趙秀美，樊 磊，劉 敏，由培蕾

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

1 柔性管纜簡(jiǎn)介

我國(guó)海洋油氣工業(yè)不斷向深水挺進(jìn)，柔性管纜已成為經(jīng)濟(jì)高效地開發(fā)深水油氣田的不可或缺的重要設(shè)施。柔性管纜主要包括柔性軟管、臍帶纜以及電纜。柔性軟管通常由多層聚合物層和金屬加強(qiáng)層組成，用于輸送油、氣和水等流體，將水下生產(chǎn)設(shè)施與水面生產(chǎn)平臺(tái)相連接，構(gòu)成一套完整的采輸系統(tǒng)。臍帶纜是一根綜合管線，通常由以下幾部分構(gòu)成：用于注入化學(xué)藥劑的具有強(qiáng)抗壓潰性能的軟管，用于液壓控制水下閥門的熱塑性軟管，用于傳輸信號(hào)的光纖，用于傳輸電力的電纜，抗拉力鎧甲層以及聚合物外包覆層[1]。其上端連接上部生產(chǎn)控制模塊，下端連接水下生產(chǎn)設(shè)施，以實(shí)現(xiàn)水面設(shè)施對(duì)生產(chǎn)過程的監(jiān)測(cè)和控制[2]。海底電纜則為海洋裝備的主要電力來源，為水下設(shè)施提供持續(xù)供電[3]。相比于鋼質(zhì)管線，柔性管纜具有柔韌性好、安裝方便、抗腐蝕性強(qiáng)和可回收等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有更好的經(jīng)濟(jì)性[2，4]。

柔性管纜在鋪設(shè)安裝過程中需要考慮的施工細(xì)節(jié)繁多。對(duì)于柔性軟管而言，安裝過程中操作不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致其骨架層壓潰或管體過度彎曲，對(duì)軟管造成機(jī)械損傷[5]。安裝過程中，可能導(dǎo)致臍帶纜損傷的載荷主要考慮拉壓和扭轉(zhuǎn)。應(yīng)嚴(yán)格控制臍帶纜彎曲半徑和軸向載荷，并且由于臍帶纜對(duì)扭轉(zhuǎn)載荷較為敏感，也應(yīng)嚴(yán)格控制其扭轉(zhuǎn)角度。

根據(jù)柔性管纜在甲板上的路由不同，其鋪設(shè)安裝通常有水平鋪設(shè)和豎直鋪設(shè)2種方式。水平鋪設(shè)中，柔性管纜通過水平張緊器、導(dǎo)向弧板等設(shè)備，經(jīng)安裝在作業(yè)船舶舷側(cè)或船尾的下水橋下水，甲板上鋪設(shè)路由在水平方向上，多用于淺水海域。豎直鋪設(shè)是為了解決水平鋪設(shè)過程中管纜上端承受較大彎曲和擠壓力的問題而發(fā)展出來的鋪設(shè)方法。豎直鋪設(shè)最大特點(diǎn)是作業(yè)船舶需要具備一套集成了張緊器、定位器等設(shè)備的豎直鋪設(shè)系統(tǒng)，柔性管纜經(jīng)由托輥、導(dǎo)向弧板進(jìn)入豎直鋪設(shè)系統(tǒng)，由船內(nèi)月池或者船舷以近乎豎直的方向下水。柔性管纜鋪設(shè)示意圖如圖1所示。通過豎直鋪設(shè)系統(tǒng)的應(yīng)用，管纜在定位器處只承受彎曲載荷，在張緊器處只承受拉伸載荷，避免了水平鋪設(shè)過程中柔性管纜在下水橋處承受較大的拉彎組合荷載，實(shí)現(xiàn)了管纜拉彎組合荷載的解耦，有效地改善了管纜的受力狀態(tài)，可有效提高海上作業(yè)天氣窗口，在深水鋪設(shè)安裝中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2-4]。

圖1 柔性管纜鋪設(shè)示意圖

2 豎直鋪設(shè)關(guān)鍵裝備

較水平鋪設(shè)而言，柔性管纜的豎直鋪設(shè)過程更為復(fù)雜，需要多種特殊設(shè)備協(xié)調(diào)配合，所涉及的幾種關(guān)鍵裝備介紹如下。

2.1 作業(yè)船舶

作業(yè)船舶是管纜鋪設(shè)相關(guān)裝備及其鋪設(shè)設(shè)備的載體。目前國(guó)內(nèi)外用于較深水柔性管纜鋪設(shè)的作業(yè)船舶多為帶有動(dòng)力定位能力的多功能支持船。這類船舶的普遍特點(diǎn)是：①甲板面積通常在1 000 m2以上；②動(dòng)力定位等級(jí)在DP 2或以上；③配備工作級(jí)水下機(jī)器人(ROV)系統(tǒng)。

2.2 豎直鋪設(shè)系統(tǒng)

豎直鋪設(shè)系統(tǒng)(VLS)是豎直鋪設(shè)作業(yè)中最為關(guān)鍵的裝備。該系統(tǒng)為一座由2根立柱支撐固定的豎直塔架，通常安裝在舷側(cè)、船尾或者船中月池的上方。塔架上通常集成了塔頂?shù)鯔C(jī)、塔頂導(dǎo)向輪、收放絞車、管纜定位器、張緊器、懸掛夾具、塔底梁吊、甲板絞車以及工作平臺(tái)等設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)管纜經(jīng)由甲板絞車和塔頂?shù)鯔C(jī)牽引進(jìn)入垂直鋪設(shè)系統(tǒng)后，整個(gè)鋪設(shè)過程均在塔架上完成，豎直鋪設(shè)系統(tǒng)模型圖如圖2所示。

圖2 豎直鋪設(shè)系統(tǒng)模型圖

2.3 ROV

ROV是由水面操作人員遠(yuǎn)程控制的潛水式機(jī)器人系統(tǒng)，用來替代潛水員進(jìn)行水下考察或作業(yè)，具有部署方便、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、安全可靠以及經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)勢(shì)。柔性管纜鋪設(shè)船配備的是大型工作級(jí)ROV，通常配備水下影像記錄設(shè)備、大型機(jī)械臂以及各種操作工具，能夠到達(dá)潛水員無法潛至的水深，進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)、設(shè)備安裝以及檢修等工作，在海洋油氣開發(fā)中使用廣泛。

2.4 管纜存儲(chǔ)設(shè)備

滾筒和卷管盤是對(duì)柔性管纜在運(yùn)輸和安裝期間進(jìn)行存儲(chǔ)的主要設(shè)備。滾筒是短距離管纜在運(yùn)輸和安裝時(shí)存儲(chǔ)的常用設(shè)備，滾筒實(shí)物圖如圖3所示。由于其具有方便轉(zhuǎn)運(yùn)的優(yōu)勢(shì)，因此產(chǎn)品到貨時(shí)，可以直接由吊機(jī)將碼頭或者運(yùn)輸船舶上的滾筒吊裝于管纜鋪設(shè)船，方便快捷，但是因?yàn)闈L筒裝載容量低，一般僅作為短距離管纜的存儲(chǔ)設(shè)備。卷管盤位于一個(gè)主銷上，主銷集成在基座結(jié)構(gòu)中，將自重和船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的荷載傳遞到甲板上，可以保證柔性管纜在運(yùn)輸和安裝過程中的穩(wěn)定，卷管盤模型圖如圖4所示。卷管盤上方通常都配有裝載臂，用以輔助盤纜和導(dǎo)向。相較于滾筒，卷管盤具有更大的管纜容量，可以儲(chǔ)存長(zhǎng)距離管纜，通常設(shè)置于鋪設(shè)船主甲板下，部分鋪設(shè)船也會(huì)配備2個(gè)卷管盤，提升作業(yè)能力。

圖3 滾筒實(shí)物圖

圖4 卷管盤模型圖

3 柔性管纜鋪設(shè)裝備國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況

1972年，柔性軟管首次在石油工業(yè)中得到了應(yīng)用。至今，柔性軟管在全球海洋油氣產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用已有50年的歷史[5]。柔性管纜的水平鋪設(shè)方式始于上世紀(jì)40年代，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，已在全球海洋油氣產(chǎn)業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[3]。隨著海洋油氣開發(fā)向深水的延伸，以TechnipFMC和Subsea7為代表的國(guó)外主流管纜安裝公司逐漸發(fā)展出豎直鋪設(shè)技術(shù)及配套裝備。

我國(guó)柔性管纜的鋪設(shè)安裝技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，設(shè)計(jì)和施工水平與國(guó)外尚存在一定的差距[6]。在發(fā)展初期，我國(guó)自主完成的柔性管纜鋪設(shè)安裝工作多在300 m水深以內(nèi)，且主要采用水平鋪設(shè)方式[6-7]。但隨著我國(guó)首艘具備豎直鋪設(shè)能力的柔性管纜鋪設(shè)船“海洋石油286”的建成，我國(guó)真正具備了獨(dú)立自主的柔性管纜豎直鋪設(shè)能力，“海洋石油286”先后完成了我國(guó)南海文昌9-2/9-3/10-3項(xiàng)目柔性軟管的鋪設(shè)，流花29-1、流花16-2以及陵水17-2等項(xiàng)目的柔性軟管和臍帶纜的鋪設(shè)，標(biāo)志著我國(guó)成功掌握柔性管纜豎直鋪設(shè)技術(shù)，并不斷刷新國(guó)內(nèi)鋪設(shè)記錄。表1為全球典型柔性管纜豎直鋪設(shè)船及其主要參數(shù)。

表1 全球典型柔性管纜豎直鋪設(shè)船及主要參數(shù)

4 柔性管纜豎直鋪設(shè)典型方案

盡管柔性軟管、臍帶纜和海底電纜的功能、產(chǎn)品參數(shù)以及輔助附件各不相同，但是3種管纜的豎直鋪設(shè)流程都可大致分為5個(gè)主要步驟：倒纜作業(yè)、開始鋪設(shè)、正常鋪設(shè)、終止鋪設(shè)和水下回接。開始鋪設(shè)前和完成鋪設(shè)后還會(huì)分別進(jìn)行鋪設(shè)預(yù)調(diào)查和后調(diào)查環(huán)節(jié)?，F(xiàn)以深水軟管鋪設(shè)實(shí)際工程方案為例，對(duì)柔性管纜豎直鋪設(shè)安裝的流程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1)軟管首端出艙。連接甲板絞車與預(yù)先安裝在軟管上的拖拉網(wǎng)套，使用甲板絞車將軟管牽引出艙，并固定在管槽上，軟管首端出艙模型圖如圖5所示。

圖5 軟管首端出艙模型圖

2)軟管首端過垂直鋪設(shè)系統(tǒng)。下放服務(wù)吊機(jī)并連接軟管接頭。初始化絞車提供軟管前進(jìn)動(dòng)力并將其提起，吊機(jī)輔助提升軟管接頭，保證接頭不會(huì)刮蹭旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向輪。

待軟管拖拉網(wǎng)套完全通過甲板補(bǔ)償器，關(guān)閉甲板補(bǔ)償器。當(dāng)軟管接頭到達(dá)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向輪入口處時(shí)，停止提升軟管，在甲板上連接甲板絞車與預(yù)裝的第二個(gè)拖拉網(wǎng)套，使用初始化絞車和服務(wù)吊機(jī)將軟管接頭旋轉(zhuǎn)通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向輪，甲板絞車不帶力僅跟隨，在軟管接頭通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向輪后，服務(wù)吊機(jī)保持松弛狀態(tài)，拆除軟管接頭，關(guān)閉軟管對(duì)中器之后關(guān)閉張緊器，拆除拖拉網(wǎng)套，拆除絞車。軟管接頭到達(dá)月池后，開吊機(jī)，關(guān)緊張緊器，拆除絞車，排出軟管垂直段中的乙二醇(主要用于抑制天然氣水合物的產(chǎn)生)，以便打開拖拉頭連接鵝脖。

3)軟管首端鵝頸管連接。將高壓法蘭卡具連接軟管接頭和鵝脖，完成背試壓測(cè)試后，移出翻轉(zhuǎn)支架上部，回收軟管，使鵝脖脫離支架，再移出翻轉(zhuǎn)支架下部，進(jìn)行鵝脖通過月池校核。

4)軟管首端回接。搭設(shè)臨時(shí)平臺(tái)，安裝限彎器和陽極，然后下放鵝脖和軟管，當(dāng)鵝脖下放至水深200 m(距海面)時(shí)，下放吊機(jī)將鵝脖翻轉(zhuǎn)成回接面朝下，鵝脖翻轉(zhuǎn)過程示意圖如圖6所示。ROV監(jiān)控吊機(jī)與軟管同步下放，當(dāng)鵝脖離海底15 m時(shí)停止 ，拆除鵝脖與結(jié)構(gòu)物上的保護(hù)帽，將鵝脖移到結(jié)構(gòu)物上方進(jìn)行回接操作。

圖6 鵝脖翻轉(zhuǎn)過程

5)軟管末端出艙。末端拖拉頭放置在擋板，將軟管末端垂直段乙二醇排出，將末端25 t拖拉頭拆除、安裝300 t拖拉頭。

6)軟管末端過VLS。絞車連接拖拉網(wǎng)套，吊機(jī)連接軟管接頭。絞車提供背張力，吊機(jī)保證接頭不會(huì)刮蹭旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向輪，張緊器下放軟管，VLS吊機(jī)與絞車跟隨。VLS吊機(jī)與絞車輔助軟管接頭過導(dǎo)向輪，軟管接頭到達(dá)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向輪后，將索具轉(zhuǎn)移到A&R絞車，打開張緊器，下放接頭至月池，安裝懸掛卡子將軟管懸掛于月池。

7)2段軟管連接。將下一條軟管首端按照前述方式傳遞至月池處，進(jìn)行軟管中間接頭法蘭連接。法蘭螺栓連接后進(jìn)行螺栓液壓拉伸、背試壓測(cè)試。連接完成后，進(jìn)行正常鋪設(shè)。

8)軟管末端限彎器與陽極安裝。軟管末端下放至月池，開始安裝限彎器。提升軟管，并逐個(gè)安裝限彎器與陽極。限彎器與陽極安裝完成后，下放軟管接頭并懸掛在月池處補(bǔ)充軟管末端乙二醇。

9)軟管末端試鋪。不裝鵝脖，通過月池試鋪軟管，A&R絞車通過月池下放軟管末端。軟管距離結(jié)構(gòu)物2 m時(shí)停止，ROV記錄軟管鋪設(shè)至海底后的旋轉(zhuǎn)角度，為末端鵝脖提供連接角度。

10)軟管末端鵝脖連接。使用吊機(jī)與倒鏈起吊鵝脖，將鵝脖調(diào)平并按試鋪標(biāo)記的方向與軟管對(duì)接，安裝鋼臂索具與鵝脖連接。

11)軟管末端鵝脖下放。通過吊機(jī)和A&R絞車下放軟管末端鵝脖。

12)軟管末端回接。當(dāng)鵝脖下放至離海底15 m時(shí)，暫停下放。拆除鵝脖與結(jié)構(gòu)物上的保護(hù)帽，下放快速絞車連接至預(yù)裝的駝峰索具，最后，將鵝脖移到結(jié)構(gòu)物上方進(jìn)行回接。

5 結(jié)束語

隨著我國(guó)海洋油氣產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，南海油氣田的開發(fā)不斷推進(jìn)，柔性管纜及其鋪設(shè)安裝技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，我國(guó)獨(dú)立自主的鋪設(shè)安裝裝備及技術(shù)日漸成熟，不斷拉近與國(guó)外先進(jìn)水平的差距。發(fā)展柔性管纜豎直鋪設(shè)裝備與技術(shù)，對(duì)于我國(guó)海洋油氣開發(fā)與能源安全保障具有現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。