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        深水大型起重鋪管船S型鋪管系統(tǒng)鋪管能力分析*

        2020-04-02 07:47:12涂永彬阮見明
        武漢交通職業(yè)學院學報 2020年1期
        關(guān)鍵詞:管船鋪管張緊器

        涂永彬 趙 潔 李 勝 阮見明

        (1武漢交通職業(yè)學院,湖北 武漢 430065;2 武昌船舶重工集團有限公司湖北海洋工程裝備研究院有限公司,湖北 武漢 430060)

        1. 概述

        深水大型起重鋪管船主要服務(wù)于海工模塊整體吊裝與深海油氣管道鋪設(shè),系統(tǒng)復雜,布置密集,自動化操控要求高,作業(yè)海況復雜,動力定位能力強,單船造價高,是國際公認的高技術(shù)、高附加值船舶。當前國際上主流的深水大型起重鋪管船都采用DP3動力定位系統(tǒng)[1],作業(yè)水深超過1000m,船上同時配備大型起重機和S型鋪管系統(tǒng),擁有很好的自航能力,能在比較惡劣的海況下進行鋪管作業(yè)。

        起重鋪管船鋪管能力,主要包括鋪管速度、鋪管作業(yè)水深、鋪設(shè)管節(jié)外徑、長度、重量等性能指標。其中,鋪管速度和鋪管作業(yè)水深為關(guān)鍵性能指標,決定了船舶工作海域和鋪管效率,直接影響船舶租金。本文著眼于鋪管能力的研究,在對比分析三艘深水大型起重鋪管船S型鋪管系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,厘清鋪管作業(yè)流程,研究主要鋪管設(shè)備,得出影響鋪管速度和鋪管作業(yè)水深的主要因素,為今后國內(nèi)該類船舶S型鋪管系統(tǒng)的自主設(shè)計及設(shè)備選型提供有益借鑒。

        2. S型鋪管系統(tǒng)及主要鋪管設(shè)備

        海洋油氣資源開采運輸涉及的海底管道用途不一、型式多樣,鋪管的作業(yè)海況和鋪管水深也有很大差異,為適應不同需求,而產(chǎn)生多種鋪管方式,主要包括S型鋪管(S-Lay)、J型鋪管(J-Lay)、卷筒式鋪管(Reel-Lay)、柔性鋪管(Flex-Lay)以及復合鋪管(Multi-Lay)等[2]。這些不同的鋪管方式,通過選用相應的鋪管設(shè)備,在船上進行系統(tǒng)集成,形成專用的鋪管系統(tǒng)。

        如圖1所示,S型鋪管系統(tǒng)是指在船上將一根一根的管節(jié)連接成管線,使用張緊器對管線進行夾持和收放,保持管線姿態(tài),再經(jīng)由船艉的托管架使管線呈S形姿態(tài)落入海底。

        1-托管架 2-管線 3-張緊器 4-工作站 5-支撐滾輪組 6-管節(jié)(單節(jié)管) 7-管節(jié)(雙節(jié)管)圖1 典型S型鋪管系統(tǒng)布置圖

        圖2 典型S型鋪管系統(tǒng)鋪管流程圖

        如圖2所示,S型鋪管系統(tǒng)采用流水線作業(yè),按照加工工藝將管節(jié)與管線的連接細分為多道工序,在連接處設(shè)置相應的工作站,主要完成焊接坡口開設(shè)、管節(jié)對中、管節(jié)焊接、焊縫質(zhì)量檢測、管節(jié)接頭防腐處理等工序。S型鋪管系統(tǒng)可以鋪設(shè)混凝土包敷的剛性管道,不僅適用于淺水作業(yè)環(huán)境,也可以在深水條件下完成海底油氣管道的鋪設(shè)。

        從設(shè)備配置角度,深水大型起重鋪管船S型鋪管系統(tǒng),根據(jù)作業(yè)流程,將鋪管設(shè)備劃分為管節(jié)傳輸設(shè)備、管線對中裝置、管線支撐滾輪、張緊器、可調(diào)支撐滾輪以及A&R絞車等。其中,張緊器和A&R絞車為鋪管系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備[3]。

        圖3 張緊器

        圖4 A&R絞車(張力絞車)

        圖5 A&R絞車(儲纜絞車)

        2.1 張緊器

        如圖3所示,張緊器(Tensioner)主要由機架(設(shè)備底座、兩側(cè)支撐結(jié)構(gòu)和頂部結(jié)構(gòu))、履帶輪、升降螺桿、氣動夾緊裝置、驅(qū)動電動機、齒輪箱和電氣元件等組成。該張緊器為履帶輪上下布置的垂直張緊器,工作時對管線產(chǎn)生垂直方向的夾持力。此外,還有履帶輪左右布置的水平張緊器,以及上下左右各布置一套履帶輪裝置的四履帶張緊器。

        在S型鋪管系統(tǒng)中,管線從托管架到海床之間有比較長的懸空段,懸空段的管線會由于鋪管船受到風、浪、流的影響而上下垂蕩,使得船尾和海床之間的距離不斷變化,在管線內(nèi)部產(chǎn)生交變應力。如果將管線與鋪管船固定在一起,當鋪管船受環(huán)境因素影響而上升時,懸空段的管線將承受很大的拉力,這個拉力可能會使管線超過許用應力造成破壞。當鋪管船受環(huán)境因素影響而下降或?qū)⒐芫€自由置于船上時,管線在自身重力和浪流的作用下,將承受很大的彎曲應力。當該應力超過材料的屈服極限后,將使管線產(chǎn)生塑性變形[4]。簡言之,懸垂于海水中的管線,在受到外界環(huán)境因素影響時,既有可能被拉斷,也有可能被折斷。

        S型鋪管系統(tǒng)中張緊器的應用,能很好地解決上述問題。鋪管作業(yè)流水線上的管線經(jīng)過多道工序后,由固定在船上的張緊器夾持管線并保持一定的張緊力,使管線一直處于張緊狀態(tài),并能隨著風、浪、流等外界環(huán)境的變化實時地調(diào)整張緊力的大小,使懸垂于海水中的管線處于受控狀態(tài)。

        2.2 A&R絞車

        A&R絞車(Abandon & Recovery Winch)是鋪管船上配備的另一類大型專用設(shè)備,主要用于管線的回收和棄置[5]。在遇到惡劣天氣條件時,鋪管海域的作業(yè)環(huán)境超出鋪管船的承受能力,迫使鋪管船不得不停止作業(yè)。通過操作A&R絞車將懸垂于海水中的管線放置于海底。當風浪過去,再使用A&R絞車將管線從海底拉回至鋪管作業(yè)線,繼續(xù)鋪管作業(yè)。

        從拉拽海水中懸垂管線的角度來說,A&R絞車和張緊器的功能基本相似。只是張緊器主要用來保持懸垂管線的姿態(tài),以免管線被拉斷或者被折斷;A&R絞車則在保持懸垂管線姿態(tài)的前提下,通過拉拽將懸垂管線放置海底或者拉到鋪管船上。

        隨著海洋油氣開采逐步向深遠海進軍,鋪管水深早已突破2000m,有些大型鋪管船的鋪管水深甚至可以達到3000m。鋪管作業(yè)越深,意味著懸垂在海水中的管線更長、重量更大,這就給張緊器和A&R絞車的能力提出了更高的要求。尤其對于A&R絞車來說,不僅要求A&R絞車要有超過3000m的容繩量,還要具備很大的拉力。一般情況下,額定拉力不超過300t的A&R絞車,通常采用單卷筒型式;當額定拉力超過300t時,A&R絞車由一臺雙卷筒的張力絞車和一臺單卷筒的儲纜絞車組成,如圖4、圖5所示。

        3. 深水大型起重鋪管船S型鋪管系統(tǒng)對比分析

        近些年來,筆者參與的深水大型起重鋪管船項目主要有:美國McDermott公司的DLV6000(Derrick Pipe-Lay Vessel)起重鋪管船,新加坡Swiber公司的DCV5000(Deepwater Construction Vessel)起重鋪管船,以及Swiber公司的KAIZEN4000起重鋪管船改裝項目。

        3.1 船舶主要技術(shù)參數(shù)對比分析

        從船舶主尺度、定位方式、推進器數(shù)量及能力等幾個方面,對DLV6000、DCV5000和KAIZEN4000等三型起重鋪管船進行對比分析,具體參數(shù)如表1所示。

        表1 三型起重鋪管船主要技術(shù)參數(shù)

        從船舶主尺度方面進行分析,這三型起重鋪管船的顯著特點是型寬很大、總長較長、甲板面積大。這三型船均配備有大型海洋工程起重機:KAIZEN4000的最大起重能力為3800t @ 30m,DCV5000的最大起重能力為5000t @ 34m,DLV6000的最大起重能力為5500t @ 39m。一方面,船舶主尺度需滿足起重穩(wěn)定性的要求;另一方面,S型鋪管系統(tǒng)需要在甲板上安裝數(shù)十臺套鋪管設(shè)備,各工作站也需要足夠的作業(yè)空間,較大的甲板面積,也是為了滿足S型鋪管系統(tǒng)的要求。

        對于深水大型起重鋪管船,除裝備有錨泊定位系統(tǒng)外,還必須配備一定數(shù)量的推進器,形成DP3動力定位能力,滿足深水作業(yè)需要。KAIZEN4000全船共安裝8臺推進器,在船艉左、右舷各安裝一臺5500 kW的全回轉(zhuǎn)式推進器,在船舶中部兩舷及艏部共配備5臺2200 kW的可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進器,此外,還安裝一臺功率為1950 kW的艏側(cè)推。DCV5000和DLV6000則分別配備了8臺和9臺推進器。

        3.2 S型鋪管系統(tǒng)主要參數(shù)對比分析

        從鋪管方式、鋪管水深、鋪設(shè)管節(jié)規(guī)格、主要鋪管設(shè)備配置等幾個方面,對DLV6000、DCV5000和KAIZEN4000等三型起重鋪管船進行對比分析,具體參數(shù)如表2所示。

        表2 三型起重鋪管船鋪管系統(tǒng)主要參數(shù)

        根據(jù)上表鋪管系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù),結(jié)合總布置圖和技術(shù)規(guī)格書,尤其是對鋪管系統(tǒng)設(shè)備布置圖和主要鋪管設(shè)備技術(shù)規(guī)格書進行重點研究,對這三型船S型鋪管系統(tǒng)進行對比分析,得到影響鋪管速度和鋪管作業(yè)水深的主要因素,具體如下。

        (1)S型鋪管系統(tǒng)鋪管作業(yè)流程大致相同

        海底油氣管道的鋪設(shè),主要是在鋪管船上把一根根的管節(jié)連接成管線,通過船艉的托管架沉入海底。為了提高鋪管效率,通常采用流水線作業(yè),細分每道工序,在管節(jié)橫向或縱向的傳輸過程中,設(shè)置相應的工位分別完成管節(jié)兩端焊接坡口的開設(shè),新加管節(jié)與已連管節(jié)的對中,管節(jié)之間的焊接,焊縫質(zhì)量的檢測,焊接接頭處的防腐與包敷,將管節(jié)連成管線后,再通過張緊器夾持管線、調(diào)整管線狀態(tài),船舶前進一根管節(jié)的距離,管線經(jīng)由船艉的托管架沉入海底。

        (2)鋪管作業(yè)分為單節(jié)管模式和雙節(jié)管模式

        海底油氣管道采用英制標準,根據(jù)管節(jié)長度通常分為單節(jié)管(Single Joint)和雙節(jié)管(Double Joint)[2]。單節(jié)管長度為40英尺,約為12.2m;雙節(jié)管長度為80英尺,約為24.4m。鋪管船S型鋪管系統(tǒng)至少配備一條主鋪管作業(yè)流水線,用來鋪設(shè)單節(jié)管或雙節(jié)管。有些鋪管船還專門設(shè)置雙節(jié)管預制流水線,可以在船上把單節(jié)管預制成雙節(jié)管。例如,KAIZEN4000的鋪管作業(yè)流水線為單節(jié)管鋪管作業(yè)線,DLV6000的鋪管作業(yè)流水線既可鋪設(shè)單節(jié)管也可鋪設(shè)雙節(jié)管,DCV5000可以在船上將單節(jié)管預制成雙節(jié)管,也可以直接鋪設(shè)單節(jié)管或雙節(jié)管。

        1-托管架 2-可調(diào)支撐滾輪組3-張緊器 4-支撐滾輪組 5-管節(jié)(雙節(jié)管) 6-管節(jié)(單節(jié)管)圖6 典型S型鋪管系統(tǒng)工作站布置圖

        (3)管節(jié)長度和工作站數(shù)量是影響鋪管速度的主要因素

        S型鋪管系統(tǒng)在鋪管作業(yè)流水線上設(shè)置有各種工作站,主要包括對中站、焊接站、檢測站、返修站、噴涂站、包敷站等。理論上,鋪管船鋪設(shè)管節(jié)的長度越長,工作站數(shù)量越多,鋪管速度就越快。但是,受到船舶主尺度的制約,在流水線長度一定的情況下,鋪設(shè)管節(jié)越長,工作站的數(shù)量就越少。如圖6所示,在單節(jié)管模式下流水線上有WS1、WS2、WS3…… WS11總計11個工作站;而在雙節(jié)管模式下流水線上可用的工作站只有WS2、WS4、WS6、WS7、WS8、WS9、WS11等7個工作站。因此,管節(jié)長度和工作站數(shù)量相互制約,在設(shè)計鋪管系統(tǒng)時需綜合考慮鋪管模式的選擇和工作站的數(shù)量。

        (4)張緊器與A&R絞車的能力是影響鋪管作業(yè)水深的重要因素

        正常鋪管時,托管架至海床之間的懸空段管線,主要依靠張緊器的作用來保持管線的姿態(tài)。隨著鋪管作業(yè)水深的增加,懸空段的管線將會更長,承受風浪流的影響更大,對張緊器能力的要求也更高。因此,張緊器的能力直接影響鋪管作業(yè)水深。

        當鋪管作業(yè)被迫中斷和重新開始時,則需要使用A&R絞車對管線進行棄置和回收。因此,要求A&R絞車的能力與張緊器相當,A&R絞車的容繩量與鋪管作業(yè)水深相適應。對這三型起重鋪管船張緊器和A&R絞車性能參數(shù)進行對比分析,可以充分印證這一結(jié)論。例如,在KAIZEN4000的鋪管系統(tǒng)中,張緊器的額定拉力為3×100t,A&R絞車的額定持續(xù)拉力為300t;KAIZEN4000的鋪管水深為1000m,A&R絞車的容繩量為Φ96×1300m。在DCV5000的鋪管系統(tǒng)中,張緊器的額定拉力為3×200t,A&R絞車的額定持續(xù)拉力為600t;DCV5000的鋪管水深為3000m,A&R絞車的容繩量為Φ138×3500m。因此,A&R絞車的能力也是影響鋪管作業(yè)水深的重要因素。

        (5)托管架長度也是影響鋪管作業(yè)水深的重要因素

        對深水大型起重鋪管船而言,船舶主尺度、動力定位能力、張緊器和A&R絞車的能力直接影響鋪管作業(yè)水深。除此之外,托管架長度也是影響鋪管水深的重要因素。管線通過船艉的托管架沉入海底,作業(yè)水深越大,懸空段的管線越長,托管架處管線的彎曲半徑就越大,托管架的長度就越長。例如,KAIZEN4000總長156m,托管架主要由兩節(jié)組成,總長為74m,鋪管水深1000m;DCV5000總長約200m,托管架由三節(jié)組成,第一節(jié)長度為40m,第二節(jié)長度為30m,第三節(jié)長度為20m,鋪管水深可達3000m;而DLV6000總長超過200m,托管架總長為98m,鋪管水深達到3000m。

        4. 結(jié)論

        通過以上分析,為滿足鋪管速度和鋪管作業(yè)水深等設(shè)計要求,在對S型鋪管系統(tǒng)及主要鋪管設(shè)備進行設(shè)計選型時,除考慮船舶主尺度和動力定位能力外,還需重點考慮鋪管作業(yè)流水線規(guī)劃與工作站設(shè)置,張緊器、A&R絞車等主要鋪管設(shè)備配置等問題,具體結(jié)論如下。

        (1)S型鋪管系統(tǒng)鋪管速度的影響因素

        S型鋪管系統(tǒng)采取流水線作業(yè),為了提高鋪管速度,應該根據(jù)工藝流程,合理利用甲板空間,增加鋪管作業(yè)線的長度,細化每道工序,合理分配每道工序的時間,設(shè)置更多的工作站、平衡每個工作站的作業(yè)時間,以提高鋪管效率,增加鋪管速度。也就是說,鋪設(shè)相同規(guī)格的管節(jié),鋪管作業(yè)線流水更長,工作站數(shù)量越多,每道工序耗時越均衡,鋪管速度就越快。

        至于單節(jié)管鋪管作業(yè)線與雙節(jié)管鋪管作業(yè)線,鋪管速度快慢的問題。雖然一次鋪設(shè)的單節(jié)管比雙節(jié)管短,但是對于相同長度的鋪管作業(yè)線,鋪設(shè)單節(jié)管時可以設(shè)置更多的工作站,每道工序的耗時更少,鋪管效率更高。所以,單節(jié)管鋪管作業(yè)線與雙節(jié)管鋪管作業(yè)線鋪管速度的快慢不能一概而論。

        (2)S型鋪管系統(tǒng)鋪管作業(yè)水深的影響因素

        對于具備DP3動力定位能力的深水大型起重鋪管船來說,張緊器作為S型鋪管系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心設(shè)備,通常被看作是決定鋪管作業(yè)水深的決定因素。但是,通過研究,尤其是重點分析位于船艉托管架和海床之間懸垂于海水之中的S形管線后,發(fā)現(xiàn)船型大小、托管架的長度和彎曲程度也直接影響到船舶對懸垂管線的托附能力,影響著鋪管作業(yè)水深。

        此外,在鋪管中止和重新開始時,需要利用A&R絞車對管線進行棄置和回收,要求A&R絞車能夠承受懸垂管線產(chǎn)生的載荷,A&R絞車的容繩量要滿足鋪管水深的要求。因此,A&R絞車的配置也是決定鋪管作業(yè)水深的一個主要因素。

        (3)張緊器與A&R絞車的設(shè)備配置

        S型鋪管系統(tǒng)在作業(yè)狀態(tài)下利用張緊器的夾持來保證懸垂于海水中管線的姿態(tài),在鋪管中止和重新開始時利用A&R絞車在保持懸垂管線姿態(tài)的前提下,將懸垂管線放置海底或者拉到鋪管船上。從拉拽懸垂管線和保持管線姿態(tài)的角度來說,張緊器和A&R絞車的功能相似,二者能力也基本相當,在設(shè)計選型時須注意張緊器與A&R絞車能力匹配的問題。

        綜上,鋪管速度越快,鋪管效率越高,鋪管水深越大,作業(yè)范圍越廣,鋪管能力越強,船舶租金就越高。但是,對船舶主尺度、動力定位能力、推進器的數(shù)量及能力、S型鋪管系統(tǒng)的配置及張緊器、A&R絞車等鋪管設(shè)備的要求就越高,船舶建造成本及運營成本也越高。因此,在S型鋪管系統(tǒng)設(shè)計及主要設(shè)備選型過程中,應綜合考慮船舶租金與建造成本及運營成本的關(guān)系,鋪管作業(yè)流水線與船舶主尺度及甲板空間的關(guān)系,鋪管速度與鋪管作業(yè)模式及工作站數(shù)量的關(guān)系,鋪管作業(yè)水深與動力定位能力及主要鋪管設(shè)備的關(guān)系,張緊器數(shù)量及能力與A&R絞車能力及容繩量的關(guān)系。

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