王 偉，王杰文，鄔智慧，張傳奇

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著南海深水海洋油氣開發(fā)，主要采用浮式設(shè)施，如FPSO（海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船）、半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)等加水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)模式[1-2]。近年流花16-2 油田群開發(fā)項(xiàng)目（水深435 m）、陵水17-2 氣田開發(fā)項(xiàng)目（水深1 546 m）等已順利建成并投產(chǎn)。國內(nèi)首條大長度臍帶纜實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化并投入使用文昌9-2/9-3/10-3 項(xiàng)目，國產(chǎn)深水靜態(tài)臍帶纜也應(yīng)用于流花29-2 項(xiàng)目（水深750 m）。但深水動(dòng)態(tài)臍帶纜[3]仍未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，進(jìn)一步限制國內(nèi)深水油氣田的開發(fā)。加快深水動(dòng)態(tài)臍帶纜[1]的深入研究緊迫性日益突顯。本文通過深水動(dòng)態(tài)臍帶纜在南海深水項(xiàng)目A 和B 中的應(yīng)用，詳細(xì)闡述了其重要組成結(jié)構(gòu)和相關(guān)功能及參數(shù)，為動(dòng)態(tài)臍帶纜系統(tǒng)性研究提供技術(shù)支持。

1 深水動(dòng)態(tài)臍帶纜

水下生產(chǎn)系統(tǒng)中深水臍帶纜主要分為靜態(tài)臍帶纜和動(dòng)態(tài)臍帶纜，以實(shí)現(xiàn)水上生產(chǎn)設(shè)施對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制。靜態(tài)臍帶纜沿設(shè)計(jì)路由敷設(shè)在海床上，通過兩側(cè)終端連接水下生產(chǎn)設(shè)施，通常有多根，如管匯之間的干線臍帶纜、管匯與采油樹等間的支線臍帶纜。而深水動(dòng)態(tài)臍帶纜作為連接水上浮式生產(chǎn)控制系統(tǒng)和關(guān)鍵水下控制分配單元，被稱為“中樞神經(jīng)線”。具備臍帶纜供電、提供液壓、化學(xué)藥劑和信號(hào)傳輸?shù)墓δ埽煌瑫r(shí)，還需具備可靠的抗壓性及特殊結(jié)構(gòu)性能等以滿足安裝和生產(chǎn)要求和應(yīng)對(duì)復(fù)雜的受力情況，包括隨著水深增加不斷增大的水壓力和臍帶纜自重，以及海況和浮體運(yùn)動(dòng)引起的復(fù)雜動(dòng)力特性。

2 深水動(dòng)態(tài)臍帶纜應(yīng)用

深水動(dòng)態(tài)臍帶纜為一整根，由水上終端與海床間特殊構(gòu)型懸鏈線，即動(dòng)態(tài)段和敷設(shè)在海床上的靜態(tài)段組成。A 采用系泊單點(diǎn)旋轉(zhuǎn)塔式FPSO+水下生產(chǎn)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)臍帶纜安裝水深約429 m，動(dòng)態(tài)段長950 m，直徑187.1 mm，靜態(tài)段長3 227 m，直徑178.1 mm；B 采用系泊式半潛式平臺(tái)+水下生產(chǎn)系統(tǒng)，安裝水深約1434 m，直徑222 m，總長約4 938 m。2 個(gè)深水動(dòng)態(tài)臍帶纜的總體布置如圖1 所示。主要包括平臺(tái)側(cè)回接的水上終端、臍帶纜本體、動(dòng)態(tài)防彎器、浮子單元、彎曲限制器、與水下設(shè)施回接的水下終端。而A 臍帶纜還有配重單元、垂直和水平限位結(jié)構(gòu)等。

圖1 深水動(dòng)態(tài)臍帶纜總體布置

2.1 深水動(dòng)態(tài)臍帶纜本體

深水動(dòng)態(tài)臍帶纜從水上設(shè)施護(hù)管近乎垂直的小角度斜向下，在設(shè)計(jì)區(qū)段經(jīng)多個(gè)配重單元和浮體單元的合力作用，形成特殊的緩波構(gòu)形[4]，使臍帶纜從垂直狀態(tài)過渡為水平狀態(tài)，再沿海床設(shè)計(jì)路徑水平布置。在動(dòng)態(tài)段臍帶纜自重引起的拉伸載荷和波、浪、流及船體運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)彎曲載荷綜合作用影響下，該構(gòu)型可以有效地降低水上設(shè)施頂部懸掛點(diǎn)處的力，同時(shí)也可緩解上部平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和波浪作用在海床接觸段臍帶纜的影響。

A 動(dòng)態(tài)臍帶纜功能截面相同，包括11 組液壓管、3組光纖、3 組電纜，鋼絞線在外圈；而動(dòng)態(tài)段比靜態(tài)段增加了一層鎧裝鋼絞線。B 臍帶纜整體截面相同，包括12 組液壓管、4 組光纖、8 組電纜，鋼絞線在內(nèi)圈。臍帶纜功能截面如圖2 所示。

圖2 深水動(dòng)態(tài)臍帶纜功能截面

2.2 水上終端

在運(yùn)輸、安裝時(shí)對(duì)內(nèi)嵌臍帶纜進(jìn)行保護(hù)；可牽引通過護(hù)管，與護(hù)管上下端連接固定，內(nèi)部的管纜端接入平臺(tái)控制設(shè)施。主要由拖拉頭、動(dòng)態(tài)防彎器等組成，如圖3 所示。水上終端抽拉過程如下：平臺(tái)絞車牽引拖拉頭，動(dòng)態(tài)防彎器到護(hù)管下方并連接固定；拖拉頭與動(dòng)態(tài)防彎器解離分開；繼續(xù)牽引拖拉頭至上護(hù)管懸掛位置并通過安裝法蘭固定。拆除拖拉頭保護(hù)罩后，進(jìn)一步進(jìn)行臍帶纜內(nèi)部管纜與平臺(tái)控制系統(tǒng)的接入。水上終端結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 水上終端

（1）拖拉頭。拖拉頭上端裝配牽引卸扣，下端與動(dòng)態(tài)防彎器通過末端固定接頭連接。從施工船傳遞臍帶纜水上終端至平臺(tái)時(shí)，平臺(tái)絞車連接卸扣牽引拖拉頭經(jīng)護(hù)管至上端懸掛固定位置；電纜、光纖纜和液壓管等集合固定在拖拉頭內(nèi)。B 電纜及光纖纜盤繞后與液壓管集合在一個(gè)拖拉頭（長2.4 m，直徑0.7 m），裝配150 t牽引卸扣。A 電纜及光纖固定在碳鋼限彎器通道中（總長約12.7 m，直徑0.29 m），液壓管固定在懸掛拖拉頭內(nèi)（長1.2 m，直徑0.38 m）；上拖拉頭裝配55 t 牽引卸扣，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 拖拉頭

（2）動(dòng)態(tài)防彎器。動(dòng)態(tài)防彎器[5]端面裝配有法蘭，內(nèi)徑與臍帶纜適配，呈圓錐形狀能逐漸增加整體剛度，以防止在終端處過度彎曲。端面法蘭與護(hù)管下端固定連接，該區(qū)域是安裝和運(yùn)行時(shí)受力最復(fù)雜、最容易發(fā)生過彎的位置。一方面提升局部剛度，抑制臍帶纜在動(dòng)態(tài)應(yīng)用過程中的曲率突變，提高抗疲勞性能；另一方面由彈性體材料制造，確保臍帶纜曲率滿足設(shè)計(jì)要求，保護(hù)動(dòng)態(tài)臍帶纜的安全。

A 動(dòng)態(tài)防彎器（長6 480 mm，上端直徑?1 006 mm，空氣中重量2 830 kg）當(dāng)貼近護(hù)管下法蘭時(shí)，空氣潛水員使用水下索具臨時(shí)固定防彎器，并安裝緊固螺栓與護(hù)管法蘭連接；拆除臍帶纜與防彎器間的鎖緊插銷，如圖4 所示，實(shí)現(xiàn)臍帶纜拖拉頭與防彎器的解鎖分離，繼續(xù)抽拉拖拉頭至懸掛位置。

B 動(dòng)態(tài)防彎器（長8 994 mm，上端直徑?1 341 mm，空氣中重量8 570 kg）通過DBSC（無潛防彎器連接結(jié)構(gòu)）與護(hù)管下端連接，如圖5 所示。其中護(hù)管下端依次與DBSC 短節(jié)、母頭連接，臍帶纜端與DBSC 公頭連接。護(hù)管短節(jié)類同彎頭調(diào)整防彎器安裝角度。牽引拖拉頭時(shí)，DBSC 公頭進(jìn)入母頭后經(jīng)系列機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)作進(jìn)行自鎖，拖拉頭從DBSC 公頭解鎖分離，隨后繼續(xù)抽拉拖拉頭至懸掛位置，期間僅需觀查動(dòng)作狀態(tài)，無需操作。

圖5 DBSC 結(jié)構(gòu)及安裝示意圖

2.3 水下終端

A 水下終端為UTA（臍帶纜終端總成），由本體及導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)組成，將動(dòng)態(tài)臍帶纜輸送的電、液進(jìn)行水下分配，并具備水下設(shè)備的控制等功能。安裝時(shí)通過吊機(jī)輔助就位在防沉板支架上；通過ROV 進(jìn)行電飛線、液飛線等與水下設(shè)施模塊進(jìn)行連接控制，側(cè)邊的連接功能面包括2 個(gè)MQC（多功能快速接頭）、6 個(gè)光纖接頭和6 個(gè)電接頭。

B 水下終端為UTH（臍帶纜終端接頭），由本體及UTH 回接終端組成，尺寸長6.4 m×0.99 m×1.2 m，空氣中重量5.1 t，水中重量4.3 t。UTH 通過吊機(jī)輔助就位在SDU 的外伸基座上，通過ROV 專用工具將UTH 回接終端連接至SDU（水下分配單元管匯）回接終端，實(shí)現(xiàn)UTH 與SDU 的連接，如圖6 所示。

圖6 水下終端

2.4 附屬結(jié)構(gòu)

根據(jù)動(dòng)態(tài)臍帶纜工況需求和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，包括配重和浮子單元、水下終端側(cè)的限彎器、水平和垂直限位結(jié)構(gòu)等。

（1）浮子單元和配重單元，臍帶纜的緩波構(gòu)型由本體動(dòng)態(tài)段設(shè)計(jì)位置安裝的浮子單元和配重單元綜合作用下形成，結(jié)構(gòu)如圖7 所示。浮子單元內(nèi)部橡膠墊塊與臍帶纜本體緊貼，通過2 根永久聚酯纖維緊固帶鎖緊2 瓣分體。A 浮子單元（?1 230 mm×1 220 mm，532 kg）、數(shù)量32 個(gè)、安裝間距5 m、總浮力17.8 t；B 浮體單元（?1 325 mm×1 290 mm，709 kg）、數(shù)量30 個(gè)、安裝間距3.5 m、總浮力18.75 t。配重單元安裝提供附加重量，內(nèi)層為5 mm 防滑薄墊片，通過螺栓緊固2 瓣分體，滑動(dòng)阻力為30 kN，A 配重單元（?437 mm×600 mm，423.8 kg），數(shù)量19 個(gè)，安裝間距1.6 m。

圖7 浮子和配重單元

（2）限彎器與水下終端的限彎器接頭連接并固定，由多個(gè)聯(lián)鎖限彎單元組成，形成半剛性彎曲結(jié)構(gòu)，抑制超過指定最小彎曲半徑的彎曲，保護(hù)臍帶纜結(jié)構(gòu)不受損傷。A 限彎器如圖8（a）所示，由相同的限彎器單元互鎖連接，單體尺寸為?473 mm×498 mm，限彎長度3.48 m，鎖定半徑2.4 m，最大彎矩30 kNm。B 限彎器如圖8（b）所示，由限彎器及其卡子組成，尺寸為?300 mm×?224 mm×800 mm，限彎長度11.96 m，鎖定半徑6 m，最大彎矩100 kNm。

圖8 限彎器結(jié)構(gòu)

（3）動(dòng)態(tài)臍帶纜限位結(jié)構(gòu)包括水平限位和垂直限位。通過海床上已安裝結(jié)構(gòu)物與臍帶纜上裝配的限位結(jié)構(gòu)連接，限制臍帶纜偏移量在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。水平限位卡就位在防沉板的凹槽中，通過擋銷和限位柱，限制其水平移位，如圖9 所示。垂直限位卡具由臍帶纜設(shè)計(jì)位置的限位套筒和外側(cè)限位旋轉(zhuǎn)節(jié)組成，外側(cè)裝配限位旋轉(zhuǎn)節(jié)。系泊纜在水上安裝至垂直限位旋轉(zhuǎn)節(jié)，水下通過ROV 連接系泊纜至海床系泊配重的系泊連接器，提供向下的拉力，減少臍帶纜浮動(dòng)程度對(duì)水平觸泥段的疲勞影響，如圖10 所示。

圖9 水平限位結(jié)構(gòu)

圖10 垂直限位結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

通過對(duì)深水開發(fā)項(xiàng)目A 和B 應(yīng)用的深水動(dòng)態(tài)臍帶纜相關(guān)組成結(jié)構(gòu)、安裝及規(guī)格參數(shù)等系統(tǒng)總結(jié)。動(dòng)態(tài)臍帶纜的功能截面設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)組成和附屬結(jié)構(gòu)不盡相同，如水上終端的拖拉頭、防彎器、限位結(jié)構(gòu)等。為后續(xù)深水臍帶纜及相關(guān)附件的研究、設(shè)計(jì)提供更多技術(shù)支持。國內(nèi)已實(shí)現(xiàn)自主深水柔性管纜安裝能力及相應(yīng)深水施工船舶及鋪設(shè)裝備等，在深水動(dòng)態(tài)臍帶纜設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)促進(jìn)與國內(nèi)裝備的融合。