于銀海，劉 豐，江 錦，劉 朋，崔占明

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

早期海洋柔性軟管主要用于海況較好的海域，且管徑尺寸較小。隨著軟管設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展，柔性軟管已廣泛應(yīng)用于世界多個(gè)海域的油氣田中，最大生產(chǎn)尺寸已達(dá)D 20 in（1 in=25.4 mm）。與鋼管相比，柔性軟管具有對(duì)海底地形適應(yīng)性好、防腐性能好、易鋪設(shè)和可回收等特點(diǎn)[1]。在海況較好的區(qū)域，因水流速度小、水下能見度高，軟管在鋪設(shè)過程中能夠保持很好的穩(wěn)定性，并能通過ROV觀察軟管在水下的狀態(tài)，控制鋪管船移動(dòng)路徑，順利將軟管鋪設(shè)到預(yù)定路由。在海流速度大、能見度極差的復(fù)雜海況下進(jìn)行軟管鋪設(shè)，往往很難達(dá)到鋪設(shè)精度要求，尤其大管徑柔性軟管沿海床存在高差的連續(xù)弧形路徑鋪設(shè)，將更加困難。本文以東海某油氣田輸氣登陸管道在舟山群島強(qiáng)潮流海域的損傷段用柔性軟管改線更換為例，介紹在流速急、平潮時(shí)間短、海水能見度差等特殊情況下柔性軟管鋪設(shè)工藝。

1 工程概述

東海某油氣田長約389 km的D 14 in外輸天然氣海底管道途徑舟山群島海域在上海登陸，受舟山海域強(qiáng)潮流長期沖刷影響，部分管道所在海床因地質(zhì)極不穩(wěn)定多次發(fā)生地質(zhì)沉陷，造成管道損傷。位于東極島附近的一段管道在臺(tái)風(fēng)影響期間發(fā)生損傷，為完成管道永久修復(fù)，徹底解決地質(zhì)沉陷對(duì)后期管道正常運(yùn)營的影響，采用圖1所示Ω型的路徑鋪設(shè)303 m柔性軟管替換原損傷鋼質(zhì)管道，以增強(qiáng)管道對(duì)地質(zhì)沉陷的適應(yīng)性，柔性軟管鋪設(shè)區(qū)域水深約26 m。

柔性軟管參數(shù)見表1。

圖1 管道Ω型改線路由/m

表1 柔性軟管參數(shù)

2 軟管鋪設(shè)分析

2.1 軟管鋪設(shè)分析方法

軟管的安裝分析模擬從起始端開始，假設(shè)起始端已經(jīng)錨固在海床上，并將軟管水平布置在施工船甲板上的張緊器和水平托軌上，隨著鋪設(shè)船舶前行將軟管鋪設(shè)至海床上。鋪設(shè)過程中考慮波流組合對(duì)軟管的水動(dòng)力作用，以校驗(yàn)張力及彎曲半徑能否滿足API RP 17B和API SPEC 17J規(guī)范[2-3]要求。因軟管在水中重量較輕，為增加軟管在水中的穩(wěn)定性，軟管采用注水鋪設(shè)。

軟管入水橋彎曲半徑3.5 m，張緊器最大張力150 kN。為確保船舶安裝過程的連續(xù)性及可行性，考慮在波浪條件較好的情況下進(jìn)行軟管鋪設(shè)，鋪設(shè)分析中選取波高1.5 m、波周期6 s。

分析中考慮一年一遇的流速和平潮流速對(duì)鋪設(shè)過程的影響，流速數(shù)據(jù)見表2。

表2 流速數(shù)據(jù)

為了確定鋪設(shè)張力，分析中考慮50～150 kN區(qū)間不同張緊器張力對(duì)軟管鋪設(shè)的影響，張力增量為20 kN。

利用Orcaflex有限元分析軟件建立鋪設(shè)船舶及軟管模型。鋪設(shè)船舶使用Vessel進(jìn)行模擬，軟管及拖拉纜采用Line進(jìn)行模擬，軟管和拖拉纜的連接使用3D Buoy模擬，入水橋和甲板采用Shape進(jìn)行模擬。環(huán)境條件中的波浪使用斯托克斯五階波理論，流速按照設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入，保守考慮取波、流同向并垂直于軟管鋪設(shè)方向。

2.2 分析結(jié)果

考慮了不同鋪設(shè)張力及不同海況的影響，給出了不同組合計(jì)算工況下軟管的橫向偏移、最大張力、最小彎曲半徑、最大離船偏角（即軟管離開入水橋時(shí)與豎向的夾角）、著泥點(diǎn)距入水橋的水平距離。

（1）底部流速為1.19 m/s（一年一遇）海況下軟管鋪設(shè)分析結(jié)果見表3。

從分析結(jié)果可以看出，當(dāng)張緊器張力為50 kN的時(shí)候，軟管在鋪設(shè)20 m后發(fā)生8.37 m橫向偏移，而在距起始端50 m處發(fā)生了15.19 m的偏移，也就是說此時(shí)軟管已經(jīng)不能按照船舶行進(jìn)路由鋪設(shè)。隨著張力的增加，偏移量也在減小，但當(dāng)張緊器張力為150 kN時(shí)軟管距起始端50 m位置依然會(huì)有6.26 m的橫向偏移。

（2）底部流速為0.3 m/s（平潮期）海況下軟管鋪設(shè)分析結(jié)果見表4。

表3 一年一遇海況軟管鋪設(shè)分析結(jié)果

表4 平潮期海況軟管鋪設(shè)分析結(jié)果

當(dāng)張緊器張力為50 kN時(shí)，軟管在鋪設(shè)20 m后發(fā)生1.24 m橫向偏移，而在距起始端50 m處發(fā)生了1.77 m的偏移，小于5倍的管徑，可以認(rèn)為軟管鋪設(shè)路由符合船舶的行進(jìn)路由。隨著張力的增加，偏移量也在減小，可以說此時(shí)軟管鋪設(shè)很好地契合了船舶行進(jìn)路由，因此軟管鋪設(shè)時(shí)間選擇了水流速度較小的平潮期進(jìn)行。

當(dāng)張緊器張力為50 kN時(shí)，軟管拖地點(diǎn)距入水橋水平距離約21 m，隨著張力的增加，軟管拖地點(diǎn)距入水橋的位置越來越遠(yuǎn)，在張緊器張力為150 kN的情況下，達(dá)到72 m左右，這說明軟管在水中長度較長，不利于管道鋪設(shè)，因?yàn)殇佋O(shè)過程中管道越早地鋪至海床上，就會(huì)有更多的土壤抗力提供給管道以減少水動(dòng)力帶來的管道運(yùn)動(dòng)，因此軟管實(shí)際鋪設(shè)過程中選擇控制恒定鋪設(shè)張力為50 kN。

3 軟管鋪設(shè)作業(yè)

3.1 放置限位沙包

被替換的管道原長度為250 m，而柔性軟管沿Ω型路由的總長度為303 m，需要通過3個(gè)弧形彎，使新鋪軟管偏離原管道路由。柔性軟管起始端和終止端各長36.6 m直管段需要鋪設(shè)到比海床面低約2 m的管溝內(nèi)，通過兩個(gè)彎曲半徑為35 m，長30.5 m的弧形段過渡到海床上。為保證軟管鋪設(shè)過程中順利過渡，并按照設(shè)計(jì)彎曲路徑達(dá)到理想的鋪設(shè)精度，柔性軟管鋪設(shè)前根據(jù)USBL信標(biāo)指引，在柔性軟管每個(gè)設(shè)計(jì)弧形彎的起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)分別擺放3個(gè)限位沙包點(diǎn)（如圖2所示），每個(gè)限位點(diǎn)沙包高度約1 m，以便在柔性軟管經(jīng)過限位沙包時(shí)，調(diào)整和控制鋪設(shè)路由。

圖2 弧形彎限位沙包放置/m

3.2 軟管起始端鋪設(shè)

3.2.1 起始纜安裝

與軟管起始端對(duì)接的原管道端部位于海床面以下2 m的管溝內(nèi)，已經(jīng)預(yù)先安裝了機(jī)械連接器法蘭，懸空高度約0.8 m，為避免柔性軟管起始端與機(jī)械連接器法蘭碰撞，且方便軟管鋪設(shè)后起始端法蘭與機(jī)械連接器法蘭對(duì)接，因此起始鋪設(shè)需要達(dá)到較高的精度。

在與起始端對(duì)接的機(jī)械連接器法蘭后方約5 m位置的原管道上，拴10 t吊帶并使用卡環(huán)鎖緊，將吊帶環(huán)形扣留在管道正上方，然后掛10 t倒鏈作為起始纜。在距離近岸端機(jī)械連接器法蘭面約1.5 m位置預(yù)放軟管起始端連接件支撐沙袋，以便對(duì)軟管起始端的錨固件進(jìn)行支撐，如圖3所示。

圖3 起始纜安裝

3.2.2 起始鋪設(shè)

軟管從滾筒上釋放，牽引起始端通過張緊器，放置在水平托軌和入水橋上。施工船甲板上履帶吊機(jī)吊鉤通過吊索與起始端拖拉盲板上的25 t卡環(huán)連接，緩慢起升吊鉤提起軟管起始端，旋轉(zhuǎn)吊機(jī)臂使吊鉤至入水橋與機(jī)械連接器中間位置，同時(shí)滾筒驅(qū)動(dòng)和張緊器同步釋放管道，把柔性軟管從甲板拖出，成J型（如圖4所示）。

圖4 吊裝起始端軟管成J型

吊機(jī)旋轉(zhuǎn)到位后，保持吊鉤位置不動(dòng)，張緊器繼續(xù)釋放柔性軟管，使軟管在重力作用下自然下垂成U型（如圖5所示），然后繼續(xù)緩慢下放軟管和吊機(jī)吊鉤。

圖5 吊裝起始端軟管成U型

在軟管即將到達(dá)海床時(shí)，潛水員下水到軟管最低點(diǎn)位置指揮履帶吊繼續(xù)緩慢下放，把軟管起始端連接件下放至泥面，使起始端軟管成S型（如圖6所示），根據(jù)起始端拖拉盲板與機(jī)械連接器法蘭之間的距離，起升吊機(jī)調(diào)整變幅和旋轉(zhuǎn)，最終使起始端拖拉盲板距機(jī)械連接器法蘭間距約50 cm。

圖6 吊裝起始端軟管成S型

用10 t吊帶在軟管起始端法蘭后側(cè)纏繞并鎖緊后，將吊帶一端從軟管法蘭正上方，與近岸端原管道上拴的吊帶和倒鏈組成的起始纜連接（如圖7所示），然后解除吊機(jī)吊扣。

圖7 軟管起始端與起始纜連接

3.3 軟管鋪設(shè)

3.3.1 軟管鋪設(shè)時(shí)的定位信標(biāo)監(jiān)測

軟管鋪設(shè)過程中，在柔性軟管每個(gè)弧形彎兩側(cè)約5 m位置各綁扎1個(gè)USBL信標(biāo)，共6個(gè)信標(biāo)，以監(jiān)測鋪管過程中軟管在水下的位置和狀態(tài)，并以此核算距離終止點(diǎn)的距離。當(dāng)軟管著泥點(diǎn)到達(dá)設(shè)計(jì)弧形彎沙袋限位點(diǎn)位置時(shí)，及時(shí)調(diào)整船位、艏向，確保軟管路由鋪設(shè)在限位沙包外側(cè)，按照弧形設(shè)計(jì)路由造彎。

3.3.2 起始直管段鋪設(shè)路由控制

由于軟管設(shè)計(jì)路由起始端和終止端各36.6 m直管段與原管道路由重疊，即需要鋪設(shè)到深約2 m左右的管溝內(nèi)，中間弧形區(qū)域位于海床面上。為避免軟管從溝底上升到海床面過程中，造成起始端直管段與原管道路由偏離形成角度，影響后期法蘭對(duì)接效率和質(zhì)量，因此在第一個(gè)弧形彎開始造彎之前，在軟管弧形彎起始點(diǎn)兩側(cè)再放置兩大包沙包，將軟管夾在中間，沙包之間用吊帶連接起來（見圖8），把起始端直管段牢牢地固定在溝底。

圖8 鋪設(shè)過程中第一個(gè)弧形彎起點(diǎn)限位沙袋放置

3.3.3 軟管鋪設(shè)過程中張力控制

軟管鋪設(shè)張緊器為兩履帶式張緊器，履帶寬度僅250 mm，若張緊器夾緊力較大，會(huì)增加軟管在擠壓情況下變形的風(fēng)險(xiǎn)。另外為控制軟管在鋪設(shè)過程中沿?cái)[放的限位沙包造彎，軟管的著泥點(diǎn)水平距離不宜過遠(yuǎn)。因此軟管鋪設(shè)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控軟管入水后的走向，通過調(diào)整張緊器和滾筒放管速度，使軟管保持豎直并稍微向外偏移。軟管著泥點(diǎn)到入水橋之間，保持懸空軟管長度約38 m左右，與軟管鋪設(shè)分析結(jié)果基本吻合。

3.4 終止端鋪設(shè)

當(dāng)終止端軟管即將與滾筒脫離前，使用履帶吊吊鉤連接終止端拖拉盲板，解除軟管終止端與滾筒的固定連接。在終止端拖拉盲板卡環(huán)上連接一根牽引纜，牽引纜另一端通過導(dǎo)向與船上絞車連接。提升位于船舶甲板上的終止端軟管成J型。然后移船開始鋪設(shè)剩余軟管，同時(shí)旋轉(zhuǎn)履帶吊、放松牽引纜，最終將軟管終止端移至船側(cè)，與水下管道成L型（如圖9所示）。

緩慢移船并下放軟管，將軟管終止端沿設(shè)計(jì)路由逐步下放到海床。在終止端法蘭到達(dá)海床之前，潛水員下水，檢查軟管法蘭與遠(yuǎn)岸端原管道端部的距離，引導(dǎo)終止端法蘭下放到泥面上（如圖10所示）。

圖10 終止端軟管放置在海床

3.4 軟管路由調(diào)查

軟管全部放置到海床后，綁扎在軟管上的6個(gè)定位信標(biāo)顯示坐標(biāo)與設(shè)計(jì)位置幾乎完全一致。潛水員從終止端法蘭沿軟管向起始端探摸調(diào)查軟管路由發(fā)現(xiàn)：終止端法蘭與原海底管道的遠(yuǎn)岸端法蘭相距約1 m，軸向錯(cuò)位約1個(gè)法蘭盤（如圖11所示），有利于后續(xù)法蘭對(duì)接工作；所有限位沙包無明顯滑動(dòng)移位,軟管整體路由與設(shè)計(jì)路由基本吻合；軟管表面無任何損傷和扭轉(zhuǎn)跡象，狀態(tài)良好。

圖11 終止端法蘭與遠(yuǎn)岸端法蘭相對(duì)位置

4 結(jié)束語

柔性軟管鋪設(shè)技術(shù)在國內(nèi)已趨于成熟，但D 14 in大管徑柔性軟管在短距離內(nèi)三個(gè)弧形彎的連續(xù)鋪設(shè)和應(yīng)用在國內(nèi)尚屬首次。本項(xiàng)目相比普通柔性軟管鋪設(shè)項(xiàng)目有3個(gè)獨(dú)特之處：

（1）在原海底管道上設(shè)置鋪設(shè)起始纜，保證了軟管起始端的鋪設(shè)精度，方便了后續(xù)法蘭連接。

（2）鋪設(shè)前和鋪設(shè)過程中設(shè)置軟管彎曲限位點(diǎn)，保證了軟管順利從約2 m深管溝過渡到海床面上，并形成連續(xù)弧形彎。

（3）在軟管上綁扎水下定位信標(biāo)，有效地監(jiān)控了軟管在水下的位置，達(dá)到了理想的鋪設(shè)精度。

以上是以往柔性軟管鋪設(shè)項(xiàng)目從未有過的經(jīng)歷，本項(xiàng)目在存在海床高差、低能見度、強(qiáng)潮流海域的情況下，成功實(shí)現(xiàn)短距離內(nèi)柔性軟管的連續(xù)弧形鋪設(shè)，為今后其他柔性軟管鋪設(shè)提供有益的借鑒，進(jìn)一步提升復(fù)雜海況下柔性軟管鋪設(shè)的施工技術(shù)水平。

[1]陳海.國產(chǎn)海底軟管在海上油氣田的應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2016（5）：61-65.

[2]APIRP 17B-2014，Recommended practice for flexible pipe[S].

[3]API SPEC 17J-2014，Specification for unbonded flexible pipe[S].