王龍庭,吳耀男,徐興平,吳 旭,劉鑫鑫

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院 山東 青島 266580)

1 前言

伴隨著工業(yè)革命的推進(jìn)和陸地采油技術(shù)的逐步成熟，陸地油氣資源日益枯竭，人們把眼光放向儲(chǔ)油更多的海洋資源。美、英、法、德、日等發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)80年代開始，就開始計(jì)劃發(fā)展海洋科技，同時(shí)把發(fā)展海洋作為高科技戰(zhàn)略。在海洋油氣資源開采中，油氣運(yùn)輸十分關(guān)鍵和重要，目前各國(guó)使用的油氣運(yùn)輸方式主要是海底管道輸送。連接海底管道和海面浮體的橋梁就是海洋立管，它是海洋油氣田開發(fā)過程中不可或缺的一部分。海洋立管的分類方法有很多，但從本質(zhì)上來說，可以分為不能承受軸向載荷的柔性立管、可承受載荷的剛性立管和兩者結(jié)合的混合立管。由于海洋立管包括處在垂直方向的立管底部彎管、水平方向的水平膨脹彎管等，這樣的三維結(jié)構(gòu)使立管安裝過程中的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制和吊裝非常困難，更不用說使二者順利的進(jìn)入立管卡。而隨著海洋科技發(fā)展速度的加快，立管安裝口徑也越來越大，長(zhǎng)期以來，立管的安裝技術(shù)，特別是大口徑立管的安裝技術(shù)是阻礙國(guó)內(nèi)外海洋工程開發(fā)的一個(gè)技術(shù)難題，同時(shí)也是海洋課題研究的熱點(diǎn)。所以，如何解決海洋大口徑剛性立管的安裝技術(shù)迫在眉睫。

2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

1954年，在美國(guó)的墨西哥灣，Brow&Root海洋工程公司鋪設(shè)了第一條海底管道。經(jīng)過60多年的實(shí)踐探索與研究，海底管道不管是在鋪設(shè)長(zhǎng)度、鋪設(shè)水深還是最大鋪設(shè)管徑等方面都取得了顯著的進(jìn)展。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)今，世界上海底管道鋪設(shè)長(zhǎng)度已突破10 000 km，鋪設(shè)水深超過3 000 m，最大鋪設(shè)管道直徑達(dá)到1 219 mm[1]。而隨著海洋科技的發(fā)展，這一數(shù)據(jù)很快就會(huì)被超越。迄今為止，海洋管道鋪設(shè)方式主要有鋪管船鋪設(shè)、卷筒船鋪設(shè)和牽引法鋪設(shè)。

由于海洋立管受到的環(huán)境載荷較為惡劣，抗疲勞腐蝕能力較弱，國(guó)外許多學(xué)者在這方面對(duì)它進(jìn)行了研究。其中，PHilippe P. Darcis[2]等對(duì)12組SCR用軸向拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)來檢測(cè)海洋環(huán)境對(duì)立管軸向疲勞試驗(yàn)的影響，得到了酸性環(huán)境能顯著降低立管疲勞性能的結(jié)論。Tore Roberg Andersen[3]以柔性立管作為研究對(duì)象，采用液壓伺服軸向拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)，來探究立管材料腐蝕疲勞的影響因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明酸性環(huán)境對(duì)立管疲勞性能的破壞性。Fraser Mc Master[4]等利用CO2和H2S來制造腐蝕酸性條件，并分別在兩種環(huán)境中進(jìn)行頻率為0.01 Hz與0.33 Hz的立管材料腐蝕疲勞試驗(yàn)，這樣就能很好的模擬實(shí)際海洋環(huán)境中立管的工作狀況，得到的結(jié)論除了酸性環(huán)境對(duì)立管疲勞的影響外，還有在酸性環(huán)境中，循環(huán)次數(shù)隨著試驗(yàn)頻率減小而減小。S. A. Fox[5]研究的對(duì)象是張力腿海洋平臺(tái)，他對(duì)海洋平臺(tái)上的立管接頭進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，得到了實(shí)際循環(huán)次數(shù)大約是同等條件下試驗(yàn)疲勞載荷在設(shè)計(jì)疲勞曲線中對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)10倍的結(jié)論。Jeroen Van Wittenberghe[6]在前人研究的基礎(chǔ)上，增加了試驗(yàn)的組數(shù)，他的研究對(duì)象也是張力腿海洋平臺(tái)的立管接頭，不同的是他進(jìn)行了14組四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，并與 BS7608規(guī)范給定的設(shè)計(jì)疲勞性能進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果說明前者要更好一些。Theodoro A.Netto[7]的研究對(duì)象是撓性立管，做的是旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明大多數(shù)試件的疲勞循環(huán)上限為107，在這之后就會(huì)出現(xiàn)貫穿裂紋。

對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全性能研究能有效降低事故率，給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。海洋立管作為海洋裝備的薄弱環(huán)節(jié)，自然有很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和安全性能研究。Spark等[8]選取的評(píng)估對(duì)象是現(xiàn)今比較熱的復(fù)合材料深水立管，他們做的是評(píng)估復(fù)合立管的缺陷損傷容限，并在此過程中開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序Joint Industry Program及用于檢測(cè)損傷及其演變的NDT(non-destructive testing)方法評(píng)估等，得到了不同機(jī)體損傷對(duì)復(fù)合立管性能尤其是疲勞壽命的影響系數(shù)。Leira等[9]查閱了近年來相關(guān)學(xué)者對(duì)海洋立管的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和安全性能研究的資料，并進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和概述，并建議在立管設(shè)計(jì)過程中應(yīng)綜合考慮荷載對(duì)模型影響的不確定性和統(tǒng)計(jì)特征。E.G.Ward等[10]做的是一組對(duì)照試驗(yàn)，對(duì)照的變量是復(fù)合立管和海洋立管，并對(duì)它們進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，得出復(fù)合立管的性能要優(yōu)于剛性立管，這一優(yōu)勢(shì)在深水區(qū)域更加突出，這對(duì)于海洋資源開采設(shè)計(jì)中，立管的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)在20世紀(jì)70年代才開始大規(guī)模開展海洋油氣田開發(fā)，而海底管道的鋪設(shè)更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際。我國(guó)第一次鋪設(shè)海底管道是在1973年，鋪設(shè)的地點(diǎn)是山東黃島附近，鋪設(shè)的長(zhǎng)度是500 m，鋪設(shè)的數(shù)量是三條。而第一次鋪設(shè)油氣混輸海底油氣管道就到了1992年，是在我國(guó)的錦州鋪設(shè)的。這都是我國(guó)海底管道鋪設(shè)的里程碑事件。近年來，伴隨著世界海洋科技開發(fā)熱潮的到來，和我國(guó)對(duì)海洋科技發(fā)展的重視，以及海洋石油領(lǐng)域?qū)ν忾_放程度的加大，我國(guó)海上鋪管技術(shù)日趨成熟，海洋裝備更新?lián)Q代也越來越迅速。迄今為止，我國(guó)海底管道鋪設(shè)的最大長(zhǎng)度已達(dá)2 000 km。

傳統(tǒng)的立管安裝主要依靠“大型起重施工船+DSV”或“動(dòng)力定位工程船+DSV”兩種模式。由于這兩種傳統(tǒng)安裝方法需要投入兩艘作業(yè)船才能夠完成立管安裝，而海上船舶的租用成本很高，數(shù)量也少，很難滿足兩艘船舶同時(shí)作業(yè)的需求，這使立管的海上安裝長(zhǎng)期以來不管是在成本上還是時(shí)間上都難以得到解決。2016年，李華等人[11]提出了一個(gè)高效的解決方案，那就是把兩臺(tái)不同噸位的吊機(jī)安裝在同一艘DSV工程船上，完成了單獨(dú)使用DSV動(dòng)力定位船完成立管安裝，這一方法成功地在工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用，這使立管的海上安裝成本得到大幅度的降低，使立管的海上安裝開啟了新的征程。

由于我國(guó)海洋發(fā)展較晚，所以對(duì)海洋立管的疲勞試驗(yàn)和力學(xué)特性研究技術(shù)大多還是借鑒國(guó)外的成熟技術(shù)和研究，但在研究過程中也形成了自己的一些理論和觀點(diǎn)。劉存等[12]通過研究現(xiàn)存的懸臂梁往復(fù)彎曲立管腐蝕疲勞試驗(yàn)機(jī)，并結(jié)合海洋立管的實(shí)際工作環(huán)境，對(duì)它進(jìn)行了改良設(shè)計(jì)。李智博[13]通過深入了解總結(jié)相關(guān)學(xué)者做過的立管疲勞試驗(yàn)，在這個(gè)基礎(chǔ)上，又綜合考慮了立管的徑向位移、厚度和層間接觸條件的變化等諸多因素，并利用各參數(shù)之間的相互關(guān)系，建立了力學(xué)模型，這一力學(xué)模型很好的反映了復(fù)合立管在軸對(duì)稱載荷作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。姜豪、楊和振、劉昊[14]分析了深海復(fù)合立管的力學(xué)特性，并對(duì)它進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。李敢、黃小平[15]對(duì)深海復(fù)合立管進(jìn)行了深入研究，并向人們闡釋了它的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。

近年來，對(duì)海洋立管的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也逐漸步入了人們的視野，而我國(guó)在這方面也取得了不小的成就。秦炳軍和張圣坤[16]利用TLP風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的實(shí)例，向人們闡釋了涉及海洋工程的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和人因可靠性分析技術(shù)等海洋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論，為人們對(duì)海洋工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指明了方向。王宏偉、余建星等[17]研究的更加系統(tǒng)，它涉及到的是全面的海洋工程風(fēng)險(xiǎn)管理方法體系，并對(duì)影響海洋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要成分，和這些成分在海洋工程風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。徐愛民等[18]針對(duì)海洋工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果，提出了一些合理的海洋工程防范措施及風(fēng)險(xiǎn)管理方法。羅樺檳等人[19]采用了傳統(tǒng)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法ETA，對(duì)海洋平臺(tái)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，認(rèn)為預(yù)測(cè)型的實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)管理體系要優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)型安全管理方法。

4 立管安裝方法

經(jīng)過多年的實(shí)踐與發(fā)展，海上立管安裝技術(shù)已日趨成熟，但是，大部分的海上立管安裝都要依賴海上作業(yè)船的幫助。

4.1 大型起重施工船+DSV

這種海上立管安裝方法主要是通過大型起重施工船(圖1)來完成，所用的施工船必須有能滿足立管的裝運(yùn)要求的巨大的甲板，而且裝有能滿足立管吊裝所要求起吊高度的大型吊機(jī)，最重要的是它要有穩(wěn)定的定位能力，來滿足吊裝的精確性。吊裝時(shí)，它先通過大型吊機(jī)直接吊起裝運(yùn)在甲板上的立管，并將其平放在水中，利用原來固定在立管上的浮袋的浮力來平衡立管重力，這樣立管就可以漂浮在水中。用吊機(jī)將立管直立，另一端與牽引繩連接，二者共同作用，把立管移到指定位置。最后一步工作就是立管的固定工作，由潛水員下水，調(diào)整立管卡子并固定，完成安裝。

圖1 大型起重施工船立管安裝方法示意圖Fig.1 Drawing of method of erection for riser of large crane construction ship

4.2 動(dòng)力定位工程船+DSV

這種安裝方法是通過改裝的動(dòng)力定位船來完成，它是在定位船甲板上加裝了3個(gè)Davit吊。立管安裝作業(yè)時(shí)，通過安裝的吊機(jī)將裝運(yùn)在甲板上的立管平放在水中，即平吊下水，再利用吊機(jī)連接其一端，并將其扶正，另一端和平臺(tái)絞車連接，將立管傳遞至指定位置。這種立管安裝過程如圖2所示，其中DSV定位船只負(fù)責(zé)飽和潛水作業(yè)。

圖2 動(dòng)力定位工程船使用Davit吊安裝立管示意圖Fig.2 Diagram of erecting riser with Davit crane for dynamic positioning engineering ship

4.3 DSV單船立管安裝方法

這種方法是由我國(guó)相關(guān)人員提出的，并在工程項(xiàng)目中得到實(shí)踐應(yīng)用。這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是它把立管安裝過程中必需的兩艘工作船縮減到了一只，大大降低了海上立管安裝的成本，并提高了立管安裝的效率。這種安裝方法的關(guān)鍵是合理設(shè)計(jì)了DSV船上兩個(gè)吊機(jī)和安裝絞車的位置，使其能夠完成長(zhǎng)立管起吊、扶正、傳遞及安裝。通過事先設(shè)計(jì)好的三處焊接吊點(diǎn)和絞車的共同作用來改變絞車鋼絲繩的方向，就能合理控制立管傳遞過程中立管的姿態(tài)。其中立管起吊和傳遞過程如圖3所示。

圖3 DSV將立管傳遞至平臺(tái)絞車Fig.3 DSV transfers riser to platform winch

立管安裝過程由ROV來全程監(jiān)控，并通過平臺(tái)絞車與DSV小吊機(jī)協(xié)同作用下將立管放到指定安裝位置，最后一步工作就是立管的固定工作，由潛水員下水，調(diào)整立管卡子并固定，完成安裝。

5 結(jié)論

淺海大口徑剛性立管能很好的滿足我國(guó)對(duì)海洋油氣的快速增長(zhǎng)需求，而海洋立管在海洋環(huán)境中承受著風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的作用，使其同時(shí)成為工程結(jié)構(gòu)中最薄弱易損的構(gòu)件之一。另外，大口徑立管的渦旋脫落和極大的剛度都會(huì)影響到海洋立管的安裝，如何解決這些問題是實(shí)現(xiàn)淺海大口徑立管應(yīng)用的關(guān)鍵，也是技術(shù)的難點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)淺水立管安裝的技術(shù)研究已經(jīng)成熟，對(duì)于小口徑立管的安裝問題也已研究的比較透徹，其安裝方法也比較多。通過對(duì)大口徑立管進(jìn)行合理的選材和設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的海域情況選擇合適的安裝方法，設(shè)置相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，通過Ansys等有限元軟件對(duì)大口徑立管安裝過程進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)仿真結(jié)果不斷改進(jìn)大口徑立管的設(shè)計(jì)和安裝方法，尋求最佳解決方案，這個(gè)問題就會(huì)逐步得到解決。這不僅是對(duì)海洋立管安裝的一個(gè)突破，同時(shí)也大大減少了我國(guó)海洋開采的成本，對(duì)我國(guó)海洋科技的發(fā)展也具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。