業(yè)船舶的油水消耗曲線(xiàn)，為油水補(bǔ)給節(jié)點(diǎn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）焊接質(zhì)量。焊接速度是制約施工效率的關(guān)鍵因素，其中，焊接質(zhì)量（返修率）是決定施工效率的決定性指標(biāo)。為提升焊接質(zhì)量，優(yōu)化焊接方法，可進(jìn)行有針對(duì)性的統(tǒng)計(jì)與試驗(yàn)。以預(yù)熱溫度、送絲速度、焊接速度、擺動(dòng)幅度、擺動(dòng)速度、兩側(cè)停留時(shí)間等參數(shù)為變量，采用控制變量法進(jìn)行試驗(yàn)，可得到針對(duì)某管道的焊接參數(shù)設(shè)置最優(yōu)區(qū)間，對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化；通過(guò)對(duì)主線(xiàn)焊口號(hào)、焊工編號(hào)、焊接時(shí)長(zhǎng)、缺陷類(lèi)型、缺陷深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)每位焊工的焊接情況進(jìn)行分析，得到該焊工的作業(yè)效率、多發(fā)問(wèn)題，針對(duì)每位焊工的作業(yè)習(xí)慣，進(jìn)行差異化的定向培訓(xùn)。

（3）節(jié)點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)。海上施工天氣窗口短暫，船舶資源緊張，需要對(duì)施工時(shí)間有精準(zhǔn)的把控。針對(duì)不同作業(yè)船舶、作業(yè)水深、海管參數(shù)、海況條件，對(duì)施工節(jié)點(diǎn)耗時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，明確關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的施工限制，為排產(chǎn)提供更可靠的數(shù)據(jù)支撐。

（4）可重復(fù)利用的工機(jī)具。M海管更換項(xiàng)目因施工緊急，常規(guī)采辦時(shí)間不足，多使用利庫(kù)資源或緊急采辦。因關(guān)鍵工機(jī)具缺乏或型號(hào)不符，技術(shù)方案多次調(diào)整。對(duì)于可重復(fù)利用的工機(jī)具，可探索建立數(shù)據(jù)庫(kù)，明確工機(jī)具參數(shù)、證書(shū)，細(xì)化所屬項(xiàng)目、船舶、使用時(shí)間，從以所屬項(xiàng)目為主要指標(biāo)調(diào)整為以施工地點(diǎn)、船舶為主要指標(biāo)，提升工機(jī)具使用效率，避免采辦不足引發(fā)的方案調(diào)整甚至待機(jī)。

（5）大型項(xiàng)目所屬海域氣象、海況跟蹤統(tǒng)計(jì)。建議在大型油田群以月度為單位，對(duì)氣象、海況條件進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)，得到各地區(qū)分月天氣待機(jī)比例，為項(xiàng)目排產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

（6）海管檔案。通過(guò)建立海底管道全生命周期檔案，可以匯總海管鋪設(shè)、維修、廢棄過(guò)程中涉及的技術(shù)方案、圖紙及施工情況說(shuō)明，為維修、改造項(xiàng)目提供豐富的歷史數(shù)據(jù)。