方 霖，高 原，石錦坤，楊 盛，段立志

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518054)

0 引 言

鋼懸鏈線立管(Steel Catenary Riser，SCR)在國外應用于海洋油氣開發(fā)已有超過20年的歷史[1]。SCR具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝建造成本較低、對浮體運動有較大適應性、適應高溫高壓工作環(huán)境等特點，廣泛應用于墨西哥、西非等地深海油氣田開發(fā)，適用于各類型平臺，適用水深達3 000 m[2]。

國內(nèi)對深水SCR技術(shù)的研究起步較晚，尚無實際工程應用記錄[3]，但有望于近年在陵水17-2氣田開發(fā)中得到實際應用。國內(nèi)研究涉及SCR設(shè)計及安裝的諸多方面，如尺寸設(shè)計、結(jié)構(gòu)強度、渦激振動、疲勞分析、安裝技術(shù)等。

通過文獻研究，對國內(nèi)SCR安裝回接相關(guān)工作進行介紹和分析，并結(jié)合國內(nèi)SCR發(fā)展趨勢，提出幾點建議。

1 SCR構(gòu)成及安裝回接概述

SCR的結(jié)構(gòu)構(gòu)成隨設(shè)計的不同而不同，主要包括柔性接頭(或應力接頭)、柔性接頭延伸管、SCR管體等。其中，柔性接頭上端為法蘭，在SCR安裝及拆卸時可連接SCR拖拉頭，在SCR回接至懸掛結(jié)構(gòu)后可連接其他管線。柔性接頭及其延伸管組裝在一起，一般由專業(yè)廠家制造提供；SCR管體為多段鋼管焊接，管段一般由工廠預制后運至現(xiàn)場，為防止渦激振動，SCR管體上需安裝螺旋列板。圖1和圖2分別為典型SCR構(gòu)成示例和實物照片。

圖1 SCR整體構(gòu)成示例

圖2 SCR實物(柔性接頭端)

SCR安裝回接主要包括鋪設(shè)過程和回接過程。其中：鋪設(shè)過程基本與常規(guī)鋼制硬管的鋪設(shè)相同，不同之處在于存在SCR首末端安裝差異及增加螺旋列板安裝；回接過程則涉及SCR最終安裝至各類型目標平臺。根據(jù)安裝方法的不同，鋪設(shè)過程可能涉及鋪設(shè)后的海底濕存，從而相應地涉及回接之前海底的回收工作。

根據(jù)海洋環(huán)境特點、回接平臺類型等因素的不同，SCR安裝回接后的設(shè)計形態(tài)也有多種類型，包括簡單懸鏈線立管、緩波形立管、陡波形立管和L形立管等4種基本形式，如圖3所示。

圖3 SCR基本形式示例

2 國外SCR近年安裝回接技術(shù)概述

Heerema Marine Contractors公司在2008年采用起重船進行某張力腿平臺8根SCR的回收安裝，油田位于墨西哥灣，水深為1 350 m[4]。8根SCR外徑范圍為6～16英寸(1英寸=0.025 4 m)。在安裝過程中，SCR預鋪設(shè)、水下傳遞、懸掛回接等過程采用創(chuàng)新技術(shù)：使用焊接馬眼連接鋼絲繩(見圖4)；采用液壓卸扣等新工藝；設(shè)備選型和索具設(shè)計均有借鑒意義。

圖4 焊接馬眼連接鋼絲繩

Genesis Oil and Gas公司在2014年對鋼質(zhì)緩波形立管(Steel Lasy Wave Riser，SLWR)及常規(guī)型SCR進行基于強度及疲勞性能的對比分析[5]。對SLWR還進行基于安裝步驟的模擬分析，提出適合墨西哥灣的一種SLWR安裝方案。方案中，SLWR和常規(guī)型SCR回接在2個Spar平臺的I形套管上，水深均約1 500 m。SLWR和常規(guī)型SCR有2種安裝方式，一種是首端安裝回接，另一種是末端安裝回接。在首端安裝回接中，SCR首端連接牽引纜，通過牽引纜回接至平臺后，開始進行SCR鋪設(shè)。在末端安裝回接中，首端連接靜態(tài)海管進行鋪設(shè)，末端濕存海底后，回收安裝回接。

Subsea 7公司在SCR安裝方面有著豐富的施工經(jīng)驗，對S-Lay、J-Lay和Reel-Lay等3種方式的SCR安裝技術(shù)均較為成熟。Subsea 7公司的J-Lay和Reel-Lay技術(shù)最早可追溯到2000年的巴西Roncador項目。在2009年的BC-10項目中，Subsea 7公司安裝了鋼質(zhì)緩波形立管，提出改善SCR疲勞問題的一種新構(gòu)型。在2014年Santos盆地的超深水項目Sapinhoa和Lula NE項目中，Subsea 7安裝了27根SCR，并將普通SCR形式升級為浮體支撐立管(Buoy Supporting Riser，BSR)形式(見圖5)，從而克服超深水SCR安裝的挑戰(zhàn)[6]。在2016年的Coulomb項目中，Subsea 7公司安裝1根SCR，在平臺懸掛模塊上采用1套卡子系統(tǒng)，該卡子系統(tǒng)為對稱式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有齒狀構(gòu)造，通過這種齒狀構(gòu)造克服SCR懸掛張力，這與傳統(tǒng)的SCR懸掛卡子有明顯不同[7]。

圖5 Sapinhoa和Lula NE項目BSR模型

3 國內(nèi)SCR安裝回接方法

3.1 SCR安裝回接方法分類

國內(nèi)學者提出SCR常用的安裝方法主要有預鋪設(shè)法(pre-lay)、后鋪設(shè)法(post-lay)和后建造法(post-construct)[8]。其中：預鋪設(shè)法與后鋪設(shè)法的區(qū)別在于平臺安裝與SCR鋪設(shè)的先后順序；后鋪設(shè)法與后建造法的區(qū)別在于SCR鋪設(shè)相對于平臺的起始方向。預鋪設(shè)法：SCR鋪設(shè)濕存于海底后再進行平臺安裝，最后將SCR回收并回接至平臺。后鋪設(shè)法和后建造法：平臺安裝就位后再進行SCR安裝回接，后鋪設(shè)法SCR自平臺遠端開始鋪設(shè)，后建造法SCR自平臺近端開始鋪設(shè)。

3.2 SCR安裝回接過程劃分

國內(nèi)學者對SCR安裝各階段的叫法不盡相同，但內(nèi)涵一致；在安裝過程中，索具的叫法也不盡相同，有吊纜、A&R纜、索具等，均可理解為SCR安裝回接索具或其構(gòu)成部分。

對于預鋪設(shè)法，SCR安裝回接過程一般分為鋪管、末端棄放、海底提升、穿越拖拉、懸掛等5個步驟。SCR海底提升過程分為移船和收纜同步進行的耦合方案，以及移船和收纜不同步的非耦合方案。在這5個步驟中，鋪管和末端棄放可理解為SCR鋪設(shè)濕存于海底的過程，海地提升、穿越拖拉和懸掛可理解為SCR回收回接的過程。

也有學者將SCR整個安裝過程分為鋪設(shè)階段、提管階段和移管階段[9-10]。其中：鋪設(shè)階段為SCR鋪設(shè)濕存在海底的過程；在提管階段，SCR端部與吊纜相連，通過移船和收纜從海底回收；移管階段為SCR從安裝船轉(zhuǎn)移至平臺回接懸掛的過程。這種安裝過程的劃分與預鋪設(shè)法5個階段的劃分一致。相對而言，前者劃分方法較后者更為具體。

3.3 SCR安裝回接總體安裝方案

SCR鋪管過程中，管體與常規(guī)海管起始鋪設(shè)過程不同，起始鋪設(shè)后的流線段管體鋪設(shè)與常規(guī)海管相同。SCR安裝回接的一種鋪管方法為直接鋪管法[11]。SCR與生產(chǎn)管道相連，安裝船在一端下放安裝管道終端至海底目標位置后，鋪管船進行生產(chǎn)管道和SCR的鋪設(shè)安裝。直接鋪管法連接過程劃分為4個步驟，包括：立管在鋪管船上與管匯連接；管匯安裝船與鋪管船協(xié)調(diào)工作，鋪管船駛離安裝船，鋪出立管；立管與管匯同時下放至海底；管匯與海底基座連接。直接鋪管法可用于預鋪設(shè)法和后鋪設(shè)法的SCR管體鋪設(shè)，可作為后建造法的參考。

SCR回接過程中，一種形式是穿越平臺完成安裝回接工作，是SCR安裝回接技術(shù)的難點。國內(nèi)有基于Spar平臺的SCR穿越轉(zhuǎn)移方法的研究，可總結(jié)Spar平臺SCR穿越轉(zhuǎn)移方法的步驟如下：SCR柔性接頭回接至安裝船作業(yè)平臺上臨時懸掛，拆除柔性接頭保護罩，安裝拖拉頭等穿越轉(zhuǎn)移工具，并移船靠近平臺；安裝船下放SCR拖拉頭至一定水深，遙控無人潛水器(Remote Operated Vehicle，ROV)水下連接Spar平臺拉入纜與SCR拖拉頭；安裝船繼續(xù)下放SCR拖拉頭至一定水深，SCR載荷主要由安裝船SCR索具承擔；回收平臺拉入纜，SCR載荷逐漸由安裝船SCR索具轉(zhuǎn)移至平臺拉入纜；ROV解除安裝船SCR索具連接，完成SCR穿越轉(zhuǎn)移工作[12]。

SCR回接過程中，另一種形式是直接在平臺同側(cè)進行懸掛回接，完成安裝回接工作?；亟討覓斓难芯炕阼旒苁絊par平臺，有兩種方式：(1)通過拖拉管將SCR拉入，在Spar甲板上采用法蘭將SCR與平臺上的硬管相連接；(2)將SCR接頭與Spar上的接頭座相連接。也有研究基于半潛式平臺，采用起重機配合絞車牽拉直接將SCR接頭安裝于接頭座[13]。

3.4 SCR安裝回接設(shè)備

有學者對SCR采用S-Lay鋪管方式，在安裝過程中對托管架的受力進行研究，建立托管架與SCR相互作用的局部有限元模型，分析軸向張力、托管架曲率、輥軸夾角對立管應力和輥軸反力的影響，對托管架滾軸受力、立管受力、托管架滾軸夾角設(shè)置、托管架曲率設(shè)置得出具有參考意義的結(jié)論[14]。

比較深入的一項研究是對國內(nèi)采用S-Lay鋪管方式的鋪管船進行新增舷側(cè)SCR安裝系統(tǒng)的設(shè)計研究[15]。將SCR的安裝方法、作業(yè)船和南海海況相結(jié)合，論證舷側(cè)SCR安裝系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)由主塔架、快速連接器、SCR固定系統(tǒng)、A&R絞車纜控制系統(tǒng)、導向滑輪等模塊組成。針對這套舷側(cè)系統(tǒng)進行SCR預鋪設(shè)、后鋪設(shè)法安裝回接方案的設(shè)計，并進行水池縮尺比模型試驗，論證該系統(tǒng)進行SCR安裝回接工作的能力。

4 國內(nèi)SCR安裝回接分析

4.1 國內(nèi)SCR安裝分析概述

國內(nèi)SCR安裝回接分析主要針對SCR安裝的某些過程進行，如SCR鋪設(shè)過程、從安裝船轉(zhuǎn)移至目標平臺過程、棄管回收過程，這些大多屬于整體層面上的研究。研究對象以管徑為10英寸的SCR居多，最大達14英寸。分析的鋪管方式有S-Lay和J-Lay兩種，研究水深為1 000～3 000 m，其中，1 500 m水深的研究較多。

安裝回接影響因素有SCR自身參數(shù)(如管徑壁厚)、注水狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)(水深、波浪和海流)，安裝回接過程中SCR自身及索具的受力，適宜SCR安裝回接作業(yè)的天氣窗口，以及涉及的設(shè)備選型工作等。

4.2 SCR安裝強度分析

在基于S-Lay的SCR安裝強度分析中，有學者[16]基于Spar平臺和S-Lay鋪管船，進行SCR安裝的靜態(tài)及動態(tài)模擬，模擬水深為1 500 m，研究SCR安裝回接過程中的應力、張力及疲勞問題。研究結(jié)果表明：在鋪設(shè)階段，最大等效應力峰值出現(xiàn)在托管架區(qū)域；在提管階段，最大等效應力峰值出現(xiàn)在立管頂端與吊纜相連位置；在移管階段，最大等效應力峰值出現(xiàn)在SCR觸地點區(qū)域。

基于J-Lay的SCR安裝強度分析的文獻[17-21]則較多，研究水深最深達3 000 m。研究結(jié)果表明：在鋪設(shè)階段，立管最大等效應力峰值出現(xiàn)在立管頂部和觸地點附近位置，觸地點之前及之后的最大等效應力都急劇減??；在移管階段，立管最大等效應力峰值在立管觸地點附近位置。在SCR下放過程中，有效張力逐漸增大，在SCR末端到達井口時達到最大值，在SCR繼續(xù)下放至海床上時明顯減小，最大有效張力出現(xiàn)在SCR頂端。外徑為355.6 mm(14英寸)、壁厚為25.4 mm、材質(zhì)為API 5L X65的SCR，在模擬水深為 1 200 m的條件下，SCR焊點處允許疲勞時間達5 d。

4.3 作業(yè)天氣窗口及其他影響因素分析

SCR鋪設(shè)安裝作業(yè)窗口可通過安裝分析確定，而確定的依據(jù)歸結(jié)于特定作業(yè)天氣窗口下SCR自身及設(shè)備索具的受力問題,如SCR管線的最大彎曲應變和最大等效應力，以及安裝船上用于作業(yè)的絞車受力、平臺上的穿越鋼絲繩及牽引纜等設(shè)備索具承受的張力，進而可進行設(shè)備選型校核。

國內(nèi)學者研究發(fā)現(xiàn)，在SCR安裝回接過程中，水深、波浪、海流、鋪管船運動和注水狀態(tài)均是SCR鋪設(shè)的影響因素。在水深越大的情況下，SCR在水中懸鏈線長度越長、質(zhì)量越大，SCR頂部應力和張力也就越大。在SCR鋪設(shè)及穿越平臺轉(zhuǎn)移過程中，注水工況的管體彎曲應變在整體上大于空管工況。海流對空管工況下SCR穿越轉(zhuǎn)移的影響大于注水工況。波浪載荷會顯著增加SCR最大彎曲應變，波浪波高、周期及浪向均對SCR安裝回接過程的受力產(chǎn)生影響。迎浪及隨浪的影響較小，適宜作業(yè)天氣窗口較高，橫浪影響較大，適宜作業(yè)天氣窗口較低。波浪譜峰周期在一定范圍時，適宜作業(yè)天氣窗口較低；作業(yè)窗口與安裝船運動特征有關(guān)，安裝船垂向運動越顯著，作業(yè)窗口越低。SCR棄管回收時，注水工況下的彎曲應變大于空管空況。隨著SCR逐步回收，SCR彎曲應變會逐漸增加。

5 國內(nèi)SCR安裝回接技術(shù)工作建議

國內(nèi)SCR海上安裝回接技術(shù)的實際應用離國外先進技術(shù)仍有一定差距。安裝回接設(shè)備的開發(fā)研究較少。后續(xù)可針對薄弱環(huán)節(jié)展開相關(guān)研究工作。比如：(1)SCR安裝回接關(guān)鍵環(huán)節(jié)方案研究，包括海上施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)詳細方案的研究、相應細節(jié)處理方案優(yōu)化、實際海上施工設(shè)計和計算分析工作等；(2)安裝回接輔助構(gòu)件的研制，包括深水SCR面臨安裝船舷側(cè)臨時懸掛問題、SCR柔性接頭回收至懸掛平臺問題等；(3)SCR安裝回接索具設(shè)計，包括SCR載荷在安裝船索具和平臺索具之間的傳遞問題；(4)深水SCR索具采用ROV實際操作難度較大等問題；(5)SCR安裝回接成套設(shè)備研發(fā)配置，包括船舶資源、ROV資源、不同鋪管方式的SCR安裝鋪設(shè)系統(tǒng)等。

6 結(jié) 論

國內(nèi)深水SCR安裝回接技術(shù)的研究主要集中在整體層面上的安裝方法和安裝分析上，在關(guān)鍵安裝細節(jié)上尚需進一步研究，才能更接近實際海上安裝應用的實現(xiàn)。