張海龍　蒲定　孫旭　毛志豪　栗振寧　全紅雷

摘要： 水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)模式環(huán)境適應性強、可靠性高、成本相對較低，在深水油氣開發(fā)中正越來越多的被各大油公司采用。隨著我國海洋油氣開發(fā)向深水挺近，也將更多的采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)加浮式生產(chǎn)平臺的方案，大量的水下生產(chǎn)設備如海底管線、采油樹、管匯終端、臍帶纜終端也將得到應用。如何保護水下生產(chǎn)系統(tǒng)中設備，規(guī)避生產(chǎn)風險，也成了一個不可忽視的問題。本方案主要研究的是用于保護水下生產(chǎn)設備，防止其受到落錨沖擊、漁網(wǎng)拖掛等第三方物理損傷，應用新玻璃纖維材料，替代質(zhì)量大、易腐蝕、安裝繁瑣的現(xiàn)役鋼制防護系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：水下設備防護;沙波沙脊;深水結(jié)構(gòu)物保護

引言：

國內(nèi)首次針對水下設備玻璃鋼防護系進行統(tǒng)整體方案研究、設計研究、安裝研究及安裝應用，打破傳統(tǒng)鋼制防護罩設計限制;首次對水下設備玻璃鋼防護系統(tǒng)進行模塊化設計，對模塊重復利用以節(jié)省項目成本，設計在國際上處于領先水平;針對我國海洋環(huán)境，尤其是南海區(qū)域可移動沙坡，研究防護罩結(jié)構(gòu)，減少對水下設備運維的影響。

1我國南海某海區(qū)內(nèi)沙波沙脊及漁業(yè)對水下結(jié)構(gòu)物的影響

我國南海某海域海底地形地貌較為復雜，存在大規(guī)模的海底中性沙波，沙波的底質(zhì)以中砂、中細砂和細沙為主，具有松散、隨時間移動的特點，水動力會造成海底沉積物的侵蝕、搬運和沉積。且隨著海底流速的增大，沙波沙脊的移動速度會呈幾何倍增長，對水下生產(chǎn)設備的常規(guī)保護方案提出了挑戰(zhàn)，需要研制更為可靠的防護型式。另外南海海域漁業(yè)發(fā)展迅速，根據(jù)《中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)，南海海域活動的激動漁船超80000艘，其中機動漁船超過78000艘，海洋漁業(yè)捕撈方式及捕撈設備同樣存在更新和進步，漁業(yè)活動對海洋油氣水下設施的影響也越發(fā)明顯。據(jù)統(tǒng)計，近10年來，漁網(wǎng)破壞導致海管、海纜損壞事故已達8起，達到總事故數(shù)的60%，對水下生產(chǎn)系統(tǒng)防護系統(tǒng)的需求量也迫在眉睫。

2我國現(xiàn)有水下設備防護結(jié)構(gòu)型式與存在的問題

我國現(xiàn)針對水下生產(chǎn)設備模塊類結(jié)構(gòu)物保護，多采用鋼結(jié)構(gòu)保護罩的保護形式，鋼制保護罩整體結(jié)構(gòu)類似，多為梯形體。邊、梁結(jié)構(gòu)以鋼管、工字鋼為主，頂面、斜面為鋼質(zhì)格柵板。鋼制保護罩重量大、腐蝕問題嚴重，各種天窗操作較為復雜，實際工程應用中存在一些問題，采用玻璃鋼材質(zhì)防護罩可以有效的解決這些問題，大大的降低施工周期和工程投資。

3南海深水水下設備防護結(jié)構(gòu)研究與探討

3.1 主要研究目標

本文主要目標是研制基于玻璃纖維材料的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的保護結(jié)構(gòu)，并安全應用于水下設備的保護中，在水下采油樹、PLET、軟管等水下設備防護中發(fā)揮作用，保障水下油氣設備的安全生產(chǎn)，促進海洋油氣持續(xù)高速發(fā)展做出積極的貢獻，產(chǎn)生了良好的效益。

3.2主要研究內(nèi)容

本項目主要解決的問題是：用于保護水下生產(chǎn)設備（見圖一），防止其受到落錨沖擊、漁網(wǎng)拖掛等第三方物理損傷;應用新玻璃纖維材料，替代質(zhì)量大、易腐蝕、安裝繁瑣的現(xiàn)役鋼制防護系統(tǒng)。所涉及的技術(shù)要點有：研究適用于我國海域工況的水下設備防護系統(tǒng)整體方案;試制新型玻璃鋼水下生產(chǎn)系統(tǒng)設備防護設備;研究水下設備玻璃鋼防護罩水下安裝技術(shù)，形成行業(yè)規(guī)范或標準。

3.3關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1技術(shù)難點

3.3.1.1玻璃鋼保護罩模塊化設計

水下生產(chǎn)系統(tǒng)多為大型結(jié)構(gòu)物且尺寸不一，目前大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)物（見圖二）需要單獨定制開模生產(chǎn)，一體成型，成本較高且運輸不便，進而限制了生產(chǎn)車間的選擇。本項目計劃對保護結(jié)構(gòu)進行模塊化設計以實現(xiàn)玻璃鋼生產(chǎn)模具的重復使用，降低開模成本，增加生產(chǎn)車間選擇的靈活性。

3.3.1.2玻璃鋼保護罩吊裝與過飛濺區(qū)安裝分析

通過安裝分析確定動態(tài)放大系數(shù)后，對保護罩結(jié)構(gòu)強度進行分析，主要工況包括翻轉(zhuǎn)分析、豎直吊裝分析和水平吊裝分析。玻璃鋼保護罩重量輕，當施工船舶吊裝保護罩過飛濺區(qū)時，保護罩易受到較大的抨擊力，而使吊裝索具松弛，導致安裝失敗。采用Orcaflex軟件對玻璃鋼保護罩進行安裝分析，施工船舶采用項目指定工程船舶，從而計算出船舶是否滿足要求、最大允許海況、保護罩自身配重重量以為安裝時的動態(tài)放大系數(shù)。

3.3.1.3玻璃鋼保護罩結(jié)構(gòu)強度分析

主要包括安裝過程中的吊裝分析、翻轉(zhuǎn)分析以及在位強度分析。通過安裝分析確定了動態(tài)放大系數(shù)后，可以對保護罩進行吊裝分析和翻轉(zhuǎn)分析以選取合適的吊裝索具和確定安裝過程中保護罩的強度滿足要求。

保護罩在位后需要對保護罩進行在位強度分析，以確保護罩在漁網(wǎng)拖曳下和落錨等情況下強度滿足要求，以起到對水下生產(chǎn)系統(tǒng)保護的左右。

3.3.1.4玻璃鋼保護罩防沙性能設計

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)保護罩一般采用鋼質(zhì)主體結(jié)構(gòu)加格柵板的形式，難以實現(xiàn)防沙的功能，玻璃鋼保護罩整體性能更加完善，可以實現(xiàn)更好的防沙功能。

3.3.1.5玻璃鋼保護罩安裝試驗

海上施工難度大、風險高，此次保護罩安裝為國內(nèi)首次，為了保證項目順利進行，必須在陸地進行充分準備和試驗。保護罩安裝試驗包括吊耳拉力試驗、翻轉(zhuǎn)試驗、保護罩吊裝試驗（根據(jù)動態(tài)放大系數(shù)增加配重）以及保護罩界面配合試驗，通過陸地試驗后，進行海上安裝試驗，包括翻轉(zhuǎn)、吊裝入水、著泥以及回收。

3.3.2創(chuàng)新點

3.3.2.1我國首次針對水下設備玻璃鋼防護系統(tǒng)整體方案研究、設計研究、安裝研究及安裝應用，打破傳統(tǒng)鋼制防護罩設計限制;

3.3.2.2首次對水下設備玻璃鋼防護系統(tǒng)進行模塊化設計，對模塊重復利用以節(jié)省項目成本，設計在國際上處于領先水平;

3..3.2.3針對我國海洋環(huán)境，尤其是南海區(qū)域可移動沙坡，研究防護罩結(jié)構(gòu)，減少對水下設備影響。

4技術(shù)、經(jīng)濟效益、推廣前景分析

4.1技術(shù)經(jīng)濟效益分析

我國目前尚未有水下生產(chǎn)系統(tǒng)玻璃鋼防護系統(tǒng)的成熟應用，本次屬于國內(nèi)首例。從產(chǎn)品制造成本上來計算，以一體成型產(chǎn)品為例，國際公司上對南海某項目水下尺寸大小的PLET保護系統(tǒng)報價普遍在50萬美元以上，而我們研究生產(chǎn)的產(chǎn)品在100萬人民幣以下，如果可以實現(xiàn)模塊化設計生產(chǎn)，成本可進一步降低。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)保護罩制造成本約為150萬。

從安裝成本上計算，相比于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)保護系統(tǒng)，玻璃鋼保護系統(tǒng)可以堆疊運輸，節(jié)省了至少一條駁船的租賃成本;玻璃鋼保護系統(tǒng)的重量約為傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)保護系統(tǒng)的30%到50%，對施工船舶的選擇更加靈活，成本對比，單個船天節(jié)省成本約20萬人民幣每天。

本研究有利于建立很好的技術(shù)基礎、專利保護，取得相關(guān)的國外認證，進行海洋設施的保護應用，在國內(nèi)市場的推廣建立較好的先發(fā)優(yōu)勢，同時致力于將產(chǎn)品推向國際。

4.2推廣應用前景分析

目前國內(nèi)針對水下設備的防護主要采用的還是鋼結(jié)構(gòu)防護，根據(jù)被保護物的外形特征，保護罩的外形尺寸可能存在不同，但整體結(jié)構(gòu)類似，均為梯形體。邊、梁結(jié)構(gòu)以鋼管、工字鋼為主，頂面、斜面為鋼質(zhì)格柵板。某公司設計了一種水下管匯的保護結(jié)構(gòu)，并申請了相關(guān)專利：一種水下生產(chǎn)系統(tǒng)防護裝置。某大學研究了用于海底管道防護的防沉板，申請專利：一種自由式海底防沉板淺基礎。國內(nèi)涉及到玻璃鋼材料制作防護系統(tǒng)的行業(yè)有風力發(fā)電、機床設備、運輸管線等，主要集中應用在陸上設備，缺乏水下設備的玻璃鋼防護系統(tǒng)研究。國內(nèi)海洋工程領域尚無成熟產(chǎn)品，沒有相關(guān)的技術(shù)、知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)標準。

通過一系列的研究工作，可以促進玻璃鋼防護系統(tǒng)盡快應用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)防護，形成玻璃鋼防護系統(tǒng)的全產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化，并且形成一套適用于我國海域特點的水下設備玻璃鋼防護系統(tǒng)規(guī)范，涵蓋設計分析、生產(chǎn)制造、檢驗檢測、資質(zhì)認證、安裝服役，后期可以往水下防護系統(tǒng)的在線檢測、利舊延壽、廢棄等方面研究，形成一整套的規(guī)范。本項目的研究具有極高的科研價值，并產(chǎn)生明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

5結(jié)語

當前，深海資源開發(fā)重要性日益凸顯，對深海生產(chǎn)設備進行有效安全保證也成為當前國家經(jīng)濟發(fā)展中的重要內(nèi)容，我國在過去所采用的方法已經(jīng)不適應現(xiàn)在新的問題，需要對這些方法進行必要的完善和發(fā)展，利用新的科學技術(shù)創(chuàng)新，使得新的技術(shù)產(chǎn)生以促進水下生產(chǎn)安全順利進行。