楊 盛 孫 錕 傅文志 郭 飛 楊 昆

(深圳海油工程水下技術有限公司 廣東深圳 518067)

海底電纜主要用于陸地至平臺以及平臺與平臺間的通信和輸電，在海上油氣開發(fā)中應用廣泛。平臺間海纜鋪設后需要將其第二端從海底經(jīng)海纜護管抽拉到平臺，從而接入平臺海纜箱，實現(xiàn)電力輸送。目前，工程上將海纜第二端抽拉到平臺的作業(yè)方法主要有2種：①海底拖拉法，當海纜第二端靠近平臺時，在海床鋪設成S型或者Ω型，而后被抽拉到平臺；②扇形框架結(jié)構(gòu)輔助法，將海纜放置在一個扇形框架結(jié)構(gòu)中，通過吊機不斷下放扇形結(jié)構(gòu)與平臺抽拉海纜共同操作的方式，完成海纜第二端抽拉[1]。

在海纜抽拉的研究方面，Walker等[2]研究了J型護管內(nèi)立管抽拉技術，提出了抽拉力和支撐載荷的計算方法，并在一系列試驗中進行了驗證。Farid-Afshin等[3]提出了一種新型有限元方法用于J型護管抽拉的評估，該方法可以應用于多彎段的J型護管抽拉分析，相較于傳統(tǒng)的管中管接觸模型，其收斂速度更快。林臻裕 等[4]詳細介紹了海底電纜抽拉過程、二次抽拉方法及平臺布置方案，并利用SACS 軟件對設計方案進行了強度校核。岳劍峰 等[5]研究了海纜起始端抽拉上平臺的工藝方法，并對抽拉力計算、路由布置、絞車選型、測力計拉力計算等提供了詳細的計算方法。張西偉 等[6]對導管架海纜抽拉支架的結(jié)構(gòu)進行設計和有限元分析，并在實際施工中獲得了應用?？梢?，業(yè)內(nèi)針對管纜抽拉到平臺的研究主要集中在管中管接觸、抽拉力計算、抽拉方案設計等方面，但尚無抽拉過程中對海纜安裝狀態(tài)的研究，但海纜安裝狀態(tài)的布置對實現(xiàn)海纜抽拉也至關重要。

海纜的彎曲半徑小，且海纜具備一定的抗彎能力，使其在安裝過程中不易因過彎而發(fā)生破壞，所需的安裝環(huán)境容易滿足，但在第二端甩彎時受安裝工藝的影響，需要重點對其彎曲半徑做好控制。傳統(tǒng)的安裝方案一般采用扇形框架結(jié)構(gòu)法對海纜甩彎過程的彎曲半徑進行保護，在其基礎上，本文提出了一種撐桿輔助海纜第二端抽拉上平臺的方法。該方法使用撐桿輔助海纜抽拉，可有效避開周圍的海底障礙物、減少海纜和海床之間的摩擦力、減小平臺絞車的抽拉力、改善密封塞進入護管口的角度，便于鋪設安裝、提高施工作業(yè)效率。本文基于撐桿輔助海纜平臺抽拉的三維空間模型，建立了海纜路由及抽拉作業(yè)過程的基本數(shù)學模型，對U型彎鋪設、撐桿提拉海纜作業(yè)以及平臺抽拉作業(yè)關鍵問題開展研究，形成了一套海纜平臺抽拉作業(yè)分析的指導方法。

1 海纜平臺抽拉作業(yè)步驟、關鍵設計及分析模型

1.1 抽拉作業(yè)關鍵步驟

基于撐桿法的海纜平臺抽拉作業(yè)過程(圖1)，其關鍵步驟包括：①按照設計好的U形彎鋪設海纜，使海纜末端、密封塞、限彎器、拖拉網(wǎng)套位于正確位置，并連接平臺絞車鋼絲繩到海纜第二端的末端；②作業(yè)船下放撐桿，由ROV連接預設的拖拉網(wǎng)套到撐桿提拉索具，將海纜U形彎完全提離海底；③開始海纜抽拉作業(yè)，平臺絞車抽拉過程中，吊機下放海纜撐桿，并同步移船，絞車抽拉，三者配合實現(xiàn)平臺海纜抽拉作業(yè)；④抽拉完成后，將海纜余量放置路由側(cè)面，ROV完成摘鉤。

圖1 基于撐桿法的海纜平臺抽拉作業(yè)示意圖Fig.1 Illustration for pulling submarine cable onto platform with spreader bar

1.2 關鍵設計

1) 海纜U型彎設計。

該U型彎的設計(圖1a)是撐桿法輔助海纜平臺抽拉作業(yè)的核心難點之一。為便于在海床特定位置部署撐桿開展海纜抽拉作業(yè)，U型彎的長度和走向設計須滿足水深、護管長度、海纜彎曲半徑、吊機作業(yè)高度等諸多作業(yè)限制條件[7]。

根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，一般在靠近平臺護管的直線路由上設計海纜U型彎。如圖2所示，U型彎的鋪設起始點為P，U型彎中點為O，終點為Q。U型彎一般采用對稱設計，取對應弧段的圓心角θ1=θ2=π/2，θ3=π，弧段之間長度B=D。

圖2 海纜U型彎設計示意圖Fig.2 Design schematic of submarine U-type loop

海纜甩彎鋪設設計半徑R可用下式計算[8]:

R≥FTDP/(μω)

(1)

式 (1)中:μ為海纜與海床土壤之間的摩擦系數(shù)，無量綱；ω為海纜單位長度濕重，kN/m；FTDP為海纜甩彎鋪設時其觸地點處最大水平張力，kN。

U型彎3個弧線端的長度為

S1=S2=πR/2

(2)

S3=πR

(3)

為保證海纜路由通過摩擦力作用在海床上保持穩(wěn)定，直線段的長度B、D、E須大于甩彎鋪設設計半徑R。

從圖1c中可見撐桿兩側(cè)的提拉點之間的長度，近似180°的圓弧，設撐桿有效長度為d，從拖拉網(wǎng)套的位置到U型彎中點O的長度S4應滿足如下關系：

S4=πd/4

(4)

海纜第二端鋪設終止點到護管口的水平距離H一般為10～15 m，以便于鋪設和回接。護管長度為J，海纜需要抽出護管的長度為L，則有

A+S1+C=J+L

(5)

考慮到吊機作業(yè)提拉撐桿存在最大吊高限制，設U型彎最大提升高度距海床距離為hlimit，則應滿足2R+B≤hlimit。

最終抽拉完成后需要放在在海床的海纜余量長度為F，對應的弧形半徑為rw，則

F+|PQ|+H+J+L-2rw=

A+2S1+2B+S3+E

(6)

由于|PQ|=A+4R+E，則有

2B-A-C=F+H-2rw+(4-3π/2)R

(7)

當密封塞進入護管口后，為了保證剩余海纜形態(tài)不發(fā)生過彎，一般要求從拖拉網(wǎng)套到密封塞的長度要不小于15 m，即S3/2-S4+B-C≥15 m。

因此，U型彎設計除滿足上述要求外，對應的起始點P坐標為 (-(|PQ|+H)cosα,-(|PQ|+H)sinα)，終點Q坐標為 (-Hcosα,-Hsinα)。其中，電纜護管口為坐標原點，XY代表局部坐標系，其方向可參考平臺坐標系。α為護管出口段與平臺對應坐標系X軸的夾角。

2) 撐桿設計。

用于海纜提拉的撐桿(圖3)，采用一根圓管、左右兩端上下部位設置吊耳的設計，兩端吊耳分別用于連接吊機鉤頭和海纜拖拉網(wǎng)套提拉點。有效長度d為兩個吊耳板之間的距離，d應大于2 倍的海纜安裝的最小彎曲半徑，其管徑和壁厚參數(shù)取決于結(jié)構(gòu)強度分析，應能承受提拉海纜的重量。

圖3 撐桿設計示意圖Fig.3 Design schematic of spreader bar

1.3 抽拉作業(yè)分析模型

根據(jù)作業(yè)流程，典型海纜第二端平臺抽拉(以下簡稱抽拉)的分析模型可簡化為兩階段模型：①吊機提拉分析模型，模型包括作業(yè)船、吊機鋼絲繩、撐桿、索具和海纜(圖4a)，其中海纜按照設計的U型彎進行預布，通過移船和回收吊機鋼絲繩實現(xiàn)海纜從海床提拉至豎直平面；②平臺抽拉分析模型，模型包括作業(yè)船、吊機鋼絲繩、撐桿、索具、海纜、平臺絞車鋼絲繩(圖4b)，平臺抽拉階段海纜已和平臺絞車完成連接，通過移船、下放吊機鋼絲繩、回收平臺絞車鋼絲繩實現(xiàn)海纜的抽拉作業(yè)。

圖4 典型海纜抽拉分析模型Fig.4 Lifting analysis model of typical submarine cable

其中海床和海纜之間考慮法向支撐力和切向摩擦力，護管和平臺絞車鋼絲繩、海纜之間管中管定義不考慮摩擦力。

2 海纜抽拉作業(yè)分析方法

2.1 抽拉設計分析思路

海纜第二端抽拉上平臺作業(yè)設計分析整體思路：研究船位移動速度、撐桿下放速度和海纜抽拉速度之間的關系，在此基礎上通過OrcaFlex軟件完成海纜抽拉動態(tài)過程分析[9]。分析過程主要包括：①根據(jù)幾何關系和懸鏈線理論，列出相關參數(shù)的數(shù)學表達關系式，在此基礎上進行計算程序編寫，從而獲得船舶位置變化增量、撐桿高度變化增量與海纜抽拉長度變化增量之間的關系；②根據(jù)上述三項變量關系，選擇合適參數(shù)輸入Orcaflex模型中，完成海纜抽拉動態(tài)過程靜力分析和動力分析，從而獲得吊機纜繩受力、撐桿應力分布、索具受力、海纜抽拉軸向張力、海纜最小彎曲半徑、平臺絞車拉力等。根據(jù)計算結(jié)果確定海上抽拉作業(yè)容許海況，為實際海上施工提供作業(yè)參考。

2.2 抽拉作業(yè)基本數(shù)學關系

為表示海纜抽拉各變量關系，定義t1時刻，船舶位置為V1，撐桿距離海床的高度為H1bar，拖拉網(wǎng)套2的高度為H1，拖拉網(wǎng)套2到觸地點的懸鏈線長度為S1cat，海纜躺地長度為S1seabed，進入護管中的海纜長度為S1tube，拖拉網(wǎng)套2到海纜觸地點的水平投影距離為Layback1；在t2時刻，船舶位置為V2，撐桿距離海床的高度為H2bar，拖拉網(wǎng)套2的高度為H2，拖拉網(wǎng)套2到觸地點的懸鏈線長度為S2cat，海纜躺地長度為S2seabed，進入護管中的海纜長度為S2tube，拖拉網(wǎng)套2到觸地點的水平投影距離為Layback2(圖5)。

圖5 海纜抽拉各變量關系示意圖Fig.5 Schematic of variables relationship for submarine

cable pulling

船位變化增量Δvessel=V2-V1，海纜躺地長度變化增量Δseabed=S2seabed-S1seabed，拖拉網(wǎng)套2到觸地點的水平投影距離變化增量為Δlayback=Layback2-Layback1，則有

Δvessel=Δseabed+Δlayback

(8)

設f為自然懸鏈線方程函數(shù)，則可計算出懸鏈線長度如下：

S1cat=f(H1,Layback1,ω)

(9)

S2cat=f(H2,Layback2,ω)

(10)

拖拉網(wǎng)套2到觸地點的懸鏈線長度變化增量為Δcat=S2cat-S1cat=f(H2,Layback2,ω)-f(H1,Layback1,ω)，設函數(shù)F=f(H2，Layback2，ω)-f(H1，Layback1，ω)，撐桿距離海床的高度變化增量為Δbar=H2bar-H1bar=H2-H1，則有

Δcat=F(H1,Layback1,ω,Δbar,Δlayback)

(11)

進入護管中的海纜長度變化增量為Δpull=S2tube-S1tube，則有

Δpull+Δcat+Δseabed=0

(12)

根據(jù)以上關系可以得到抽拉長度的變化增量關系表達式為

Δpull=-F(H1,Layback1,ω,Δbar,

Δlayback)-Δvessel+Δlayback

(13)

2.3 抽拉過程靜、動力分析流程及作業(yè)接受標準

在吊機提拉分析階段，可設定船舶移位距離和吊機提拉撐桿高度變化比值約為1∶1，逐步細化從海床提拉U型彎到指定高度的步驟，開展靜力分析，制定施工靜態(tài)分析步驟。在平臺抽拉分析階段，根據(jù)抽拉關系表達式，編制小程序得到移船、撐桿下放、抽拉速度三者的關系，制定合適的收放參數(shù)，輸入OrcaFlex模型中。不考慮風、浪、流的作用，在時域中開展抽拉作業(yè)的仿真分析，得到每一步的靜力分析結(jié)果，從而制定抽拉分析階段的靜態(tài)分析步驟。

在上述施工靜態(tài)分析步驟基礎上，判定關鍵參數(shù)如海纜抽拉軸向張力(此處所述張力指從拖拉網(wǎng)套兩側(cè)的海纜觸底點到平臺絞車之間的海纜所受軸向張力，該值與平臺絞車提供的抽拉力相等，后文簡稱海纜張力)、吊機鋼絲繩張力、海纜最小彎曲半徑、海纜軸向壓力(海纜在觸底點處所受的壓力)等相關結(jié)果是否滿足接受標準，若不滿足則細化和修改模型，重新開展步驟設計和靜力分析。根據(jù)所獲取關鍵參數(shù)的變化趨勢，識別確定這兩個階段的臨界步驟，針對臨界步驟施加不同海況條件開展動力分析，從而獲得提拉和抽拉兩個階段的最大容許海況。海纜抽拉作業(yè)的接受標準主要包括：①張力限制條件，即海纜張力不得超過海纜最大容許張力，吊機鋼絲繩提拉張力不得超過吊機能力，平臺鋼絲繩抽拉力應小于平臺絞車能力；②彎曲半徑限制條件，即鋪設時海纜的彎曲半徑不得小于某限值；③軸向壓力限制條件，即鋪設時海纜軸向壓力不得超過某限值[10]。

3 海纜抽拉作業(yè)參數(shù)敏感性分析

3.1 海纜參數(shù)及海況條件

以國內(nèi)某電纜鋪設項目中的某一海底電纜為例，其相關參數(shù)見表1，海纜第二端的J型護管參數(shù)見表2。動態(tài)分析采用規(guī)則波，有義波高為1.5～3.5 m，譜峰周期為4～13s，浪向為0～180°，海流選擇一年一遇海流數(shù)據(jù)。第二端U型彎設計路由見圖6。U型彎中點起始高度為100～105 m，起始點到終點的距離為130 m。海纜甩彎鋪設設計半徑為20 m，撐桿長6 m，相關限制條件為：海纜軸向所受最大張力不超過103.9 kN，最小彎曲半徑不超過2.35 m；最大軸向壓力不得超過5 kN。

表1 海底電纜參數(shù)Table 1 Submarine cable parameters

表2 J型護管參數(shù)Table 2 J-Tube parameters

圖6 U型彎設計路由圖Fig.6 U-type loop design

3.2 作業(yè)參數(shù)敏感性分析

平臺抽拉海纜作業(yè)主要關注船舶位置變化增量、撐桿高度變化增量與海纜抽拉長度變化增量間的關系，使三者滿足相關操作要求。針對某工程實例，開展了參數(shù)敏感性分析，獲取三者的變化關系，為海纜實際抽拉作業(yè)提供指導。

對于海纜抽拉進入護管，根據(jù)抽拉表達式編制小程序開展模擬研究，得到不同初始狀態(tài)(不同U型彎中點起始高度)下，抽拉過程中海纜抽拉長度與船舶位置變化及撐桿高度變化的關系(圖7b)以及不同初始狀態(tài)對海纜張力安全系數(shù)(最大容許張力/模擬最大張力)和海纜彎曲半徑安全系數(shù)(模擬彎曲半徑/ 最小彎曲半徑)的影響(圖7c)?？梢钥闯觯拔恢米兓隽?、撐桿高度變化增量、海纜抽拉長度變化增量三者比值在-1.000∶-1.024∶1.849至-1.000∶-2.985∶3.626之間，不同提拉形態(tài)下三者比值隨之變化，但海纜抽拉長度變化增量維持在船舶位置變化增量和撐桿高度變化增量之和的-91%左右?？刹捎迷撽P系對實際施工進行指導，如船舶移動5 m，撐桿下放6 m，海纜抽拉長度變化為-9.9 m。所設計的抽拉步驟，海纜彎曲半徑安全系數(shù)維持為2.0～2.3倍，海纜張力安全系數(shù)為7～10，足以滿足作業(yè)要求。

圖7 不同初始狀態(tài)下海纜抽拉作業(yè)關鍵參數(shù)關系曲線Fig.7 Relationship curves of key parameters for submarine cable pulling operation under different initial states

在此基礎上開展了靜力分析，將所得結(jié)果與限制標準進行了對比(表3)，表明海纜抽拉作業(yè)靜力分析結(jié)果滿足要求。

表3 海纜抽拉作業(yè)靜力分析結(jié)果Table 3 Static analysis results for submarine cable pulling operation

3.3 海況敏感性分析

在靜力分析的基礎上，添加海況條件(波浪采用規(guī)則波，有義波高1.5～3.5 m、間隔0.5 m，波浪周期5～15 s，浪向角0～180°、間隔15°；海水表面流速取0.64 m/s)，并選擇各個階段的開始和結(jié)束步驟作為臨界步驟，開展海纜抽拉作業(yè)動力分析，得到海纜觸底點張力安全系數(shù)、彎曲半徑安全系數(shù)、最大軸向壓力隨海況的變化關系(圖8)?？梢钥闯?，在抽拉過程中，海纜張力限制條件是恒滿足的，而海纜的彎曲半徑和軸向壓力在30～130°浪向條件下是不滿足的；海纜張力安全系數(shù)和彎曲半徑安全系數(shù)隨著波高增大而降低，而海纜最大軸向壓力則隨著波高增大而增大。因此，為了保證作業(yè)安全，合適的作業(yè)天氣窗口取2.5 m有義波高、30°浪向內(nèi)。

圖8 海纜張力安全系數(shù)、彎曲半徑安全系數(shù)及最大軸向壓力隨海況變化關系曲線Fig.8 Relationship curves of submarine tension safety factor，bending radius safety factor and maximum axial compression force varies with different sea conditions

4 結(jié)論

針對撐桿輔助海纜第二端抽拉作業(yè)開展研究，建立了海纜抽拉作業(yè)各變量的基本數(shù)學關系式，提出了一套基于撐桿法進行海纜平臺抽拉作業(yè)的分析方法；海纜平臺抽拉過程關鍵參數(shù)敏感性分析表明，海纜張力和彎曲半徑安全系數(shù)隨著波高增大而降低、最大軸向壓力隨著波高增大而增大，進而給出了海纜平臺抽拉作業(yè)的合適天氣作業(yè)窗口建議，即2.5 m有義波高、30°浪向內(nèi)。目前，撐桿輔助海纜第二端抽拉上平臺的方法已在南海及東海的多個油氣田得到成功應用，該方法還將對海上浮式風電風機平臺側(cè)大阻力風纜的抽拉設計有一定借鑒意義。