宋艷磊,郭 慶,高慶有,甘惠良,柴昕辰

海洋石油工程股份有限公司,天津 300461

0 引言

在1 500 m水深的條件下,須從水面的鋪管船上將海管棄管至海底指定的設(shè)計位置,并要求誤差在±1.5 m內(nèi),難度非常大.常規(guī)方案需要先將海管臨時棄管至海底,并保證海管端部在海底長基線水聲定位系統(tǒng)(LBL)內(nèi),然后由水下遙控機器人(ROV)采用LBL系統(tǒng)測量管端的位置,然后測量距離終止點的位置,再將海管回收至鋪管船將剩余的海管鋪設(shè)完畢,此工藝終止鋪設(shè)精度較高,主要是依靠ROV定位設(shè)備的測量精度。但是在1 500 m水深完成一次棄管和回收作業(yè),需要焊接棄管封頭,安裝棄管鎖具,張力轉(zhuǎn)換,將約2 km長的海管完全棄至海底,施工工作量非常大,且施工風(fēng)險很高,施工效率低。因此,本文提出一種新的工藝技術(shù)以解決以上問題。

1 新型深水高精度終止棄管技術(shù)

在面對帶有管端結(jié)構(gòu)物或?qū)K止鋪設(shè)精度要求較高作業(yè)時,傳統(tǒng)工藝采用如下方案。①當(dāng)海管鋪設(shè)距離終止點還有4根管時,不再繼續(xù)焊接海管,而焊接臨時棄管封頭進行臨時棄管。②在臨時棄管封頭和絞車纜(AR)間連接棄管纜進行臨時棄管,當(dāng)海管著泥后,由ROV對海管的端部進行測量,由于終止點的LBL陣的測量范圍在50 m半徑左右,所以要確保海管端部到達海底后要在LBL陣的測量范圍內(nèi)。③ROV測量得到管端坐標(biāo)后,得到管端距離終止點的距離,計算出再焊接的管線根數(shù)和調(diào)整管的長度。④回收管線至作業(yè)線,完成鎖具拆除、AR絞車和張緊器的張力轉(zhuǎn)換,切割棄管封頭等工作。⑤根據(jù)測量點定位的數(shù)據(jù),計算出后續(xù)需要焊接的管線和調(diào)整管長度,最后進行管段和調(diào)整管的焊接。⑥焊接完所有管線后,在焊接終止封頭連接棄管索具、AR絞車和張緊器的張力轉(zhuǎn)換進行終止棄管,海管到達海底后,測量確認管端位置是否滿足設(shè)計要求[1]。

傳統(tǒng)工藝可以實現(xiàn)高精度的棄管,但是存在以下問題。①需要臨時棄管1次,包括焊接臨時封頭、連接棄管索具、AR絞車和張緊器張力轉(zhuǎn)換、海管通過張緊器和托管架逐步到達海底,以上工作施工量大并且時間長。②測量完畢后再回收1次,包括海管通過張緊器和托管架從海底返回作業(yè)線、AR絞車和張緊器的張力轉(zhuǎn)換、拆卸棄管索具、切除終止封頭等工作。③棄管和回收過程中施工風(fēng)險大,在張力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、海管通過托管架期間,海管沒有張緊器的夾持屬于自由不穩(wěn)定狀態(tài),海管受力張力變化大,需要從鋪設(shè)張力幾十上百噸降低至零,再從零恢復(fù)到幾十上百噸,這些都屬于高風(fēng)險操作,施工風(fēng)險高,對海況要求高[2]。

本文提出一種新工藝可成功解決以上傳統(tǒng)工藝的難題,不需要臨時棄管就可以實現(xiàn)高精度終止棄管,大大提高了施工安全性和施工效率。新工藝作出以下創(chuàng)新。①除在終止點處增加1套LBL系統(tǒng)外,在海管的著泥點也增加了1套LBL系統(tǒng),為ROV在測量海管著泥點時提供高精度定位支持。②在海管某節(jié)點處外表增加1處標(biāo)記,并保證此標(biāo)記到達著泥點時,ROV測量標(biāo)記處的實際位置,得出標(biāo)記位置和設(shè)計終點位置的直線長度,此時剩余約2～4根海管尚未鋪設(shè),以便有時間準(zhǔn)備特定長度調(diào)整管。③人工測量海管后標(biāo)記焊接的每根海管長度,以便ROV測量得出測量點和終止點直線距離后,計算出最后1根不規(guī)則的調(diào)整管長度。

2 施工流程

新型深水高精度終止鋪設(shè)工藝施工流程如圖1所示。

圖1 深水高精度終止棄管施工流程

2.1 安裝設(shè)計

在施工前須進行安裝設(shè)計,需要確定以下參數(shù)。①鋪設(shè)時靜態(tài)張力。②鋪設(shè)時動態(tài)張力。③海況適應(yīng)性分析,得出海管鋪設(shè)的允許海況。④海管鋪設(shè)疲勞分析。⑤海管懸鏈線長度。⑥海管著泥點與船張緊器距離。⑦剩余2～4根海管完成鋪設(shè)時,此時著泥點的位置即為LBL陣安裝位置。⑧ROV在著泥點測量精度。⑨海管長度測量方案。⑩調(diào)整管準(zhǔn)備方案,可現(xiàn)場預(yù)制或提前準(zhǔn)備多根不同長度的調(diào)整管。在排版圖中確定標(biāo)記管的編號和節(jié)點位置。

以在896 m水深鋪設(shè)20寸管線采用水平作業(yè)線海管鋪設(shè)(S-lay)工藝鋪設(shè)為例,經(jīng)過靜態(tài)計算分析得出關(guān)鍵參數(shù)詳見表1。從表1中得出從著泥點到張緊器的海管懸鏈線長度為1 191 m,再考慮張緊器到1站焊接站的距離約120 m,共計1 310 m,如果采用臨時棄管方案需要將AR纜和海管連接后將1 310 m的海管全部棄置海底,由于正常鋪設(shè)時由張緊器夾持為海管提供張力188 t,在通過動態(tài)計算考慮船舶在360°各個方向來和各個周期的涌浪,得出船舶可抵抗來至各個方向和周期的多大的涌浪,張緊器具有動態(tài)調(diào)整的作用,如果船舶因海況晃動劇烈時張緊器可自行調(diào)整增大或減小海管的夾持張力,以保證海管的受力安全。但是連接AR纜后鋼纜和海管屬于剛性連接,沒有張緊器的調(diào)整能力,如果此時海況惡劣就會導(dǎo)致海管受力188 t瞬間變小或正大增加海管的屈曲風(fēng)險,且張緊器和AR絞車的大張力轉(zhuǎn)換時操作風(fēng)險高,棄管索具通過托管架滾輪等易出現(xiàn)卡頓的風(fēng)險,所以臨時棄管操作一直屬于海管鋪設(shè)中高風(fēng)險的作業(yè),在惡劣天氣時盡量避免臨時棄管作業(yè)[2]。

表1 海管鋪設(shè)受力分析參數(shù)表

2.2 施工準(zhǔn)備

在完成安裝設(shè)計后,根據(jù)施工方案進行人機料準(zhǔn)備。

1)人員方面:準(zhǔn)備焊接人員、檢驗人員、防腐人員、標(biāo)記人員、ROV操作人員、定位人員、海管測量人員、技術(shù)工程師。

2)設(shè)備方面:準(zhǔn)備焊接設(shè)備、檢驗設(shè)備、防腐設(shè)備、ROV設(shè)備、USBL設(shè)備、LBL設(shè)備、激光測量儀。

3)物料方面:準(zhǔn)備焊材、防腐材料、標(biāo)記筆刷、白色防水油漆、LBL架。

2.3 LBL系統(tǒng)安裝

根據(jù)施工方案確定ROV在測量標(biāo)記點時在水下設(shè)計位置,然后由潛水支持船(DSV)攜帶LBL支撐架在設(shè)計位置就位,一般LBL陣擁有5個定位信標(biāo),由DSV船的深水吊機將5個信標(biāo)架放置在安裝位置,由ROV將支架安裝在海管標(biāo)記點的周圍,一般以海管標(biāo)記點為中心形成五邊形,LBL陣布置如圖2所示,安裝支持架完畢后,由ROV將水下定位信標(biāo)插入支架內(nèi),完成所有LBL信標(biāo)安裝后,由ROV攜帶短基線高精度定位系統(tǒng)(USBL)對每個LBL信標(biāo)進行校準(zhǔn)。然后在終止點的周圍按照同樣的方法安裝1套LBL陣用于最后管端位置的測量。

圖2 最終調(diào)整管計算示意圖

2.4 標(biāo)記點標(biāo)記

隨著海管持續(xù)鋪設(shè),在距離終止鋪設(shè)端大概2 km時,要根據(jù)安裝設(shè)計中海管懸鏈線的長度和ROV實際在著泥點監(jiān)控位置得到的海管懸鏈線實際長度,經(jīng)精確計算后在海管特定某根海管節(jié)點上使用防水油漆制作標(biāo)記,此節(jié)點的標(biāo)記要保證標(biāo)記到達著泥點時,還剩余2～4根海管待鋪設(shè),可以提前標(biāo)記,但不能晚標(biāo)記,要根據(jù)海管懸鏈線設(shè)計值和現(xiàn)場海管懸鏈線的測量值綜合評估,然后確定標(biāo)記點的位置。

2.5 海管測量

海管標(biāo)記完成后,需要將標(biāo)記點后面所有的每根海管長度全部進行精確測量,采用激光測距儀進行逐根測量,并根據(jù)每根海管上面的編號查詢出廠時的尺寸信息,然后進行雙重核對,力保現(xiàn)場測量的海管長度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,直至標(biāo)記點到達著泥點,由ROV對標(biāo)記點的位置坐標(biāo)進行測量。

2.6 標(biāo)記點測量

當(dāng)標(biāo)記點到達著泥點后,由ROV攜帶USBL信標(biāo)對標(biāo)記位置進行測量,首先確認標(biāo)記點是否在事先已經(jīng)安裝的LBL陣內(nèi),并確認標(biāo)記點是否已經(jīng)通過著泥點并完全著泥穩(wěn)定,ROV利用周圍的LBL高精度信標(biāo)對本身攜帶的USBL信標(biāo)進行校準(zhǔn),多次校準(zhǔn)后得到誤差在毫米級的標(biāo)記點位置,通過此標(biāo)記點的坐標(biāo)和設(shè)計終點坐標(biāo)的相對距離,得出標(biāo)記點后面的海管長度。

2.7 調(diào)整管準(zhǔn)備

通過對標(biāo)記的坐標(biāo)進行測量,可以得出標(biāo)記點和終止點之間的海管長度L,通過對標(biāo)記點后面所有海管長度的測量,得出標(biāo)記點后共鋪設(shè)的海管長度為L1,L1需要包含海管下彎段、上彎端和作業(yè)線上所有已經(jīng)焊接的海管,通過L-L1計算得出最后剩余的海管長度L2,詳見圖1中標(biāo)識,一般L2長度為2～4根標(biāo)準(zhǔn)管(長度12.192 m),然后測量最后2～4根海管的長度,從而計算出最后需要的調(diào)整管的長度,如果計算得出的調(diào)整管長度和前期已準(zhǔn)備的調(diào)整管長度偏差不大,差值滿足設(shè)計誤差要求,可以不需要現(xiàn)場再臨時制作調(diào)整管,可直接使用事先準(zhǔn)備的調(diào)整管;如已準(zhǔn)備的調(diào)整管長度不滿足計算要求,則需要將現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)管切成所需要長度的調(diào)整管。

2.8 終止棄管

在確定調(diào)整管后,最后將調(diào)整管焊接在主管線上,根據(jù)最后的管端結(jié)構(gòu)物(PLET)安裝工藝不同,如采用S-lay方式安裝則直接按照計算的長度完成主管線鋪設(shè)和終止棄管封頭焊接;如采用船舷側(cè)方式安裝,則最后1根海管應(yīng)是提前預(yù)制好的懸掛管和焊接終止棄管封頭,再使用棄管鎖具將終止封頭和AR纜連接,由鋪管船使用AR纜將海管棄至海底,由ROV再次測量確認管端已經(jīng)進入終止點的LBL陣內(nèi),然后測量海管端部的位置與設(shè)計終止點的間距,確認間距是否滿足設(shè)計誤差的要求,滿足要求后將棄管纜切斷或是將棄管纜和AR纜分離,最終完成終止鋪設(shè),等待后續(xù)結(jié)構(gòu)物安裝工作[1]。

3 結(jié)束語

采用新工藝的高精度終止棄管技術(shù)實現(xiàn)了1 500 m水深海管高精度的終止棄管技術(shù),精度可以達到厘米級,其主要誤差為海管長度人工測量誤差和海底面不平整帶來的誤差。相比原傳統(tǒng)方案,減少了一次臨時棄管和回收的工作,大大提高了海上施工效率,降低了施工風(fēng)險和海上施工成本。新工藝僅是增加了1套水下長基線高精度定位系統(tǒng)(LBL),在成本增加不大的情況下,完美地解決了傳統(tǒng)工藝在效率、風(fēng)險和成本上的難題,此工藝可以在深水領(lǐng)域高精度終止棄管的海管鋪設(shè)項目中推廣應(yīng)用。