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国内外铺管方法与铺管船研究现状及发展趋势

一、 铺管方法
随着世界海洋石油的大面积开发, 对深水起重铺管船的需求垣越来越大。随着世界海洋石油不断向深水发展, 对深水起蘑铺管船的性能要求也越来越高。世界海洋石油工业的高速发展推动了深水起霞铺管船的快速发展, 也带动了起重铺管船装备的快速发展。中国的深水油气开发虽然起步较晚, 但发展势头之猛、 发展速度之快, 令世人瞩目。但中国的深水油气田开发的施工装备与国外仍有一定的差距。近年来, 国家加大了研发投入力度, 相关的企业也加快了市场开发步伐, 希望能够为此提供一些有益的参考。铺管方法主要有拖管法、 S形铺管法(S-lay)、 J形铺管法(J．1ay)、 卷简式铺管法(Reel lay and Carousel lay)以及垂直铺管法: (vertical lay)
1、 拖管法
在近海浅水区铺设海底管道时, 一般采用拖管法, 拖管法中的管道一般在路上组装场地或在浅水避风水域中的铺管船上组装成规定的长度, 然后用起吊装置将管道吊到发送轨道上, 再绑上浮筒和托管头, 用拖船将管道拖下水, 按预定航线将管道就位、 下沉, 最后将各管道对接, 完成管道铺设全过程。当前拖管法已经发展为4种方式: 浮拖、 水面下拖行、 离地拖和底托。
1.1 浮拖
浮拖是利用浮筒调节管道浮力使其漂浮在水面上, 然后再用大马力主拖牵引管道首段延既定航线航行, 尾拖轮牵引管道尾端控制其横向漂移以保证管道安全。浮拖法主要应用于海面风浪较小的海域, 受管道尺寸、 海水流速、 拖轮大小等因素限制, 每次浮拖的管道长度从几百米到几千米不等。
1.2水面下拖行
水面下拖行与浮拖法相似, 只是将管道位置调整到水面下一定深度进行拖行。与浮拖法相比, 水面下拖行的管道受风、 波浪等环境载荷的直接作用较小, 管道更安全。
1.3 离底托
离底托是利用浮筒和拖链将管道悬浮在海床以上一定高度, 再由水面拖轮进行牵引前进, 既减小了海面风浪的影响, 又避开了海底障碍和地形起伏, 因而适应范围较广离底托法中需要根据管道尺寸、 允许及还留等环境条件计算浮筒、 拖链的个数和间距, 施工工艺比较复杂。
1.4 底托
在底托中, 管道直接放置在海底由水面拖轮牵引至安放场地。这种方法施工简单, 可是受海底地形起伏和海床土壤类型等影响较大, 需要马力较大的拖轮, 一般只适用于海底平坦的海域, 管道长度和拖航距离也较短。

图1 拖管法的四种方式

2、 S型托管法
S-lay铺管时, 管线在甲板或船舱内完成焊接和焊缝的防腐保温层／混凝土重力层施工, 然后经过悬挂在船体外的托管架入水, 形成一条S形曲线。托管架上的管线称为上弓段, 托管架末端至海底的管线称为悬垂段。上弓段的曲线形状是受托管架的形状控制的, 因此, 是位移控制的。而悬垂段的曲线形状是张力和弯矩控制的, 因此, 是荷载控制的。上弓段和悬垂段的应变(应力)是S-lay的关键控制参数。因此, S-lay铺管船的托管架和张紧器决定了铺管能力——直径和水深。由于上弓段的张力远远大于悬垂段, 因此, 上弓段的应变是S-1ay控制的关键, 它取决于托管架形状和控制悬垂段应变所需的张力。深水铺管时, 上弓段的应变一般大于弹性应变, 产生一定的塑性应变, 因此, 现行规范要求将累计塑性应变控制在0．3％以下。

图2 S型铺管法 图3 J型铺管法

3、 J型铺管法
J-1av铺管法是为解决S-lay的上弓段大应变问题而发展起来的一种深水铺管法, 它将管线的接长作业由S-lay的水平位置调整为竖直位置, 在竖直的J-lay塔上完成管线连接后直接入水, 形成一条J形曲线。经过调整J-1ay塔的倾角, 使管线的连接作业姿态与人水姿态相同, 从而消除了S-lay的上弓段。由于受到J-lay塔高度的限制, J-1ay铺管时, 管线在甲板上接长至J-1ay塔能够容纳的长度, 然后吊至J-lay塔完成与已铺设段的连接, 因此, J-lay法的铺管速度较慢。

图4 Reel lay 铺管示意图 图5 Carousel lay 铺管示意图
4、 卷筒铺管法
卷筒铺管法是柔性管铺设方法的直接拓展, 它采用陆地上一次完成管线接长并缠绕到卷筒上, 然后在海上展开并拉直后连续铺人海底。根据卷筒在铺管船上的放置方式, 卷筒铺管法分为垂直Reel lay和水平Carousel lay。Reel lay的卷简立式放置。Carousel lay的卷简卧式放置。由于没有管线接长作业, 从而铺管船不需要锚泊, 因此, Reel lay法的铺管速度快。同时, 陆地的管线接长作业也大大提高了焊接质量。可是, 由于管线的缠绕和拉直引起塑性变形, 因此, Reel lay法对管线的损伤较大, 必须经过大量的计算来确保管线的塑性应变和椭圆变形满足规范要求。Reel lay法的铺管长度和直径均受到卷简尺寸的限制, 铺管长度是卷筒的可缠绕管线长度, 直径则必须满足弯曲应变和椭圆变形要求。
5、 其它方法
上述四种铺管方法主要用于刚性管(rigid pipe)的铺设, 其中Reel lay也可用于柔性管铺设。对于柔性管和脐带缆的铺设, 还有Carousel lay(见图4)和Vertical lay(见图5)两种方法, 其中, Carousel lay也可用于刚性管铺设⋯。
Carousel lay和Vertical lay铺管法与Reel lay铺管法相似, 管线展开后经过一个矫直机构入水。Carousel lay的入水方式与S．lay相似, 管线矫直后经托管架入水。Vertical lay的入水方式与Reel lay相似, 但矫直机构是垂直的, 且管线是经过铺管船中部的月池入水的。
6、 发展趋势
基于当前的铺管船, S-lay的铺管直径最大, Reel lay的铺管直径最小。Reel lay的铺管速度最快, J-1ay的铺管速度最慢。铺管速度的快慢主要取决于管线的接长方式, S-Lay的管线接长是水平位置施工的, 因此, 可同时进行多条焊缝的焊接, 且不同连接段的焊接和防腐保温层／混凝土重力层施工可同时进行。J-lay的管线连接是在J-lay塔上完成的, 同时只能进行一条焊缝的焊接, 而Reel lay法在海上没有焊接作业。
为解决海洋工程在深水油气开发所面临的众多技术难题, 国内外学者对海底管道铺设技术进行了广泛研究, 提出了很多有效地计算方法, 今后的研究方向主要有以下几方面:
( 1) 综合利用多种计算方法求解管道铺设问题, 根据不同铺管条件选择最优方法, 在满足计算精度的前提下, 是计算更有效率, 适用范围更广。
( 2) 进一步研究海流、 波浪、 内波及铺管船运动等环境载荷作用下管道的动力响应, 以及管道与铺管船之间的动力耦合问题。
( 3) 随着铺管水深越来越大, 管道承受的静水压力迅速增加, 有必要研究铺管过程中管道局部弯曲, 弯曲传播现象及管道止屈器的优化选型。
( 4) 为保证管道安全和铺管精度, 需要研究稳定、 高效的铺管监测技术及相应设备, 实现对管道结构和铺管设备的实时监测与分析, 为工作人员调整铺管参数提供参考。

二、 国内外铺管船现状
随着海洋石油天然气开发的不断深入, 海洋管道的作用显得越来越重要, 而对于海洋管道铺设的专用设备铺管船的关注程度也在不断提高。当前, 铺管船更新换代的速度明显加快, 专业化程度越来越高。国内外海洋石油开发的程度不同, 铺管船的区别也比较大。特别是国外一些发达国家, 海洋石油开发时间早, 技术先进, 不断向深海发展, 铺管能力已接近 3 000 m。深水铺管船是深水油气田开发的主要施工装备．它担负着浮式生产平台的安装、 海底管线的铺设以及立管系统安装任务。
1、 S-lay铺管船
由于S-Lay铺管法的铺管直径大、 铺管速度快, 因而得到了广泛的应用。当前, 世界上最多的铺管船是S-lay铺管船。S-lay铺管船有船型和半潜式两种类型, 分别如图6和图7所示。船型S-lay铺管船多为商船改装而成, 如Allseas公司的Audacia系由Geeview号散货船改装。表1列出了国外主要深水S-lay铺管船的技术参数。根据

图6 船型S-lay铺管船 图7 半潜式S-lay铺管船
舱容的大小, 深水S-lay铺管船上一般设有7～12个工作站(work station), 包括焊接、 检测和焊缝的混凝土重力层作业工作站。工作站中最多的是焊接站, 如Audaeia的12个工作站中, 焊接站多达8个。最少的为5个, 如Allseas公司的Solitaire(10个工作站)和Saipem公司的Crawler(7个工作站)。工作站中最少的是检测站, 一般为1个, 最多也只有2个, 如Saipem公司的Castoro Otto号。现场接头的防腐保温涂敷层／混凝土重力层工作站一般为1个, 大型铺管船最多为4个, 如Solitaire号的10个工作站中就有4个混凝土重力层工作站。工作站的数量是铺管船的一个重要指标, 它决定了铺管船的铺管速度。管线接长作业中, 焊接作业时间较长, 因此．铺管船上焊接站的数量最多。

表1 国外主要深水S-lay铺管船技术参数

S-lay铺管船的关键设备是托管架和张紧器, 如图8和图9所示。它们决定了S-lay铺管船的作业水深和铺管直径。为了适应不同水深的作业需要, 托管架必须能够调整曲率半径, 以调整管线的入水角。因此, 托管架一般由三段组成。在调整托管架的同时, 也必须调整托管架上的滚轴高度和间距, 使管线的上弓段曲率保持一致。
张紧器是保持铺管曲线形状的主要设备, 它提供平衡管线重力和控制悬垂段曲率所需的张力。因此, 张紧器的能力代表了铺管船的铺管能力。

图8 S-lay铺管船的托管架 图9 400t张紧器

2、 J-lay铺管船
J．1ay铺管船也有船型和半潜式两种船型, 如图l0和图11所示。其工作站位于J-Lay塔上, J一蛔塔的倾斜角度可根据水深和张力条件调整, 以确保管线的入水角与悬垂段在J-lay塔末端的切线保持一致, 形成一条光滑的J形曲线, 从而满足悬垂段应变控制要求。
当前, 具有最大J—lay塔倾角可调整范围的铺管船是Coflexip Stena Offshore公司的CSO Deep Blue铺管船, 这是一条J-1av和Reel lay两用船型铺管船, 其J-lay塔倾角可调整范围为; Heerem公司的Balder半潜式铺管船的J-1ay塔倾角可调整范围为 ; 而Saipem公司的Saipem7000半潜式铺管船的J-蛔塔倾角可调整范围为 。表2列出了国外主要J-lay铺管船的技术参数。J-1ay铺管船的甲板和J-lay塔上均设有焊接站, 管线在甲板上接长至J-lay塔的长度, 然后由专用吊架将管线放人J-1ay塔, 并由J-lay塔上的焊接站完成管线的整体接长后铺设入水。

图10 船型J-lay铺管船 图11 半潜式J-lay铺管船

表2 国外主要J-lay铺管船技术参数

3、 Reel lay铺管船
Reel lay铺管法的连续移动性质要求铺管船的移动性好, 因此．Reel hy铺管船均采用船型结构, 如图14. Reel lay铺管船的铺管能力主要取决于卷筒的尺寸和管线矫直机构(ramp), 卷筒轴的直径决定了最大铺管直径, 卷简翼缘的直径决定了铺管长度。Reel lay铺管船上没有焊接站, 因此, 铺设刚性(钢)管时, 最大铺管长度为卷筒储管能力。而铺设柔性管 图14 Reel lay铺管船
或脐带缆时, 一般可采用两个卷筒。
管线矫直机构的能力取决于矫直机(straightener)的吨位。
Reel lay铺管船分为刚性管铺管船和柔性管铺管船, 一般的钢性管铺管船也可铺设柔性管或脐带缆, 但柔性管铺管船则不能铺设刚性管, 一般的柔性管铺管船均装载两个以上的卷筒。表3列出了国外主要Reel lay铺管船的技术参数。

表3 国外主要Reel lay铺管船技术参数
4、 其它铺管船
其它铺管船主要包括Carousel lay铺管船和Vertical lay铺管船, 如图15和图16所示。图15是Sealion公司的Toisa Perseus号多功能工程船, 它配有2个Carousel lay卷筒和5个Vertical lay卷筒, 因此, 具有Carousel lay和Vertical lay铺管能力。表4列出了国外主要的Carousel lay和Vertical lay铺管船。

图16 Carousel lay铺管船 图17 Vertical lay铺管船

表4 国外主要Carousel lay/Vertical lay铺管船技术参数
5、 发展趋势
深水铺管技术的发展趋势足提高铺锊速度, 缩短海上施工周期, 因此, 应发展新的铺管方法和开发多功能的大型铺管船。其主要发展趋势是增大卷筒铺管的直径, 发挥卷筒铺管速度快的优势, 且一条船具有多种方法的铺管功能。图17是未来几年可能工程化的铺管方法新概念; 图18是Acergy集团 即将投入使用的Acergy Borealis号S-lay和J-lay多功能铺管船, 它的作业线上配有11个单接头作业站、 6个双接头作业站, J-lay塔上配有2个工作站。图19是Allseas公司 即将投入使用的超大型多功能工程船Pieter Schehe, 它能够从事S-lay铺管作业。该船长382 m、 宽117 m、 托管架长170m、 张紧器为 t, 铺管直径为0．152 1．727 m, 主作业线配有6个双接头焊接站、 1个无损检测站和6个现场接头的防腐保温层／混凝土重力层作业站。除此之外还有1个双接头接管车间, 车间内设有5个对管作业站和2个内外组合焊接作业站。这些铺管船不但铺管能力强, 而且能够在更恶劣的海况下作业。图20是Technip公司新建的Reel lay铺管船Deep Energy, 作业水深为3000m, 卷筒的载管能力达到了2 800 t, 刚性管的最大铺管直径为0．457 m, 柔性管的铺管直径为0．051 0．610 m。因此, 随着这些铺管船的服役, 铺管速度将得到大幅度提高, 海上施工周期将大大缩短。

图17 新的深水铺管概念 图18 S-lay和J-lay铺管船

图19 Pieter Schelte号S-lay多功能工程船 图20 Deep Energy号Reel lay铺管船
三、 总结
1987 年, 中国引进了一条小型铺管船, 结束了国内无铺管船的历史。随着铺管长度的不断增加,铺管施工技术也越来越趋于成熟。中国当前所拥有铺管船多从国外引进, 再进行部分改造。这些铺管船大多是老式初生代的老船, 由于性能的限制, 铺管适应性比较差。相对于国外已经基本成熟的海洋石油铺管作业装备, 我们的技术装备仍有相当大的差距, 怎样缩短我们与海洋开发技术强国的差距就是我们的主要任务, 如何在以后的科研工作中缩短差距追求创新将成为我们的核心内容。在对深水铺管方法分析比较的基础上, 经过对国外的深水铺锊船及其部分装备进行了较详细的介绍。希望能够对中国的海洋工程, 特别是深水海底管线和立管工程的研究与工程应用提供借鉴和参考。

参考文献
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