張玉勇，王一江

(中海石油(中國(guó))有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518054)

0 引 言

軟管研制可追溯至20世紀(jì)70年代，其廣泛應(yīng)用迄今已三十余年，軟管按照結(jié)構(gòu)形式可分為黏結(jié)型軟管和非黏結(jié)型軟管，按照應(yīng)用可分為靜態(tài)軟管和動(dòng)態(tài)軟管。軟管在國(guó)內(nèi)淺水環(huán)境的應(yīng)用始于2010年[1]，在深水的應(yīng)用則始于2020年中國(guó)南海某深水氣田項(xiàng)目。項(xiàng)目水下設(shè)施所處水深在600～1 300 m，幾口氣井布置在60 m×70 m區(qū)域內(nèi)，環(huán)繞著位于區(qū)域中心的一座8井槽管匯。在項(xiàng)目基本設(shè)計(jì)階段擬采用剛性跨接管連接氣井與管匯，至詳細(xì)設(shè)計(jì)階段優(yōu)化為非黏結(jié)型軟管。非黏結(jié)型軟管具備螺旋纏繞的非黏結(jié)多材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，螺旋金屬層用于抵抗外部環(huán)境載荷和內(nèi)部系統(tǒng)壓力，聚合物材料層用于阻隔內(nèi)外流體的層間串通，管體一般具備骨架層、壓力套(或稱內(nèi)襯層)、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層、外護(hù)套等[2]，層間結(jié)構(gòu)獨(dú)立，允許層間滑移。非黏結(jié)型軟管應(yīng)用廣泛，可見于油氣管線、氣舉管線、水驅(qū)管線、服務(wù)管線、外輸管線等產(chǎn)品，是目前國(guó)內(nèi)外軟管研究和發(fā)展的方向。在項(xiàng)目應(yīng)用中有兩點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)印象較深刻：其一是在軟管安裝動(dòng)員階段鵝頸接頭翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)推動(dòng)了方案優(yōu)化；其二是在施工階段彎曲剛度增大為水下作業(yè)增加了難度。本文對(duì)第二點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行重點(diǎn)介紹，同時(shí)分享一些軟管設(shè)計(jì)與安裝施工中考慮的關(guān)鍵內(nèi)容。

1 方案比選及軟管設(shè)計(jì)

深水項(xiàng)目水下結(jié)構(gòu)連接形式大致分為鋼質(zhì)跨接管和軟管兩種，軟管往往與鵝頸組合使用，如圖1所示。軟管與鋼質(zhì)跨接管方案比選的決策風(fēng)險(xiǎn)包括：截至目前許多軟管失效原因尚未全面掌握，有待于開展深入研究[3]；項(xiàng)目海域存在強(qiáng)陣風(fēng)、突變底流、孤立波等，對(duì)海上的正常作業(yè)造成極大威脅[4]，比如，2020年5月中旬在東沙群島西南海域出現(xiàn)5.6 m/s的孤立波，工程船移位120 m，5月下旬相同海域出現(xiàn)突變底流，造成遙控?zé)o人潛水器碰撞致飛線損壞的情況。

圖1 深水軟管典型應(yīng)用

軟管方案主要優(yōu)點(diǎn)包括：采用鵝頸接頭與軟管組合可有效去耦水下結(jié)構(gòu)間的操作應(yīng)力；軟管在抗腐蝕性和敷設(shè)速度方面存在優(yōu)勢(shì)[5]；軟管可回收重復(fù)利用；軟管海床適應(yīng)性佳無須進(jìn)行懸跨處理；相對(duì)作業(yè)量少同時(shí)資源占用少對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度控制有幫助。具體對(duì)比如表1所示。

表1 深水井口連接方案對(duì)比

一般海洋油氣軟管設(shè)計(jì)采用API RP 17B和API SPEC 17J 行業(yè)規(guī)范，包括軟管結(jié)構(gòu)形式、軟管各層設(shè)計(jì)、截面設(shè)計(jì)、在位分析、軟管強(qiáng)度校核、穩(wěn)定性校核等[1]。

1.1 失效模式分析

針對(duì)軟管系列典型失效模式，如骨架層和抗壓鎧裝層的壓潰失效、抗拉鎧裝層螺旋鋼帶的徑向及側(cè)向失效[3]，扭矩過大導(dǎo)致螺旋鎧裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)鳥籠現(xiàn)象，壓力套低溫特性差，外護(hù)套應(yīng)力開裂/磨蝕/特性差等，完成軟管失效模式分析。由失效模式分析得到結(jié)論：骨架層選擇硬質(zhì)雙相不銹鋼材料能抵抗環(huán)境靜水壓力，耐腐蝕和磨損；抗壓鎧裝層和抗拉鎧裝層由碳鋼鋼絲制成，可分別抵抗徑向載荷和軸向/扭轉(zhuǎn)載荷，具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，與軟管其他材料能和諧共處；壓力套考慮溫度和流體的特性[6]，使用聚乙烯材料(TP35?)，適合酸液、海水、油氣輸送，具備固有的水解穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；外護(hù)套采用高密度聚丙烯材料(HD-Flex?)，防止海水浸泡腐蝕金屬層；并且強(qiáng)化軟管制造階段質(zhì)量控制，分析軟管安裝海況等。綜合結(jié)論認(rèn)為，軟管設(shè)計(jì)參數(shù)如水深、壓力、溫度、流體物性、管徑等都處于工業(yè)技術(shù)成熟區(qū)內(nèi),技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)可控。

1.2 彎曲剛度影響

確定短距離軟管的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，控制因素包括軟管路由地貌、安裝措施裕量、設(shè)計(jì)路由精度、接入點(diǎn)高度、兩端接入角度差、管匯安裝應(yīng)急裕量等。在叢式井口布置方案中，管匯周圍往往密集地分布著各種管線，在設(shè)計(jì)中利用OrcaFlex軟件開展現(xiàn)場(chǎng)情況的仿真模擬，以避免軟管過長(zhǎng)或過短對(duì)安裝造成困難，如圖2所示。

圖2 井口區(qū)深水軟管位置仿真圖

近年來發(fā)現(xiàn)多個(gè)深水項(xiàng)目軟管安裝路由與模擬結(jié)果不一致的情況[7]，研究表明這皆源于對(duì)深水環(huán)境改變軟管剛度情況考慮不足，制造商所提供的彎曲剛度通常較小，從而其描述的軟管彎曲曲率不合理，相應(yīng)地?fù)p失了安裝模擬準(zhǔn)確性[7]。非黏結(jié)型軟管在發(fā)生彎曲時(shí)將克服層間摩擦力使層間出現(xiàn)相對(duì)滑移，在深水環(huán)境下靜水壓力成為層間摩擦力主要控制因素，例如，本項(xiàng)目軟管在700 m水深環(huán)境下彎曲剛度從約40 kN·m2上升至130 kN·m2，造成A-A′和 C-C′類S形設(shè)計(jì)路由的實(shí)現(xiàn)較為困難。國(guó)內(nèi)研究推薦選用滯回曲線及其彎曲剛度常數(shù)定義軟管彎曲屬性的方法[7]，利于對(duì)軟管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度及路由進(jìn)行優(yōu)化，降低海上施工的風(fēng)險(xiǎn)，是未來項(xiàng)目應(yīng)該選擇和借鑒的。有條件的也可通過全尺寸試驗(yàn)獲知海域水深和溫度條件下的軟管彎曲剛度，以此為軟管設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，進(jìn)而完成軟管采辦長(zhǎng)度計(jì)算和軟管安裝路由設(shè)計(jì)。

2 軟管安裝

2.1 軟管鵝頸接頭翻轉(zhuǎn)

利用豎直敷設(shè)系統(tǒng)進(jìn)行軟管安裝，由于短距離軟管跨接管長(zhǎng)度不滿足使用安裝船左舷懸掛平臺(tái)的條件，因此在豎直敷設(shè)系統(tǒng)下方月池區(qū)域搭建桁架，在桁架中對(duì)稱布置起重葫蘆，將鵝頸RT組合從接口法蘭背對(duì)豎直敷設(shè)系統(tǒng)，調(diào)整到接口法蘭正對(duì)軟管接頭，如圖3所示。軟管首端共出現(xiàn)2次鵝頸接頭翻轉(zhuǎn)作業(yè)。首次鵝頸接頭翻轉(zhuǎn)是為了在甲板上完成接頭與軟管的連接，在專門設(shè)計(jì)的桁架中進(jìn)行。出海前，項(xiàng)目對(duì)甲板上鵝頸接頭翻轉(zhuǎn)作業(yè)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)吊車大鉤干涉和桁架/起重葫蘆受側(cè)向力變形等問題。項(xiàng)目根據(jù)試驗(yàn)情況和設(shè)計(jì)校核結(jié)果更換起重葫蘆規(guī)格，并通過側(cè)向牽引限制大鉤的擺蕩。在此建議未來項(xiàng)目必須在動(dòng)員階段完成該項(xiàng)翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)，并且白班和夜班作業(yè)人員都至少完成一次翻轉(zhuǎn)訓(xùn)練。首端鵝頸在水下需要進(jìn)行第二次翻轉(zhuǎn)，以便接頭連接界面調(diào)整為豎直向下，角度誤差控制不應(yīng)超過2°，方便鵝頸RT組合直接坐放到水下結(jié)構(gòu)上并完成連接和二次鎖定。軟管接頭翻轉(zhuǎn)如圖4和圖5所示。

圖3 桁架

圖4 軟管接頭翻轉(zhuǎn)(甲板上作業(yè))

圖5 軟管接頭翻轉(zhuǎn)(水下作業(yè))

2.2 乙二醇填充

在甲板上當(dāng)軟管末端完成與鵝頸接頭連接后，應(yīng)進(jìn)行軟管乙二醇填充作業(yè)。未來開井生產(chǎn)時(shí)乙二醇改變水溶液或水合物相的化學(xué)位，使水合物的形成條件移向較低的溫度或較高的壓力范圍，從而提高水合物生成的條件，降低水合物造成管線堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。考慮一旦軟管連接井口與管匯后，因管線兩端無法安裝收發(fā)球裝置，將無法進(jìn)行該部分管線的通球清管/惰化[8]，因此軟管末端下放前是填充乙二醇的最佳時(shí)機(jī)。

2.3 沙袋造彎

水下每口井擁有多條管線(包括2條電飛線、1條液飛線、1條乙二醇飛線和1條短距離軟管)，造成井口區(qū)域內(nèi)非常擁擠，各條管線都必須敷設(shè)在其設(shè)計(jì)路由上，避免管線之間出現(xiàn)交叉和干涉。同時(shí)由于軟管在深水環(huán)境下各結(jié)構(gòu)層之間摩擦力增大，軟管彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度隨層間摩擦力變化表現(xiàn)出成倍增加的現(xiàn)象，為實(shí)現(xiàn)軟管安裝在其設(shè)計(jì)路由上，軟管弧形或S形部分路由采用沙袋造彎措施，即使用沙袋對(duì)各相鄰管線進(jìn)行有效的分隔和限制，如圖6所示。

圖6 沙袋造彎

2.4 壓力帽解脫

深水作業(yè)的一個(gè)特點(diǎn)，就是經(jīng)常面對(duì)深水環(huán)境條件下靜水壓力對(duì)密封裝置造成液壓鎖問題，對(duì)壓力帽解脫及壓力接頭連接造成困難，甚至出現(xiàn)接頭損壞，如圖7所示。按照壓力帽(見圖8)設(shè)計(jì)原理，向上提壓力帽時(shí)，外罩上升將使作為限制機(jī)構(gòu)的簧閂具備一定自由度，繼續(xù)提升壓力帽則壓力帽和簧閂退行，接頭與結(jié)構(gòu)接頭界面脫離，壓力帽完成解脫。在其中一口井壓力帽解脫操作時(shí)，簧閂未被擠出，其原因是壓力帽與水下結(jié)構(gòu)形成密封空間，空間壓力為1個(gè)大氣壓，外部靜水壓力將壓力帽壓在水下結(jié)構(gòu)的連接界面處不能動(dòng)彈。通過旁路加壓使壓力帽內(nèi)部壓力與外部壓力實(shí)現(xiàn)平衡，同時(shí)謹(jǐn)慎操作，在限制最大提升拉力的情況下緩慢提升壓力帽，實(shí)現(xiàn)壓力帽解脫。深水作業(yè)須特別考慮靜水壓力影響，在保證工藝系統(tǒng)密封完整性的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)可靠的(裝置)內(nèi)外部壓力平衡系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)液壓鎖定隱患。

圖7 深海靜水壓力破壞螺紋

圖8 壓力帽示例

3 結(jié) 論

所述深水軟管+鵝頸接頭組合在國(guó)內(nèi)鮮有應(yīng)用，必須強(qiáng)調(diào)該方案對(duì)叢式井連接另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，即軟管能夠繞行連接外圍井口，通常其自身不存在懸跨處理的問題。使用垂直敷設(shè)系統(tǒng)安裝一條短距離軟管平均用時(shí)約2.4 d，最少用時(shí)1.9 d，相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明這0.5 d主要差別在保障軟管路由安裝精度和第二端鵝頸接頭精確就位方面，究其原因是軟管彎曲剛度對(duì)不同路由的軟管安裝時(shí)間影響不一致，即拐點(diǎn)越少則影響越小，拐點(diǎn)彎曲半徑越大影響越小。同時(shí)必須指出的是，軟管優(yōu)化方案提出的時(shí)機(jī)稍晚，來不及對(duì)井位作出相應(yīng)調(diào)整，所有困難都由軟管安裝環(huán)節(jié)進(jìn)行消化，因此，建議對(duì)軟管方案與井口布置方案同時(shí)進(jìn)行考慮，以避免出現(xiàn)技術(shù)挑戰(zhàn)難以消化的情況。