侯 靜 劉孔忠 熊 剛

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028； 2. 中海石油(中國)有限公司海南分公司 海南?？?570311)

鋼懸鏈立管(SCR)集海底管道與生產(chǎn)立管功能于一體，其結(jié)構(gòu)形式及制造工藝相對簡單，建造成本、施工難度較低，對浮式生產(chǎn)平臺(tái)的偏移和升沉具有較強(qiáng)的適應(yīng)性[1-3]。1994年殼牌公司在墨西哥灣的張力腿平臺(tái)Auger上成功使用了世界首條SCR[4]，1996年巴西石油公司首次在墨西哥灣以外海域的Marlim P-18半潛式平臺(tái)上安裝了SCR[5]。迄今為止在墨西哥灣、西非、南美等海域已有200余條SCR在役使用。

SCR可使用S-lay、J-lay和卷管法進(jìn)行鋪設(shè)，國外多家工程公司擁有S-lay、J-lay及卷管式鋪管船，并在安裝深水SCR方面積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，其中使用S-lay鋪設(shè)的SCR最大水深已達(dá)2 500 m[6]。而我國的深水油氣開發(fā)起步較晚，到目前尚未使用過SCR，其安裝技術(shù)也處于理論研究階段。國內(nèi)施工資源與國外相比也有很大差距，目前僅有一艘可用于深水管道鋪設(shè)的S-lay鋪管船——“海洋石油201”(HYSY201)。

S-lay鋪設(shè)法是一種傳統(tǒng)的海底管道鋪設(shè)方法，鋪管船的托管架和張緊器的能力決定其鋪設(shè)的管徑和應(yīng)用的水深[7-8]，故使用S-lay鋪管船鋪設(shè)深水SCR時(shí)需要對目標(biāo)船舶進(jìn)行專項(xiàng)評估。本文對HYSY201用于陵水17-2氣田深水SCR鋪設(shè)進(jìn)行了可行性研究，以其中1條外徑為323.9 mm的SCR為例，介紹了使用HYSY201進(jìn)行S-lay鋪設(shè)的不同階段，以及不同鋪設(shè)階段的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析結(jié)果，為該工程SCR鋪設(shè)船舶的選擇提供參考。

1 鋪管工程基本概況

1.1 氣田工程概況

陵水17-2氣田位于我國南海海域，氣田開發(fā)工程設(shè)施由一座深水半潛式平臺(tái)、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、SCR和海底管道組成(圖1a)，氣田水深1 220～1 560 m，其中SCR應(yīng)用水深約1 433～1 466 m。該氣田開發(fā)工程共有6根SCR(圖1b)，均采用無縫鋼管，分別為1根外徑457 mm的外輸天然氣SCR(GE)，2根外徑323.9 mm的生產(chǎn)SCR(P1、P2)，2根外徑273.1 mm的生產(chǎn)SCR(P3、P4)，以及1根外徑168.3 mm的乙二醇注入SCR(MEG1)，具體參數(shù)見表1。

圖1 陵水17-2氣田開發(fā)工程總體布置及SCR布置

表1 陵水17-2氣田SCR參數(shù)

1.2 HYSY201鋪管船概況

HYSY201鋪管船(圖2a)是我國第一艘具有自航能力、滿足DP3動(dòng)力定位要求的深水S-lay雙節(jié)點(diǎn)鋪管起重船,作業(yè)管徑168.3～1 524.0 mm，作業(yè)水深15～3 000 m，共有4節(jié)托管架(圖2b)。該鋪管船具體參數(shù)見表2。

圖2 HYSY201鋪管船及其托管架

表2 HYSY201船舶參數(shù)

1.3 環(huán)境數(shù)據(jù)

由于SCR鋪設(shè)周期預(yù)計(jì)為3—10月，故保守選擇一年一遇非臺(tái)風(fēng)工況。用于安裝分析的環(huán)境數(shù)據(jù)見表3、4。

表3 波浪數(shù)據(jù)

表4 海流數(shù)據(jù)

1.4 鋪設(shè)分析工況及判斷標(biāo)準(zhǔn)

1.4.1分析工況

進(jìn)行SCR鋪設(shè)分析時(shí)基于以下條件：鋪設(shè)水深1 433～1 466 m；考慮SCR預(yù)鋪在海床上；不包含管端結(jié)構(gòu)物(PLET)的安裝分析；不包含SCR提升、回接分析；托管架曲率半徑為92 m。SCR鋪設(shè)取靜態(tài)及動(dòng)態(tài)2種工況進(jìn)行分析，靜態(tài)分析時(shí)不考慮波浪、船舶系統(tǒng)的時(shí)變效應(yīng)，主要獲取鋪管各個(gè)階段的關(guān)鍵參數(shù)，如SCR最大頂部張力、最大應(yīng)變等，隨后根據(jù)靜態(tài)分析識(shí)別的關(guān)鍵工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

基于S-lay鋪設(shè)方法，SCR的預(yù)鋪設(shè)可分為3個(gè)階段[9](圖3)。

圖3 S-lay鋪設(shè)法不同鋪設(shè)階段管道構(gòu)型

1) 起始鋪設(shè)。隨著鋪管船的前移，SCR緩慢下放至海底，SCR逐漸由豎直狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)。起始鋪設(shè)將對起始封頭下放直到接近海床的全過程進(jìn)行分析，以確保SCR在起始鋪設(shè)過程中滿足要求。

2) 正常鋪設(shè)。在起始封頭到達(dá)海床后，按照預(yù)定的路由進(jìn)行正常鋪設(shè)。在起始鋪設(shè)和正常鋪設(shè)中，都是SCR被張緊器張力牽拉支撐在托管架的滾輪上。通過該分析可確定HYSY201的滾輪配置以及鋪設(shè)張力是否滿足需求。

3) 終止鋪設(shè)。當(dāng)SCR鋪設(shè)達(dá)到預(yù)定長度后，將A/R纜連接在SCR末端棄管封頭上，進(jìn)行A/R絞車和張緊器張力轉(zhuǎn)換后下放A/R纜，逐步將SCR下放至海床上。終止鋪設(shè)分析需要模擬A/R纜隨著棄管封頭通過托管架的整個(gè)過程。

本文采用OrcaFlex v10.3軟件，按以下步驟評估使用HYSY201進(jìn)行SCR鋪設(shè)的可行性：①收集SCR的設(shè)計(jì)參數(shù)和安裝程序；②驗(yàn)證船舶RAO和作業(yè)場址海況條件以識(shí)別載荷工況；③對SCR每個(gè)鋪設(shè)階段進(jìn)行靜態(tài)分析；④根據(jù)SCR靜態(tài)分析結(jié)果識(shí)別關(guān)鍵步驟進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析；⑤判斷由HYSY201進(jìn)行SCR鋪設(shè)的可行性。

1.4.2鋪設(shè)分析接受標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)API RP 1111[10]中定義的縱向載荷設(shè)計(jì)(Longitudinal Load Design，LLD)、組合載荷設(shè)計(jì)(Combined Load Design，CLD)、彎曲和外壓引起的屈曲(Buckling Due to Combined Bending and External Pressure，BEP)，對管道的上彎段和懸垂段進(jìn)行校核，校核結(jié)果均應(yīng)小于1.0。鋪設(shè)分析結(jié)果除應(yīng)滿足API RP 1111標(biāo)準(zhǔn)要求外，還應(yīng)滿足DNV GL OS-F101安裝應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)[11]，即上彎段靜態(tài)分析應(yīng)變不大于0.25%，動(dòng)態(tài)分析應(yīng)變不大于0.305%；懸垂段靜態(tài)分析應(yīng)變不大于0.15%，動(dòng)態(tài)分析應(yīng)變不大于0.20%。此外管道最大頂部張力應(yīng)小于HYSY201張緊器能力(400 t)，托管架滾輪的最大支反力應(yīng)小于允許的最大支反力(40 t)。

2 HYSY 201鋪管船用于SCR鋪設(shè)的可行性分析

2.1 鋪管船運(yùn)動(dòng)RAO

在鋪設(shè)作業(yè)中，鋪管船受波浪的影響會(huì)發(fā)生垂蕩、縱搖和橫搖，對管道受力有顯著影響。為了更準(zhǔn)確地模擬鋪管船的運(yùn)動(dòng)對管道受力的影響，使用商業(yè)軟件ANSYS AQWA計(jì)算了HYSY201在波浪方向?yàn)?°、45°、90°、135°和180°(圖4)的6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的RAO。

圖4 波浪入射方向

圖5展示了波浪方向在0°～180°，以45°為增量的情況下HYSY201在不同波浪周期下的垂蕩、橫搖和縱搖RAO結(jié)果。

圖5 HYSY201垂蕩、縱搖、橫搖RAO

2.2 φ323.9 mm SCR鋪設(shè)過程的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析

2.2.1起始鋪設(shè)階段

1) 靜態(tài)分析。

SCR起始鋪設(shè)階段的靜態(tài)分析共23個(gè)步驟，前12個(gè)步驟模擬SCR垂直下放，直到管道起始端剛好位于海床上。隨后的11個(gè)步驟包括隨著不斷下放管道，鋪管船沿鋪設(shè)路由向前移動(dòng)，連接起始錨的起始纜和管道形成懸鏈線的形狀。表5列出了SCR起始鋪設(shè)階段的靜態(tài)分析結(jié)果。

由表5可知，步驟12處上彎段的SCR應(yīng)變較高，這是因?yàn)镾CR全部長度自由懸掛在托管架上，處于最重的情況。所有23個(gè)步驟管道LLD、CLD和BEP的載荷系數(shù)均小于1.0，管道最大頂部張力為138 t，在HYSY201的張力范圍內(nèi)(<400 t)，管道最大應(yīng)變也在允許范圍內(nèi)。

表5 SCR起始鋪設(shè)階段靜態(tài)分析結(jié)果

2) 動(dòng)態(tài)分析。

根據(jù)靜態(tài)分析結(jié)果，選定步驟12進(jìn)行SCR起始鋪設(shè)階段的動(dòng)態(tài)分析，確定鋪管船運(yùn)動(dòng)對不同響應(yīng)參數(shù)的影響，如管道最大應(yīng)變、管道最大頂部張力和滾輪最大支反力。動(dòng)態(tài)分析工況選擇如下：波浪方向以45°為增量從0°到180°、譜峰周期以1 s為增量從6 s到14 s。所有工況均保守考慮有效波高2.5 m。每個(gè)靜態(tài)載荷步驟選擇45個(gè)載荷工況(5個(gè)波浪方向×9個(gè)譜峰周期)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

從45種工況中選取SCR最大頂部張力和最大應(yīng)變(表6)以及托管架滾輪最大支反力(經(jīng)計(jì)算最后一節(jié)托管架的滾輪支反力最大，故僅列出最后一節(jié)托管架3個(gè)滾輪E1、E2、E3的支反力)(表7)進(jìn)行分析?？梢钥闯觯?0°波浪方向，8 s譜峰周期時(shí)管道最大動(dòng)態(tài)頂部張力為149 t，在HYSY201的張力允許范圍內(nèi)(<400 t)；在45°和90°波浪方向，14 s譜峰周期時(shí)，管道最大應(yīng)變超過允許限制，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)該工況在有效波高為1.5 m時(shí)最大應(yīng)變在許用范圍內(nèi)；第1個(gè)滾輪即E1支反力在135°波浪方向、14 s譜峰周期時(shí)，達(dá)到最大，為21.9 t；第2個(gè)滾輪即E2支反力在90°波浪方向、14 s譜峰周期時(shí)，達(dá)到最大，為30.0 t；最后1個(gè)滾輪即E3在0°波浪方向、14 s譜峰周期時(shí)支反力達(dá)到最大，為25.0 t，均在HYSY201滾輪最大支反力允許范圍內(nèi)(<40 t)。

表6 SCR起始鋪設(shè)階段管道最大動(dòng)態(tài)頂部張力和應(yīng)變

表7 SCR起始鋪設(shè)階段滾輪最大支反力

2.2.2正常鋪設(shè)階段

1) 靜態(tài)分析。

正常鋪設(shè)是從SCR起始鋪設(shè)結(jié)束到終止鋪設(shè)開始的階段，管道考慮空管和充水2種工況，分別針對SCR所處位置最大和最小鋪設(shè)水深進(jìn)行分析。靜態(tài)分析結(jié)果見表8，可以看出空管和充水工況下管道LLD、CLD和BEP的載荷系數(shù)均小于1.0，管道最大應(yīng)變在允許范圍內(nèi)，充水工況下最大水深時(shí)管道頂部張力最大為216 t，在HYSY 201的張力范圍內(nèi)(<400 t)。

表8 SCR正常鋪設(shè)階段靜態(tài)分析結(jié)果

2) 動(dòng)態(tài)分析。

針對水深1 466 m的正常鋪設(shè)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，載荷工況與起始鋪設(shè)的動(dòng)態(tài)分析相同，分析結(jié)果見表9、10。從表9可以看出，在空管和充水工況下，在90°波浪方向、8 s譜峰周期時(shí)SCR最大動(dòng)態(tài)頂部張力分別為154 t、253 t,在HYSY201的張力允許范圍內(nèi)(<400 t)；在90°波浪方向、14 s譜峰周期時(shí)SCR的最大應(yīng)變分別為0.26%和0.27%，均在允許范圍內(nèi)(<0.305%)。從表10可以看出，E1處滾輪在135°波浪方向、14 s譜峰周期時(shí)支反力最大，達(dá)到31.5 t；E2處滾輪在90°波浪方向、14 s譜峰周期時(shí)支反力最大，達(dá)到34.3 t；E3在0°波浪方向、14s譜峰周期時(shí)支反力最大，達(dá)到17.0 t，均在HYSY201滾輪最大支反力要求范圍內(nèi)(<40 t)。

表9 SCR正常鋪設(shè)階段最大動(dòng)態(tài)張力和應(yīng)變

表10 SCR正常鋪設(shè)階段滾輪最大支反力

2.2.3終止鋪設(shè)階段

1) 靜態(tài)分析。

本次分析計(jì)算了終止鋪設(shè)階段中通過A/R纜將SCR的末端下放至海底的過程。分析根據(jù)A/R纜長度不同設(shè)定為空管和充水等4個(gè)步驟。終止鋪設(shè)階段靜態(tài)分析結(jié)果見表11，可以看出在空管和充水工況下管道LLD、CLD和BEP的載荷系數(shù)均小于1.0，SCR最大應(yīng)變均在允許范圍內(nèi)，充水工況下A/R纜最大頂部張力為221 t，在HYSY 201的張力允許范圍內(nèi)(<400 t)。

表11 SCR終止鋪設(shè)階段靜態(tài)分析結(jié)果

2) 動(dòng)態(tài)分析。

選取終止鋪設(shè)階段步驟2進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，載荷工況與起始鋪設(shè)和正常鋪設(shè)階段的動(dòng)態(tài)分析相同，分析結(jié)果見表12、13。從表12可以看出在空管和充水工況下，A/R纜的最大動(dòng)態(tài)頂部張力分別為143 t和229 t，滿足HYSY 201船A/R絞車能力要求(<400 t)。SCR的最大應(yīng)變分別為0.12%和0.14%，都保持在允許范圍內(nèi)(<0.305%)。從表13可以看出最大滾輪支反力出現(xiàn)在90°波浪方向、14 s譜峰周期，位置為E1處，達(dá)到27.7 t，在HYSY201滾輪最大支反力要求范圍內(nèi)(<40 t)；同時(shí)還可以看出，在該鋪設(shè)階段，各種工況下托管架尾部的最后一個(gè)滾輪E3都不會(huì)與A/R纜接觸。

表12 SCR終止鋪設(shè)階段最大動(dòng)態(tài)頂部張力和應(yīng)變

表13 SCR終止鋪設(shè)階段滾輪最大支反力

2.3 其他管徑的SCR鋪設(shè)分析

針對表1中列出的其他尺寸規(guī)格的SCR進(jìn)行了S-Lay鋪設(shè)可行性分析，其中外徑為168.3 mm和273.1 mm的SCR計(jì)算結(jié)果趨勢與前文分析結(jié)果相似，均在允許范圍內(nèi)。外徑為457.0 mm的SCR鋪設(shè)分析結(jié)果(表14)顯示：各鋪設(shè)階段托管架上SCR的最大應(yīng)變均超過了允許值，管道頂部張力、A/R絞車載荷和托管架滾輪支反力都顯著增大，并超出了HYSY201的能力極限，表明HYSY 201無法鋪設(shè)該尺寸SCR。

表14 外徑457.0 mm的 SCR鋪設(shè)分析結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算分析結(jié)果，結(jié)合陵水17-2氣田投產(chǎn)計(jì)劃和工程方案，最終決定由HYSY201采用S-lay法進(jìn)行φ168.3mm SCR的預(yù)鋪設(shè)作業(yè)，待半潛式平臺(tái)回接后其他尺寸的SCR由外租J-lay鋪管船Borealis進(jìn)行后鋪設(shè)作業(yè)。

3 結(jié)論及建議

1) 在陵水17-2氣田開發(fā)條件下，HYSY201鋪設(shè)外徑小于323.9 mm的SCR時(shí)，管道頂部張力和滾輪支反力均在HYSY201的張緊器等設(shè)備允許范圍內(nèi)，管道最大應(yīng)變等也在規(guī)范允許范圍內(nèi)，故HYSY201可滿足外徑不大于323.9 mm的SCR的鋪設(shè)要求；而鋪設(shè)外徑為457 mm的SCR則需要使用其他更高能力的S-lay鋪管船或J-lay鋪管船完成鋪設(shè)。

2) 在整個(gè)鋪設(shè)過程中，起始鋪設(shè)階段比正常鋪設(shè)階段時(shí)對天氣的要求更為嚴(yán)格。

3) 首迎浪時(shí)SCR的應(yīng)變較橫浪和斜浪時(shí)小，可作業(yè)氣候窗口較大，后續(xù)應(yīng)進(jìn)行更為詳細(xì)的安裝計(jì)算以確定各階段的可作業(yè)氣候窗口。