鋪管船功能擴展

1 S型鋪管船功能

S型鋪管船的作業(yè)流水線（如管道傳送、管段焊接、管道涂覆等）呈水平布置，所有操作都在甲板上完成，并且擁有多個焊接站，所以S型鋪管船的管道鋪設速度要高于J型鋪管船管道鋪設速度。

1.1 管道棄置回收工藝

管線棄置前，首先在管道第二端焊接 A&R拖拉接頭，然后 A&R大鉤與 A&R拖拉接頭連接。鋪管船前移，管道的張力逐漸由張緊器轉(zhuǎn)移至A&R絞車提供。管道完全脫離張緊器后，將帶有浮漂的吊帶連接至 A&R拖拉接頭，然后 A&R絞車放纜，管道在基本保持恒張力的狀態(tài)下入。管道下放至海底后，A&R絞車纜繩與 A&R拖拉接頭脫離，棄管完畢，此時，吊帶在浮漂的作用下懸浮于水中。

1.2 水下生產(chǎn)設施安裝工藝

S型鋪管船安裝水下生產(chǎn)設施時，由于有托管架的存在，水下生產(chǎn)設施不易通過托管架，使得水下生產(chǎn)設施的安裝比較困難，安裝需要對PLET以及防沉板的結(jié)構(gòu)進行特殊的設計，或使用安裝船舶來進行安裝。在管道棄置回收過程中，浮筒無法通過托管架，只能在管道脫離（回收至）托管架后安裝（拆卸）浮筒。此外，S型鋪管船無法單獨安裝水下生產(chǎn)系統(tǒng)。

2 多功能水下生產(chǎn)設施安裝系統(tǒng)設計

針對S型鋪設船不能進行水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝和不能方便地進行管道棄置回收作業(yè)，以及J型鋪管船不能單獨安裝大尺寸的水下生產(chǎn)系統(tǒng)和J型鋪設系統(tǒng)塔架提供的棄置回收作業(yè)空間狹小而導致棄置回收過程復雜等問題。設計了一套多功能水下生產(chǎn)設施安裝系統(tǒng)。使得無論S型還是J型鋪管船都能單獨地進行水下生產(chǎn)設施的安裝和便捷的進行管道的棄置回收工作。

頂部滑輪將 A&R線導入到工作臺上，主要是起導向作用。上工作平臺在PLET安裝的過程中，能夠?qū)LET進行輔助定位，此外，還能進行一些其他輔助操作。主體塔架用來支撐整個工作平臺，采用桁架式結(jié)構(gòu)保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，與甲板連接處采用柱腿式結(jié)構(gòu)，以減小工作平臺在甲板上的占地面積。下工作平臺在作業(yè)過程中為對接工作、浮筒安裝、鎖具安裝等輔助操作提供工作平臺。管道的固定裝置用來在操作過程中，對不同尺寸的管道進行固定，方便管道與其他設備對接。管道限位裝置用來限制管道在船舶運動和風浪流作用下出現(xiàn)大幅度

的擺動，從而保證焊接或者其他操作的穩(wěn)定性和操作精度。快速連接接頭用來快速連接或者拆卸主體塔架與甲板之間的連接，使得主體塔架能夠很方便地拆卸從而為甲板上的操作提供更大空間。此外，快速連接機構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠減小主體塔架與甲板之間的相對轉(zhuǎn)動。A&R限位系統(tǒng)用來在作業(yè)過程中對 A&R線進行限位，防止 A&R線出現(xiàn)大幅度的擺動以保證安裝的準確性。PLET定位孔用來在PLET安裝的過程中對PLET進行定位，以便于PLET和管道進行對接。

所設計的多功能水下生產(chǎn)設施安裝系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、占地面積小、便于拆卸等特點，同時能夠保證PLET的精確定位、限制管道大幅度的擺動，保證對接的準確性、限制 A&R線大幅度的擺動保證安裝的準確性、滿足不同管徑的管道的固定需求、并為輔助操作提供了專門工作平臺等功能。

3 新的安裝方法

3.1 管道棄置回收步驟

由于管道回收過程是管道棄置過程的逆過程，本文以管道的棄置過程為例：

1） 在甲板上（S型鋪管船）或是在J型鋪設系統(tǒng)塔架內(nèi)）在管道第2端安裝A&R拖拉接頭，安裝止屈器和陽極塊。

2） 使用吊機將管道吊裝到管道固定裝置上。

3） 閉合管道固定裝置和管道限位裝置，以防止管道大幅度的擺動。

4） 將立管頭與浮筒通過鎖具和三角板連接。

5） 使用吊機線連接浮筒上端。

6） 當連接完畢后打開固定裝置和管道限位裝置，下放管道。

7） 當下放到水面一定高度后，使用吊機將管道轉(zhuǎn)移到頂部滑輪下端并將 A&R絞車線連接在三角板上，并逐漸增加其提供張力大小。

8） 待管道所有的重力由A&R線承擔時，釋放吊機線，并打開 A&R線限位裝置。

9） 直到管道下放到海底，釋放A&R線，完成管道的棄置過程。

3.2 PLET的安裝步驟

1）S型鋪管船第1端安裝PLET。S型鋪管船進行第1端安裝PLET時，PLET的防塵板須采用特殊的結(jié)構(gòu)，最后將PLET通過托管架安裝的水底。

2）J型鋪管船第1端安裝PLET。吊機起吊并調(diào)整PLET的姿態(tài)，將PLET支架插入PLET定位孔中。對接待鋪管段與PLET；整體結(jié)構(gòu)下放，繼續(xù)管段對接工作，直到PLET接近水面。使用吊機將整體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至_J－lay塔架。將管道上端固定至張緊器或者固定裝置。繼續(xù)管道鋪設作業(yè)，直到PLET完全被下放到指定區(qū)域。

3） 第2端安裝方法（S型和J型鋪管船均適用）。將已鋪設管段通過吊機運送到管道固定裝置上，打開管道限位裝置，以防止管道大幅度的擺動。使用吊機將PLET塔架吊起，調(diào)整PLET姿態(tài)，并將PLET支架插入PLET定位孔中，同時使用頂部工作 臺 來 輔助定位，完 成 PLET與 管段對接。待對接完畢后，開啟管道固定裝置與管道限位裝置，將吊機和 A&R線使用三角板和鎖具分別連接在PLET上，使用吊機下放整體結(jié)構(gòu)。在下放過程中，逐漸增大 A&R線的張力，并將管段的張力逐漸由吊機轉(zhuǎn)移到 A&R線上，當所有的重力都轉(zhuǎn)移到 A&R線上后，開啟 A&R線限位裝置，以限制PLET在安裝的過程中出現(xiàn)大幅度的擺動。打開PLET防沉板，將控制線的自由端連接到ROV大鉤。將PLET著陸到目標區(qū)，并進行基本的測量以確定PLET的位置、朝向和傾斜度，斷開輔助纜繩，準備執(zhí)行后續(xù)工作。

3.3 水下生產(chǎn)設施的安裝步驟

1） 吊機將已鋪設管段轉(zhuǎn)移到管道固定裝置上。

2） 打開管道限位裝置，限制管道大幅度的振動。

3） 起吊并調(diào)整WSA（ILS）姿態(tài)，對接WSA（ILS）下端與固定在固定裝置上的管道。

4） 打開固定裝置，打開限位裝置，使用吊機將整體結(jié)構(gòu)運送至J型鋪設系統(tǒng)塔架或托管架。

5） 繼續(xù)進行管道鋪設作業(yè)，直到WSA（ILS）安裝到海底。

4 新方法的優(yōu)點

4.1 管道棄置回收過程

1）S型鋪管船 將浮筒的安裝由水下轉(zhuǎn)移到了水上，使得浮筒的安裝和拆卸工作較為方便，同時減小了水下操作，保證了操作穩(wěn)定性；將水平操作轉(zhuǎn)化成了豎直方向的操作，大幅減小了 A&R線的張力，保證了操作的安全性。

2）J型鋪管船 將焊接、安裝A&R拖拉接頭 、安裝浮筒等操作都從塔架內(nèi)部轉(zhuǎn)移到了甲板上，使得操作具有足夠的空間，從而保證操作的穩(wěn)定性；完全避免了浮筒在下放的過程中與塔架結(jié)構(gòu)物之間碰撞而造成的浮筒或者結(jié)構(gòu)物的損壞；將操作引入到甲板上，管道張力完全由多功能塔架承受，保證了J型鋪設系統(tǒng)的安全性。

4.2 PLET安裝

1）S型鋪管船 第1端安裝方法都一樣。S型鋪管船在進行PLET第2端安裝方法中，PLET不用再通過托管架和張緊器，確保了PLET以及托管架的結(jié)構(gòu)安全；將水平操作轉(zhuǎn)化為豎直方向的操作，大幅減小了 A&R線的張力大小，提高了操作安全性。

2）J型鋪管船 首端安裝中，不再需要設計復雜的、多自由度的PLET操作系統(tǒng)，使得操作變得簡單。使用J型鋪管船在進行第2端安裝中，PLET的安裝大小不再受到塔內(nèi)結(jié)構(gòu)的限制；完全避免了PLET在下放的過程中與塔架結(jié)構(gòu)物之間碰撞而造成的PLET或者結(jié)構(gòu)物的損害；將操作轉(zhuǎn)移到甲板上，結(jié)構(gòu)重力完全由多功能塔架承受，保證了J型鋪設系統(tǒng)的安全性。

4.3 水下生產(chǎn)設施安裝（WSA/ILS）

1）S型鋪管船 對于如WSA（ILS）細長結(jié)構(gòu)，將水平方向操作轉(zhuǎn)化為豎直方向操作，減小了甲板占地面積；WSA（ILS）不再需要通過張緊器和A&R線提供張力。

2）J型鋪管船 對于如WSA（ILS）細長結(jié)構(gòu)，將塔內(nèi)豎直方向操作轉(zhuǎn)化為甲板豎直方向操作，為 WSA（ILS）提供了更大的操作空間，解決了J型鋪設系統(tǒng)塔架結(jié)構(gòu)緊湊，空間狹小，不能方便安裝WSA（ILS）等問題；不再需要結(jié)構(gòu)復雜的PLET操作系統(tǒng)。

5 結(jié)論

1） 設計的多功能水下生產(chǎn)設施安裝系統(tǒng)能夠使S型鋪管船很方便地進行管道棄置回收作業(yè)和水下生產(chǎn)設施安裝作業(yè)；能夠讓J型鋪管系統(tǒng)便捷地進行管道棄置回收工作，并能夠安裝大尺寸的水下生產(chǎn)設施，擴展了_S－lay和_J－lay鋪管船的功能。

2） 在鋪管船安裝此裝置后，只需鋪管船就能進行管道棄置回收與水下生產(chǎn)設施的安裝工作，不需要其他安裝船進行輔助，能夠在一定程度上縮短工期和減小開發(fā)成本。此外，裝備此套裝置后，不再需要 A字架來輔助下放和安裝結(jié)構(gòu)物，也不再需要PLET操作系統(tǒng)來進行PLET和水下生產(chǎn)設施的安裝，同時將水下操作都轉(zhuǎn)移到了水上，增加了操作的穩(wěn)定性。

3） 基于設計的多功能水下生產(chǎn)設施安裝系統(tǒng)，提出了相應的管道棄置回收和水下生產(chǎn)設施安裝步驟，希望能為后期HYSY201型鋪管船和2×8000t型鋪管船配置及南海作業(yè)奠定良好的基礎。

4） 本文只對多功能水下生產(chǎn)設施進行了基本設計，下一步要開展模型試驗研究，通過試驗研究來驗證所設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全性以及所提出水下生產(chǎn)設施安裝工藝的可行性。

概述

進入 21世紀 ,海洋逐漸成為全球石油勘探的重要領域 ,據(jù)國外權(quán)威機構(gòu)預測, 未來世界油氣總儲量的 44%將來自海洋 。鋪管船的任務主要是在海底鋪設輸送石油和天然氣管道等海底管線工程。海底管線包括海底油、氣集輸管道 ,干線管道和附屬的增壓平臺 ,以及管道與平臺連接的主管等部分。其作用是將海上油、氣田所開采出來的石油或天然氣匯集起來 , 輸往系泊油船的單點系泊或輸往陸上油、氣庫站。

1 海洋石油的前景

世界深水探明油氣儲量達 440億桶油量,待發(fā)現(xiàn)深水油氣資源量超過 1000億桶油當量 。2002 ～ 2006年期間, 世界開發(fā) 100 個深水油田 , 建成 150 座浮式生產(chǎn)平臺 , 深水油氣產(chǎn)量不斷增加 。2005年, 世界深水原油產(chǎn)量達到 1.5 億噸, 比 1995年增長近 10倍 。截至 2005年底, 在中國近海六大沉積盆地發(fā)現(xiàn)66個油氣田 , 其中包括 PL19-1、LH11-1、YC13-1 等大型油(氣 )田和深水氣田 LW3 -1。其中油田主要分布在渤海珠江口 北部灣等盆地 , 氣田則主要分布在東海 瓊東南 鶯歌海等盆地 。 中國近海海域累計探明石油地質(zhì)儲量 24 1億噸 可采儲量 5 13 億噸,剩余可采儲量 2.84億噸 。超過 80%的石油儲量分布在渤海盆地。世界范圍內(nèi)的深海石油勘探開發(fā)熱潮興起于上個世紀 80年代末,雖然至今僅有 20多年歷史 ,但技術創(chuàng)新層出不窮,海洋油氣勘探開發(fā)突飛猛進,作業(yè)水深紀錄不斷刷新。上個世紀70年代,世界海洋油氣勘探開發(fā)作業(yè)水深低于200 m。最大勘探作業(yè)水深已超過3 000 m,開采作業(yè)水深已超過2000 m。深水和超深水海域的油氣資源,正成為美國、英國、挪威、巴西等國競相開發(fā)的熱點,深海油氣勘探開發(fā)被認為是石油工業(yè)發(fā)展的一個重要前沿陣地。在墨西哥灣、巴西以及西非等地,深海石油開發(fā)已經(jīng)有了極大的發(fā)展。

2鋪管船的發(fā)展歷史及趨勢

20世紀50年代,在開發(fā)淺海區(qū)油氣田時,多采用人工開出一條能通行淺水船的河道, 并在一種用浮箱拼裝而成的鋪管駁船上, 把管子組裝起來。當駁船向后移動時,焊接好的管段即滑入水中。這種鋪管駁船逐步發(fā)展成為大型鋪管船。1956年,第一艘較大型的鋪管船投入使用。船上可以堆放管材,設有吊運管子的起重設備和管段的組裝線,利用托管架作為下水滑道。這種鋪管船錨定技術較完善,可在30m深的海域作業(yè)。此后, 鋪管船不斷發(fā)展,出現(xiàn)了具有自航能力、可鋪設更大口徑管道, 且能在較深海域作業(yè)的自航式鋪管船。1965年,在開發(fā)大西洋的北海油氣田時,這種類型的鋪管船因抗風浪能力差,不能適應北海區(qū)的海況, 作業(yè)經(jīng)常被中斷。而后,經(jīng)過改良船體結(jié)構(gòu),制成半潛式鋪管船,加強了抗風浪能力。

20世紀70年代初期“喬克陶Ⅰ”號半潛式鋪管船在澳大利亞的巴斯海峽投入使用, 證明半潛式鋪管船穩(wěn)定性好,并能在120m～180m深海中進行鋪管作業(yè)。1979年半潛式“卡斯特羅10”號鋪管船,在建設由非洲阿爾及利亞經(jīng)突尼斯穿過突尼斯海峽通向歐洲意大利的輸氣管道時, 成功地在608m深的海域中鋪設了500 mm管徑的管道。

鋪管船由于受到使用范圍的限制, 不為大眾所了解, 但隨著近年來海上油氣開發(fā)的日益紅火,逐漸進入人們的視野。在20 世紀,鋪管船的設計、建造及使用主要以歐洲的荷蘭、挪威、意大利以及美國等少數(shù)幾個國家為主, 而國內(nèi)以中海油為首的海油工程公司亦只有幾艘船齡較長的改造船投入使用。20 世紀后期,以海油工程公司為主的一些國內(nèi)用戶開始大規(guī)模建造。

近年來,隨著船舶建造技術的發(fā)展,新技術的泛應用,鋪管船的發(fā)展取得很大的進步。從采用錨泊定位、作業(yè)水深僅300 m以內(nèi)淺水的鋪管船,發(fā)展到采用動力定位、能滿足3 000 m以內(nèi)作業(yè)水深的深海作業(yè)鋪管船;船只噸位也從幾千噸、到上萬噸、乃至十幾萬噸;船型從早期的單體駁船型發(fā)展為單體船、雙體船、半潛船。同時,鋪管專用裝備,如:張緊器、A&R絞車、托管架的技術進步, 為鋪管船由淺海走向深海提供了必要的保證。

3鋪管船國內(nèi)建造開發(fā)現(xiàn)狀

中海油作為海洋石油勘探開發(fā)的先驅(qū), 承擔著國內(nèi)絕大部分的海上油氣勘探、開采的任務;中石油、中石化亦在上世紀70年代先后啟動海上油氣的勘探、開采工作,但主要的開采工作集中在淺海區(qū)域。近年來,海洋石油的勘探工作取得突飛猛進的發(fā)展,勘探工作已達到或超過3 000m水深的超深水區(qū)域。隨著深海油氣田的陸續(xù)發(fā)現(xiàn), 后續(xù)開采工作已提上議程。由于適合深水油田的鉆井船、采油平臺等已相繼建成, 然而能滿足深水鋪管作業(yè)的鋪管船在國內(nèi)的建造才剛起步, 鋪管裝備的嚴重缺乏已經(jīng)影響到油田開發(fā)的連續(xù)性。

近年來,國內(nèi)加大了鋪管船的研發(fā)、建造力度, 已有部分船舶建成投產(chǎn)。如2001年交船的中海油“藍疆”號鋪管船, 該船由GUSTO設計,煙臺萊佛士船廠建造;2007年交船的廣州打撈局“華天龍”號輪(鋪管預留),該船由七★八研究所設計, 上海振華港機建造。近期在設計、建造中的有:七★八研究所為中海油設計的淺水鋪管船,該船已在振華港機開工建造,預計年底投入使用;七★八研究所為上海打撈局設計的3 800 t起重鋪管船(鋪管預留),已開工建造,預計2009年投入使用;上海船舶設計研究院為中海油設計的深水鋪管船,亦已在江蘇熔盛開工建造,預計2010年投入使用;中石油的淺水鋪管船已經(jīng)完成立項,并進入設計階段;南通亞華為SapuraAcergy公司建造的“Sapura3000”號已開工;SeaTrucks Group公司在江蘇各船廠建造的“JASCON18”、“JASCON25”、“JASCON28”、“JASCON34”號等4艘鋪管船,已完成船體建造,現(xiàn)正在新加坡安裝鋪管設備,計劃2009年投入使用;另2艘“JASCON”系列船舶也已開工建造。

4鋪管船技術難點分析

鋪管船專業(yè)特點明顯, 國外部分設計公司如GUSTO,通過幾十年設計與工程實踐的積累,已開發(fā)出一系列的船型。在國內(nèi),該類型船的研制工作才剛剛開始。由七 ★八研究所為中海油設計的淺水鋪管船項目,屬國內(nèi)首次自主研發(fā)項目,經(jīng)與海油工程公司合作,重點解決了該船主要技術參數(shù)的確定、鋪管方式的選取、船體耐波性的要求、船平臺功能要求、鋪管線設計等五方面的難點,為同類型的船舶設計積累了寶貴的經(jīng)驗。

4.1 主要技術參數(shù)的選用

對鋪管船來說, 關鍵的技術參數(shù)主要包括目標工程的鋪管水深及對應的鋪管管徑、對應海區(qū)的海況條件及符合作業(yè)的工作環(huán)境, 管線的轉(zhuǎn)運及貯存要求等主要技術要求。鋪管船作業(yè)水深一般劃分為超淺水、淺水和深水,超淺水一般指作業(yè)水深不超過30m～50m的淺海區(qū)域,淺水為作業(yè)水深不超過300m的區(qū)域,而深水鋪管船一般能滿足最大作業(yè)水深為3 000 m以內(nèi)的深海區(qū)域。鋪管管徑是指該船能鋪設的海底管線的大小,它對應的是一個管徑范圍?，F(xiàn)在主流的鋪管船能鋪設的管徑范圍一般為4″～48″,若包括涂層為4″～60″,現(xiàn)能做到最大的鋪管管徑可達60″。對一艘鋪管船來說,鋪管水深和對應的鋪管管徑直接反映了該船的鋪管能力。

工作海區(qū)的海況條件及符合作業(yè)的工作環(huán)境是鋪管船設計的關鍵參數(shù), 直接影響到船平臺能否滿足鋪管作業(yè)的要求。一般來說, 鋪管船的作業(yè)環(huán)境條件定義如下:風速<16m/s、有義波高<2.5m、波浪周期6.0 s～12 s、流速<2 kn,風向:全風向。當然,以上參數(shù)根據(jù)目標工程海域情況作適當調(diào)整。

鋪管船作業(yè)環(huán)境條件參數(shù)的高低直接反映該船的主尺度要求,并對造價產(chǎn)生較大的影響。參數(shù)偏低,滿足不了作業(yè)海區(qū)作業(yè)的要求;參數(shù)偏高,造價相應提高、運營成本上升。因此, 綜合平衡各參數(shù)指標,提出合適的作業(yè)環(huán)境條件, 是鋪管船建造成功與否的關鍵。

為滿足鋪管船連續(xù)作業(yè),同時綜合考慮管線的運輸成本,對管線的轉(zhuǎn)運及貯存要求應有具體的指標要求。為保證鋪管作業(yè)的連續(xù)性, 鋪管船一般考慮能貯存5 000 t～12 000 t的管材及相應耗材,而60″管單節(jié)管最大重量為40 t,船上通常能貯存的管線為200 ～300根。通常,鋪管作業(yè)的速度為每天3 km～8km不等,即每天消耗250～650根單節(jié)管不等(單節(jié)管管長一般為12.2m)。因此,單靠船平臺上貯存的管線很難保證工程施工作業(yè)的連續(xù)性,需考慮專用運管船隨時補充。過大的貯存量會導致船平臺主尺度過大,性能較差。因此, 應對合理的貯存量與管線補給的即時性綜合評估,提出合適的貯存量。

4.2 鋪管方式的選取

現(xiàn)在主流的鋪管方式有三種:S-Lay、J-Lay、Reel-Lay三種型式, 對應不同的鋪管水深及鋪管管線規(guī)格,鋪管方式參照以下原則選取:

(1)S-Lay適于淺水區(qū)管線鋪設, 也比較適合深水區(qū)的小管徑管線的鋪設;

(2)J-Lay在深水區(qū)大管徑管線的鋪設中有很大的優(yōu)勢;

(3)Reel-Lay在深水區(qū)小管徑管線的鋪設中有很大的優(yōu)勢。

注:“ ”號越多表明更優(yōu), “ -”號表示不適用

現(xiàn)在一般工程應用上S-Lay和J-Lay兩種鋪管方式選用較多, 但由于J-Lay方式的鋪管速度較S-Lay方式慢,通過管線入水方式的調(diào)整和托管架的設計, S-Lay方式逐漸在深水區(qū)域上也得到了良好的應用。Alseas公司曾經(jīng)有過在2 000m以上水深應用S-Lay的工程經(jīng)歷。由于Alseas公司在深水S-Lay領域取得的成功, 世界上新造鋪管船的主流船型均采用S-Lay。J-Lay方式由于系統(tǒng)簡單, 在一些深水使用的大型船舶加、改裝項目上得到很好的應用。

4.3 船體耐波性

船體耐波性能的優(yōu)劣, 直接關系到鋪管作業(yè)的有效工作時間。在鋪管作業(yè)過程中,經(jīng)常會發(fā)生管線斷裂現(xiàn)象,主要是由于受海浪等外界條件影響,船平臺的漂移與管線的受力不匹配,使管線受外力超出管線的應力水平而導致的。另外,耐波性的好壞還直接影響到船上工人的施工作業(yè)。一般來說,主要應考慮船平臺的固有橫搖周期與目標工程區(qū)域的波浪周期間的關系, 設計上應避免兩周期在同一區(qū)域內(nèi), 一般考慮有2s左右的差距。在我國南海水域,波浪的固有周期一般為7s～12s秒之間,該指標對船體耐波性設計有很高的技術難度。

4.4 船平臺功能要求

要滿足鋪管作業(yè)的要求,在鋪管船設計時需重點考慮船型選擇、作業(yè)定位、主起重機等方面的要求,以保證鋪管作業(yè)的效率。首先,從船型選擇上進行分析,現(xiàn)有的鋪管船船型一般為單體駁船型、單體船型、半潛船型等三種船型,不同的船型選擇, 適合不同的工程需要。

(1)單體駁船型,一般比較簡易,采用錨泊定位方式, 造價較便宜, 主要針對淺水、超淺水。但其機動性差,作業(yè)時需較多的輔助船舶;

(2)單體船型,設備配置一般比較考究, 大多采用動力定位和錨泊定位的組合方式, 既能以錨泊定位方式在淺水區(qū)域作業(yè), 又能以動力定位方式在深水區(qū)域作業(yè),但造價較高;

(3)半潛船型,主要鋪管對象是深水區(qū)域作業(yè), 一般采用動力定位的方式,該類型的船一般在設計時除了考慮鋪管作業(yè)外,還配有大型起重機,能滿足海上大型結(jié)構(gòu)物的吊裝, 以及有大量的人員居住艙室,可以作為平臺支持船使用。該類型船造價非常昂貴。

其次,鋪管船在作業(yè)時有準確的定位要求,現(xiàn)在的定位方式一般有錨泊定位和動力定位兩種方式。采用錨泊定位的船,由于裝機功率相對較小,船體本身亦不是很復雜,因此造價相對較低,作業(yè)時需配備2 ～3艘起拋錨船為其不停地交替起拋錨作業(yè),一般最大作業(yè)水深不超過300 m。水深過深,需配備較長的纜繩,且錨機負荷增大, 建造和運營成本上升, 鋪管效率也受影響。采用動力定位的船, 需配備較強的推進器功率,并且有些船考慮到動力定位的可靠性, 一般采用 DP-2 或 DP-3級 , 因此裝機功率較大 ,并且船體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)復雜, 技術含量相對較高 。此類船一般考慮可在深水區(qū)域作業(yè)或不能采用拋錨定位的水域作業(yè),現(xiàn)已有可滿足最大作業(yè)水深不超過3 000 m的深水鋪管船。考慮到運營成本或定位有特殊要求等因素, 部分鋪管船采用錨泊定位和動力定位相結(jié)合的方式, 能滿足普通工程的要求。而半潛船型,由于其目標工程主要是深水區(qū)域,因此基本采用動力定位的方式。

另外,鋪管船均配有供管材轉(zhuǎn)運用的起重機,起重能力一般為30 t～100 t,主要用于管材從運輸船上過駁到鋪管船, 以及從堆廠到作業(yè)線的吊運。鋪管船除配備管材運轉(zhuǎn)用的起重機外,一般均配備一定能力的主起重機。主起重機的主要功能包括:起吊本身的托管架、起吊大型作業(yè)設備、完成一些海上結(jié)構(gòu)物的吊裝。一般單節(jié)托管架重量300 t～500 t;海上安裝的中、小型結(jié)構(gòu)物, 模塊800t～1 200t, 而大型構(gòu)件有超過5 000 t。因此,對于專用的鋪管船,一般主起重機的起吊能力配置在500t以下, 此類船一般以駁船型居多;如果需要兼顧部分海上吊裝作業(yè),配備的主起重機的起吊能力考慮在1 200t ～1 600 t;在一些大型的鋪管船上,由于考慮船的適用性,該類型的船功能多樣化,主起重機的起吊能力配置可達4 000 t～8 000 t,在采用半潛船型的多功能起重鋪管船上,經(jīng)常配置兩臺主起重機。

4.5 鋪管線設計

鋪管船的關鍵在鋪管線的設計,核心技術包括管線應力分析、鋪管作業(yè)流程、托管架設計等。根據(jù)目標工程的鋪管水深要求、環(huán)境條件要求以及所要鋪設的管線大小,進行管線應力分析計算,提出船體設計坡度的要求,張緊器的數(shù)量及技術參數(shù),托管架以及各支撐滾輪的受力要求等。鋪管作業(yè)流程的布置直接關系到鋪管作業(yè)的效率,需要重點考慮管線如何上船、鋪設的是單節(jié)管還是雙節(jié)管、管線上船后的施工工藝流程、焊接站的數(shù)量及布置位置、出現(xiàn)壞焊的管線如何退管等因素。托管架連接在船艉, 用于支撐管線離開船艉后的上彎段,以保證管子在入水的時候有一個合適的彎曲度。托管架一般分為固定式和浮式兩種。由于該設備受力復雜,因此設計上有非常大的難度,同時對建造的工藝水平要求也相當高。

5 結(jié) 語

隨著國際油價的日益走高、國家石油戰(zhàn)略的實施,海洋石油的開采將進入黃金期 ,為海洋石油開發(fā)配套的大型裝備的建造成為近幾年投資的熱點。海底管線的敷設工程量急劇增加, 國內(nèi)現(xiàn)有的鋪管船已不能滿足實際工程的需要。而經(jīng)歷近幾年的技術貯備,無論是設計、建造, 還是實際工程使用等各個環(huán)節(jié),已建立起了一支比較成熟的隊伍。

概述

深水鋪管船(pipelaying vessel)是深水油氣田開發(fā)建設的主要施工裝備, 它擔負著浮式生產(chǎn)平臺的安裝、海底管線的鋪設以及立管系統(tǒng)安裝任務。隨著世界海洋石油的大面積開發(fā),對深水起重鋪管船的需求量越來越大。隨著世界海洋石油不斷向深水發(fā)展,對深水起重鋪管船的性能要求也越來越高。世界海洋石油工業(yè)的高速發(fā)展推動了深水起重鋪管船的快速發(fā)展,也帶動了起重鋪管船裝備的快速發(fā)展。

我國的深水油氣開發(fā)雖然起步較晚,但發(fā)展勢頭之猛、發(fā)展速度之快, 令世人矚目。但我國的深水油氣田開發(fā)的施工裝備與國外仍有一定的差距。近年來,國家加大了研發(fā)投入力度,相關的企業(yè)也加快了市場開發(fā)步伐,希望能夠為此提供一些有益的參考。

1深水鋪管方法

深水鋪管方法主要有S 形鋪管法(S-lay)、J 形鋪管法(J-lay)、卷筒式鋪管法(Reel lay and Carousel lay)以及垂直鋪管法(vertical lay)。其中,S-lay是淺水鋪管法的延伸, J-lay和Reel lay則是專為深水開發(fā)的兩種新的鋪管方法 ,而 Vertical lay 和Carousel lay 主要用于柔性管和臍帶纜的鋪設。

1 .1 S 型鋪管法

S-lay 鋪管時,管線在甲板或船艙內(nèi)完成焊接和焊縫的防腐保溫層/混凝土重力層施工,然后經(jīng)過懸掛在船體外的托管架入水。托管架上的管線稱為上弓段(overbend), 托管架末端至海底的管線稱為懸垂段(sagbend)。上弓段的曲線形狀是受托管架的形狀控制的, 因此, 是位移控制的。而懸垂段的曲線形狀是張力和彎矩控制的, 因此, 是荷載控制的。上弓段和懸垂段的應變(應力)是S-lay 的關鍵控制參數(shù)。因此,S-lay 鋪管船的托管架和張緊器決定了鋪管能力———直徑和水深。

由于上弓段的張力遠遠大于懸垂段,因此,上弓段的應變是S-lay控制的關鍵, 它取決于托管架形狀和控制懸垂段應變所需的張力。深水鋪管時,上弓段的應變通常大于彈性應變,產(chǎn)生一定的塑性應變, 因此, 現(xiàn)行規(guī)范要求將累計塑性應變控制在0 .3%以下。

1 .2 J 型鋪管法

J-lay 鋪管法是為解決S-lay 的上弓段大應變問題而發(fā)展起來的一種深水鋪管法,它將管線的接長作業(yè)由S-lay 的水平位置調(diào)整為豎直位置,在豎直的J-lay 塔上完成管線連接后直接入水。通過調(diào)整J-lay 塔的傾角,使管線的連接作業(yè)姿態(tài)與入水姿態(tài)相同,從而消除了S-lay 的上弓段。由于受到J-lay 塔高度的限制,J-lay 鋪管時,管線在甲板上接長至J-lay 塔可以容納的長度,然后吊至J-lay 塔完成與已鋪設段的連接,因此,J-lay 法的鋪管速度較慢。

1 .3 卷筒鋪管法

卷筒鋪管法是柔性管鋪設方法的直接拓展,它采用陸地上一次完成管線接長并纏繞到卷筒上,然后在海上展開并拉直后連續(xù)鋪入海底。根據(jù)卷筒在鋪管船上的放置方式, 卷筒鋪管法分為垂直Reel lay和水平Carousel lay。Reel lay 的卷筒立式放置 。Carousel lay 的卷筒臥式放置。由于沒有管線接長作業(yè), 從而鋪管船不需要錨泊, 因此,Reel lay法的鋪管速度快。同時,陸地的管線接長作業(yè)也大大提高了焊接質(zhì)量。但是, 由于管線的纏繞和拉直引起塑性變形, 因此, Reel lay法對管線的損傷較大,必須經(jīng)過大量的計算來確保管線的塑性應變和橢圓變形滿足規(guī)范要求。Reel lay 法的鋪管長度和直徑均受到卷筒尺寸的限制,鋪管長度是卷筒的可纏繞管線長度, 直徑則必須滿足彎曲應變和橢圓變形要求。

1 .4 其他方法

上述三種鋪管方法主要用于剛性管(rigid pipe)的鋪設, 其中Reel lay也可用于柔性管鋪設。對于柔性管和臍帶纜的鋪設, 還有Carousel lay和Verti-cal lay兩種方法,其中,Carousel lay 也可用于剛性管鋪設。Carousel lay 和Vertical lay 鋪管法與Reel lay 鋪管法相似,管線展開后經(jīng)過一個矯直機構(gòu)入水。Carousellay 的入水方式與S-lay 相似,管線矯直后經(jīng)托管架入水。Vertical lay 的入水方式與Reel lay 相似,但矯直機構(gòu)是垂直的,且管線是通過鋪管船中部的月池(moon-pool)入水的。

1 .5 鋪管方法比較

基于鋪管船,S-lay的鋪管直徑最大,Reel lay的鋪管直徑最小。Reel lay的鋪管速度最快,J-lay的鋪管速度最慢。鋪管速度的快慢主要取決于管線的接長方式,S-lay的管線接長是水平位置施工的,因此,可同時進行多條焊縫的焊接,且不同連接段的焊接和防腐保溫層/混凝土重力層施工可同時進行。J-lay的管線連接是在J-lay 塔上完成的,同時只能進行一條焊縫的焊接,而Reel lay 法在海上沒有焊接作業(yè)。

2深水鋪管船

按照鋪管方法分類,深水鋪管船可分為S-lay鋪管船、J-lay鋪管船和Reel lay鋪管船三種類型。其中, Reel lay 包括了Vertical lay 和Carousel lay 。如果按照船型分類,則可分為船型和半潛式兩種類型。

2 .1 S-lay 鋪管船

由于S-lay 鋪管法的鋪管直徑大、鋪管速度快,因而得到了廣泛的應用。世界上最多的鋪管船是S-lay鋪管船。S-lay 鋪管船有船型和半潛式兩種類型。船型S-lay 鋪管船多為商船改裝而成,如Allseas公司的Audacia系由Geeview號散貨船改裝。根據(jù)艙容的大小,深水S-lay鋪管船上一般設有7～12個工作站(work station), 包括焊接、檢測和焊縫的混凝土重力層作業(yè)工作站 。工作站中最多的是焊接站, 如Audacia的12個工作站中, 焊接站多達8 個。最少的為5 個,如Allseas 公司的Solitaire(10 個工作站)和Saipem 公司的Crawler(7 個工作站)。工作站中最少的是檢測站,一般為1個,最多也只有2個, 如Saipem公司的Castoro Otto號。

現(xiàn)場接頭的防腐保溫涂敷層/混凝土重力層工作站一般為1個,大型鋪管船最多為4個, 如Solitaire號的10個工作站中就有4個混凝土重力層工作站。工作站的數(shù)量是鋪管船的一個重要指標, 它決定了鋪管船的鋪管速度。管線接長作業(yè)中,焊接作業(yè)時間較長,因此,鋪管船上焊接站的數(shù)量最多。S-lay 鋪管船的關鍵設備是托管架和張緊器,它們決定了S-lay 鋪管船的作業(yè)水深和鋪管直徑。為了適應不同水深的作業(yè)需要, 托管架必須能夠調(diào)整曲率半徑,以調(diào)整管線的入水角。因此,托管架一般由三段組成。在調(diào)整托管架的同時,也必須調(diào)整托管架上的滾軸高度和間距, 使管線的上弓段曲率保持一致。張緊器是保持鋪管曲線形狀的主要設備,它提供平衡管線重力和控制懸垂段曲率所需的張力。因此,張緊器的能力代表了鋪管船的鋪管能力。

2 .2 J-lay 鋪管船

J-lay 鋪管船也有船型和半潛式兩種船型 。其工作站位于J-lay 塔上,J-lay 塔的傾斜角度可根據(jù)水深和張力條件調(diào)整,以確保管線的入水角與懸垂段在J-lay塔末端的切線保持一致, 形成一條光滑的J 形曲線,從而滿足懸垂段應變控制要求。具有最大J-lay塔傾角可調(diào)整范圍的鋪管船是Coflexip Stena Offshore公司的CSO Deep Blue鋪管船,這是一條J-lay 和Reel lay 兩用船型鋪管船,其J-lay 塔傾角可調(diào)整范圍為30°～90°;Heerem 公司的Balder 半潛式鋪管船的J-lay 塔傾角可調(diào)整范圍為50°～90°;而Saipem 公司的Saipem7000 半潛式鋪管船的J-lay 塔傾角可調(diào)整范圍為90°～110°。J-lay 鋪管船的甲板和J-lay 塔上均設有焊接站,管線在甲板上接長至J-lay 塔的長度,然后由專用吊架將管線放入J-lay 塔，并由J-lay 塔上的焊接站完成管線的整體接長后鋪設入水。

2 .3 Reel lay 鋪管船

Reel lay鋪管法的連續(xù)移動性質(zhì)要求鋪管船的移動性好,因此,Reel lay鋪管船均采用船型結(jié)構(gòu),Reel lay 鋪管船的鋪管能力主要取決于卷筒的尺寸和管線矯直機構(gòu)(ramp), 卷筒軸的直徑?jīng)Q定了最大鋪管直徑, 卷筒翼緣的直徑?jīng)Q定了鋪管長度。Reel lay鋪管船上沒有焊接站, 因此, 鋪設剛性(鋼)管時,最大鋪管長度為卷筒儲管能力。而鋪設柔性管或臍帶纜時,通?？刹捎脙蓚€卷筒。管線矯直機構(gòu)的能力取決于矯直機(straightener)的噸位。Reel lay 鋪管船分為剛性管鋪管船和柔性管鋪管船,一般的鋼性管鋪管船也可鋪設柔性管或臍帶纜,但柔性管鋪管船則不能鋪設剛性管, 一般的柔性管鋪管船均裝載兩個以上的卷筒。

2 .4 其它鋪管船

其它鋪管船主要包括Carousel lay 鋪管船和Vertical lay 鋪管船。 Sealion 公司的Toisa Perseus 號多功能工程船,它配有2 個Carousel lay 卷筒和5 個Vertical lay 卷筒,因此,具有Carousel lay 和Vertical lay 鋪管能力。

3 結(jié) 語

基于對深水鋪管方法和國外深水鋪管船及其裝備的分析, 介紹了國外深水鋪管技術和鋪管船的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢,分析了不同鋪管方法的鋪管種類和適用范圍, 比較了不同鋪管方法的特點和用途。在對深水鋪管方法分析比較的基礎上,通過對國外的深水鋪管船及其部分裝備進行了較詳細的介紹。希望能夠?qū)ξ覈暮Ｑ蠊こ?特別是深水海底管線和立管工程的研究與工程應用提供借鑒和參考。

通常情況下，起重鋪管船按不同類型可以分為三種。按自航和非自航可以分為：（1）自航起重鋪管船；（2）非自航起重鋪管船。按鋪管方式和起重臂旋轉(zhuǎn)方式分為：（1）旋轉(zhuǎn)式起重臂J型起重鋪管船；（2）旋轉(zhuǎn)式起重臂S型起重鋪管船；（3）固定式起重臂浮筒型起重鋪管船；（4）固定式起重臂J型起重鋪管船；（5）固定式起重臂S型起重鋪管船；（6）旋轉(zhuǎn)式起重臂浮筒型起重鋪管船。按船型分為（1）駁船式起重鋪管船；（2）普通船型起重鋪管船；（3）半潛式起重鋪管船 。2100433B

現(xiàn)在主流的鋪管船作業(yè)方式有兩種，一種是在指定位置埋設一個固定錨，用一根連接鋼絲繩，兩端分別與埋設地錨和管子拖拉頭相連接，鋪管船靠近平臺，當連接鋼纜張緊后，通過向前移船來下放管道；另一種是將一個導向滑輪拴在導管架底部導管上，鋪管船的收放絞車的鋼纜穿過海底導向滑輪后，跟管子拖拉頭相連，鋪管船離平臺較遠，當收、放絞車的鋼纜張緊后，并要求設定張力，鋪管船原位固定不動通過絞車收纜來下放管道，當管子拖拉到達預定位置時，用一根連接鋼纜取代收放車鋼纜后收回絞車的鋼纜，開始進入正常鋪管作業(yè)。

起重鋪管船的主要任務是在海底鋪設輸送石油和天然氣管道、海上大型結(jié)構(gòu)物吊裝等工程。海底管線包括海底油、氣集輸管道，干線管道和附屬的增壓平臺，以及管道與平臺連接的主管等部分，其作用是將海上油、氣田所開發(fā)出來的石油或者天然氣匯集起來，輸往系泊油船的單點系泊系統(tǒng)或輸往路上油、氣庫站。