铺管船

概述

进入 21世纪 ,海洋逐渐成为全球石油勘探的重要领域 ,据国外权威机构预测, 未来世界油气总储量的 44%将来自海洋 。铺管船的任务主要是在海底铺设输送石油和天然气管道等海底管线工程。海底管线包括海底油、气集输管道 ,干线管道和附属的增压平台 ,以及管道与平台连接的主管等部分。其作用是将海上油、气田所开采出来的石油或天然气汇集起来 , 输往系泊油船的单点系泊或输往陆上油、气库站。

1 海洋石油的前景

世界深水探明油气储量达 440亿桶油量,待发现深水油气资源量超过 1000亿桶油当量 。2002 ～ 2006年期间, 世界开发 100 个深水油田 , 建成 150 座浮式生产平台 , 深水油气产量不断增加 。2005年, 世界深水原油产量达到 1.5 亿吨, 比 1995年增长近 10倍 。截至 2005年底, 在中国近海六大沉积盆地发现66个油气田 , 其中包括 PL19-1、LH11-1、YC13-1 等大型油(气 )田和深水气田 LW3 -1。其中油田主要分布在渤海珠江口 北部湾等盆地 , 气田则主要分布在东海 琼东南 莺歌海等盆地 。 中国近海海域累计探明石油地质储量 24 1亿吨 可采储量 5 13 亿吨,剩余可采储量 2.84亿吨 。超过 80%的石油储量分布在渤海盆地。世界范围内的深海石油勘探开发热潮兴起于上个世纪 80年代末,虽然至今仅有 20多年历史 ,但技术创新层出不穷,海洋油气勘探开发突飞猛进,作业水深纪录不断刷新。上个世纪70年代,世界海洋油气勘探开发作业水深低于200 m。最大勘探作业水深已超过3 000 m,开采作业水深已超过2000 m。深水和超深水海域的油气资源,正成为美国、英国、挪威、巴西等国竞相开发的热点,深海油气勘探开发被认为是石油工业发展的一个重要前沿阵地。在墨西哥湾、巴西以及西非等地,深海石油开发已经有了极大的发展。

2铺管船的发展历史及趋势

20世纪50年代,在开发浅海区油气田时,多采用人工开出一条能通行浅水船的河道, 并在一种用浮箱拼装而成的铺管驳船上, 把管子组装起来。当驳船向后移动时,焊接好的管段即滑入水中。这种铺管驳船逐步发展成为大型铺管船。1956年,第一艘较大型的铺管船投入使用。船上可以堆放管材,设有吊运管子的起重设备和管段的组装线,利用托管架作为下水滑道。这种铺管船锚定技术较完善,可在30m深的海域作业。此后, 铺管船不断发展,出现了具有自航能力、可铺设更大口径管道, 且能在较深海域作业的自航式铺管船。1965年,在开发大西洋的北海油气田时,这种类型的铺管船因抗风浪能力差,不能适应北海区的海况, 作业经常被中断。而后,经过改良船体结构,制成半潜式铺管船,加强了抗风浪能力。

20世纪70年代初期“乔克陶Ⅰ”号半潜式铺管船在澳大利亚的巴斯海峡投入使用, 证明半潜式铺管船稳定性好,并能在120m～180m深海中进行铺管作业。1979年半潜式“卡斯特罗10”号铺管船,在建设由非洲阿尔及利亚经突尼斯穿过突尼斯海峡通向欧洲意大利的输气管道时, 成功地在608m深的海域中铺设了500 mm管径的管道。

铺管船由于受到使用范围的限制, 不为大众所了解, 但随着近年来海上油气开发的日益红火,逐渐进入人们的视野。在20 世纪,铺管船的设计、建造及使用主要以欧洲的荷兰、挪威、意大利以及美国等少数几个国家为主, 而国内以中海油为首的海油工程公司亦只有几艘船龄较长的改造船投入使用。20 世纪后期,以海油工程公司为主的一些国内用户开始大规模建造。

近年来,随着船舶建造技术的发展,新技术的泛应用,铺管船的发展取得很大的进步。从采用锚泊定位、作业水深仅300 m以内浅水的铺管船,发展到采用动力定位、能满足3 000 m以内作业水深的深海作业铺管船;船只吨位也从几千吨、到上万吨、乃至十几万吨;船型从早期的单体驳船型发展为单体船、双体船、半潜船。同时,铺管专用装备,如:张紧器、A&R绞车、托管架的技术进步, 为铺管船由浅海走向深海提供了必要的保证。

3铺管船国内建造开发现状

中海油作为海洋石油勘探开发的先驱, 承担着国内绝大部分的海上油气勘探、开采的任务;中石油、中石化亦在上世纪70年代先后启动海上油气的勘探、开采工作,但主要的开采工作集中在浅海区域。近年来,海洋石油的勘探工作取得突飞猛进的发展,勘探工作已达到或超过3 000m水深的超深水区域。随着深海油气田的陆续发现, 后续开采工作已提上议程。由于适合深水油田的钻井船、采油平台等已相继建成, 然而能满足深水铺管作业的铺管船在国内的建造才刚起步, 铺管装备的严重缺乏已经影响到油田开发的连续性。

近年来,国内加大了铺管船的研发、建造力度, 已有部分船舶建成投产。如2001年交船的中海油“蓝疆”号铺管船, 该船由GUSTO设计,烟台莱佛士船厂建造;2007年交船的广州打捞局“华天龙”号轮(铺管预留),该船由七★八研究所设计, 上海振华港机建造。近期在设计、建造中的有:七★八研究所为中海油设计的浅水铺管船,该船已在振华港机开工建造,预计年底投入使用;七★八研究所为上海打捞局设计的3 800 t起重铺管船(铺管预留),已开工建造,预计2009年投入使用;上海船舶设计研究院为中海油设计的深水铺管船,亦已在江苏熔盛开工建造,预计2010年投入使用;中石油的浅水铺管船已经完成立项,并进入设计阶段;南通亚华为SapuraAcergy公司建造的“Sapura3000”号已开工;SeaTrucks Group公司在江苏各船厂建造的“JASCON18”、“JASCON25”、“JASCON28”、“JASCON34”号等4艘铺管船,已完成船体建造,现正在新加坡安装铺管设备,计划2009年投入使用;另2艘“JASCON”系列船舶也已开工建造。

4铺管船技术难点分析

铺管船专业特点明显, 国外部分设计公司如GUSTO,通过几十年设计与工程实践的积累,已开发出一系列的船型。在国内,该类型船的研制工作才刚刚开始。由七 ★八研究所为中海油设计的浅水铺管船项目,属国内首次自主研发项目,经与海油工程公司合作,重点解决了该船主要技术参数的确定、铺管方式的选取、船体耐波性的要求、船平台功能要求、铺管线设计等五方面的难点,为同类型的船舶设计积累了宝贵的经验。

4.1 主要技术参数的选用

对铺管船来说, 关键的技术参数主要包括目标工程的铺管水深及对应的铺管管径、对应海区的海况条件及符合作业的工作环境, 管线的转运及贮存要求等主要技术要求。铺管船作业水深一般划分为超浅水、浅水和深水,超浅水一般指作业水深不超过30m～50m的浅海区域,浅水为作业水深不超过300m的区域,而深水铺管船一般能满足最大作业水深为3 000 m以内的深海区域。铺管管径是指该船能铺设的海底管线的大小,它对应的是一个管径范围。现在主流的铺管船能铺设的管径范围一般为4″～48″,若包括涂层为4″～60″,现能做到最大的铺管管径可达60″。对一艘铺管船来说,铺管水深和对应的铺管管径直接反映了该船的铺管能力。

工作海区的海况条件及符合作业的工作环境是铺管船设计的关键参数, 直接影响到船平台能否满足铺管作业的要求。一般来说, 铺管船的作业环境条件定义如下:风速<16m/s、有义波高<2.5m、波浪周期6.0 s～12 s、流速<2 kn,风向:全风向。当然,以上参数根据目标工程海域情况作适当调整。

铺管船作业环境条件参数的高低直接反映该船的主尺度要求,并对造价产生较大的影响。参数偏低,满足不了作业海区作业的要求;参数偏高,造价相应提高、运营成本上升。因此, 综合平衡各参数指标,提出合适的作业环境条件, 是铺管船建造成功与否的关键。

为满足铺管船连续作业,同时综合考虑管线的运输成本,对管线的转运及贮存要求应有具体的指标要求。为保证铺管作业的连续性, 铺管船一般考虑能贮存5 000 t～12 000 t的管材及相应耗材,而60″管单节管最大重量为40 t,船上通常能贮存的管线为200 ～300根。通常,铺管作业的速度为每天3 km～8km不等,即每天消耗250～650根单节管不等(单节管管长一般为12.2m)。因此,单靠船平台上贮存的管线很难保证工程施工作业的连续性,需考虑专用运管船随时补充。过大的贮存量会导致船平台主尺度过大,性能较差。因此, 应对合理的贮存量与管线补给的即时性综合评估,提出合适的贮存量。

4.2 铺管方式的选取

现在主流的铺管方式有三种:S-Lay、J-Lay、Reel-Lay三种型式, 对应不同的铺管水深及铺管管线规格,铺管方式参照以下原则选取:

(1)S-Lay适于浅水区管线铺设, 也比较适合深水区的小管径管线的铺设;

(2)J-Lay在深水区大管径管线的铺设中有很大的优势;

(3)Reel-Lay在深水区小管径管线的铺设中有很大的优势。

注:“ ”号越多表明更优, “ -”号表示不适用

现在一般工程应用上S-Lay和J-Lay两种铺管方式选用较多, 但由于J-Lay方式的铺管速度较S-Lay方式慢,通过管线入水方式的调整和托管架的设计, S-Lay方式逐渐在深水区域上也得到了良好的应用。Alseas公司曾经有过在2 000m以上水深应用S-Lay的工程经历。由于Alseas公司在深水S-Lay领域取得的成功, 世界上新造铺管船的主流船型均采用S-Lay。J-Lay方式由于系统简单, 在一些深水使用的大型船舶加、改装项目上得到很好的应用。

4.3 船体耐波性

船体耐波性能的优劣, 直接关系到铺管作业的有效工作时间。在铺管作业过程中,经常会发生管线断裂现象,主要是由于受海浪等外界条件影响,船平台的漂移与管线的受力不匹配,使管线受外力超出管线的应力水平而导致的。另外,耐波性的好坏还直接影响到船上工人的施工作业。一般来说,主要应考虑船平台的固有横摇周期与目标工程区域的波浪周期间的关系, 设计上应避免两周期在同一区域内, 一般考虑有2s左右的差距。在我国南海水域,波浪的固有周期一般为7s～12s秒之间,该指标对船体耐波性设计有很高的技术难度。

4.4 船平台功能要求

要满足铺管作业的要求,在铺管船设计时需重点考虑船型选择、作业定位、主起重机等方面的要求,以保证铺管作业的效率。首先,从船型选择上进行分析,现有的铺管船船型一般为单体驳船型、单体船型、半潜船型等三种船型,不同的船型选择, 适合不同的工程需要。

(1)单体驳船型,一般比较简易,采用锚泊定位方式, 造价较便宜, 主要针对浅水、超浅水。但其机动性差,作业时需较多的辅助船舶;

(2)单体船型,设备配置一般比较考究, 大多采用动力定位和锚泊定位的组合方式, 既能以锚泊定位方式在浅水区域作业, 又能以动力定位方式在深水区域作业,但造价较高;

(3)半潜船型,主要铺管对象是深水区域作业, 一般采用动力定位的方式,该类型的船一般在设计时除了考虑铺管作业外,还配有大型起重机,能满足海上大型结构物的吊装, 以及有大量的人员居住舱室,可以作为平台支持船使用。该类型船造价非常昂贵。

其次,铺管船在作业时有准确的定位要求,现在的定位方式一般有锚泊定位和动力定位两种方式。采用锚泊定位的船,由于装机功率相对较小,船体本身亦不是很复杂,因此造价相对较低,作业时需配备2 ～3艘起抛锚船为其不停地交替起抛锚作业,一般最大作业水深不超过300 m。水深过深,需配备较长的缆绳,且锚机负荷增大, 建造和运营成本上升, 铺管效率也受影响。采用动力定位的船, 需配备较强的推进器功率,并且有些船考虑到动力定位的可靠性, 一般采用 DP-2 或 DP-3级 , 因此装机功率较大 ,并且船体结构和系统复杂, 技术含量相对较高 。此类船一般考虑可在深水区域作业或不能采用抛锚定位的水域作业,现已有可满足最大作业水深不超过3 000 m的深水铺管船。考虑到运营成本或定位有特殊要求等因素, 部分铺管船采用锚泊定位和动力定位相结合的方式, 能满足普通工程的要求。而半潜船型,由于其目标工程主要是深水区域,因此基本采用动力定位的方式。

另外,铺管船均配有供管材转运用的起重机,起重能力一般为30 t～100 t,主要用于管材从运输船上过驳到铺管船, 以及从堆厂到作业线的吊运。铺管船除配备管材运转用的起重机外,一般均配备一定能力的主起重机。主起重机的主要功能包括:起吊本身的托管架、起吊大型作业设备、完成一些海上结构物的吊装。一般单节托管架重量300 t～500 t;海上安装的中、小型结构物, 模块800t～1 200t, 而大型构件有超过5 000 t。因此,对于专用的铺管船,一般主起重机的起吊能力配置在500t以下, 此类船一般以驳船型居多;如果需要兼顾部分海上吊装作业,配备的主起重机的起吊能力考虑在1 200t ～1 600 t;在一些大型的铺管船上,由于考虑船的适用性,该类型的船功能多样化,主起重机的起吊能力配置可达4 000 t～8 000 t,在采用半潜船型的多功能起重铺管船上,经常配置两台主起重机。

4.5 铺管线设计

铺管船的关键在铺管线的设计,核心技术包括管线应力分析、铺管作业流程、托管架设计等。根据目标工程的铺管水深要求、环境条件要求以及所要铺设的管线大小,进行管线应力分析计算,提出船体设计坡度的要求,张紧器的数量及技术参数,托管架以及各支撑滚轮的受力要求等。铺管作业流程的布置直接关系到铺管作业的效率,需要重点考虑管线如何上船、铺设的是单节管还是双节管、管线上船后的施工工艺流程、焊接站的数量及布置位置、出现坏焊的管线如何退管等因素。托管架连接在船艉, 用于支撑管线离开船艉后的上弯段,以保证管子在入水的时候有一个合适的弯曲度。托管架一般分为固定式和浮式两种。由于该设备受力复杂,因此设计上有非常大的难度,同时对建造的工艺水平要求也相当高。

5 结 语

随着国际油价的日益走高、国家石油战略的实施,海洋石油的开采将进入黄金期 ,为海洋石油开发配套的大型装备的建造成为近几年投资的热点。海底管线的敷设工程量急剧增加, 国内现有的铺管船已不能满足实际工程的需要。而经历近几年的技术贮备,无论是设计、建造, 还是实际工程使用等各个环节,已建立起了一支比较成熟的队伍。

1 S型铺管船功能

S型铺管船的作业流水线（如管道传送、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，并且拥有多个焊接站，所以S型铺管船的管道铺设速度要高于J型铺管船管道铺设速度。

1.1 管道弃置回收工艺

管线弃置前，首先在管道第二端焊接 A&R拖拉接头，然后 A&R大钩与 A&R拖拉接头连接。铺管船前移，管道的张力逐渐由张紧器转移至A&R绞车提供。管道完全脱离张紧器后，将带有浮漂的吊带连接至 A&R拖拉接头，然后 A&R绞车放缆，管道在基本保持恒张力的状态下入。管道下放至海底后，A&R绞车缆绳与 A&R拖拉接头脱离，弃管完毕，此时，吊带在浮漂的作用下悬浮于水中。

1.2 水下生产设施安装工艺

S型铺管船安装水下生产设施时，由于有托管架的存在，水下生产设施不易通过托管架，使得水下生产设施的安装比较困难，安装需要对PLET以及防沉板的结构进行特殊的设计，或使用安装船舶来进行安装。在管道弃置回收过程中，浮筒无法通过托管架，只能在管道脱离（回收至）托管架后安装（拆卸）浮筒。此外，S型铺管船无法单独安装水下生产系统。

2 多功能水下生产设施安装系统设计

针对S型铺设船不能进行水下生产系统安装和不能方便地进行管道弃置回收作业，以及J型铺管船不能单独安装大尺寸的水下生产系统和J型铺设系统塔架提供的弃置回收作业空间狭小而导致弃置回收过程复杂等问题。设计了一套多功能水下生产设施安装系统。使得无论S型还是J型铺管船都能单独地进行水下生产设施的安装和便捷的进行管道的弃置回收工作。

顶部滑轮将 A&R线导入到工作台上，主要是起导向作用。上工作平台在PLET安装的过程中，能够对PLET进行辅助定位，此外，还能进行一些其他辅助操作。主体塔架用来支撑整个工作平台，采用桁架式结构保证结构稳定性，与甲板连接处采用柱腿式结构，以减小工作平台在甲板上的占地面积。下工作平台在作业过程中为对接工作、浮筒安装、锁具安装等辅助操作提供工作平台。管道的固定装置用来在操作过程中，对不同尺寸的管道进行固定，方便管道与其他设备对接。管道限位装置用来限制管道在船舶运动和风浪流作用下出现大幅度

的摆动，从而保证焊接或者其他操作的稳定性和操作精度。快速连接接头用来快速连接或者拆卸主体塔架与甲板之间的连接，使得主体塔架能够很方便地拆卸从而为甲板上的操作提供更大空间。此外，快速连接机构的内部结构能够减小主体塔架与甲板之间的相对转动。A&R限位系统用来在作业过程中对 A&R线进行限位，防止 A&R线出现大幅度的摆动以保证安装的准确性。PLET定位孔用来在PLET安装的过程中对PLET进行定位，以便于PLET和管道进行对接。

所设计的多功能水下生产设施安装系统具有结构稳定、占地面积小、便于拆卸等特点，同时能够保证PLET的精确定位、限制管道大幅度的摆动，保证对接的准确性、限制 A&R线大幅度的摆动保证安装的准确性、满足不同管径的管道的固定需求、并为辅助操作提供了专门工作平台等功能。

3 新的安装方法

3.1 管道弃置回收步骤

由于管道回收过程是管道弃置过程的逆过程，本文以管道的弃置过程为例：

1） 在甲板上（S型铺管船）或是在J型铺设系统塔架内）在管道第2端安装A&R拖拉接头，安装止屈器和阳极块。

2） 使用吊机将管道吊装到管道固定装置上。

3） 闭合管道固定装置和管道限位装置，以防止管道大幅度的摆动。

4） 将立管头与浮筒通过锁具和三角板连接。

5） 使用吊机线连接浮筒上端。

6） 当连接完毕后打开固定装置和管道限位装置，下放管道。

7） 当下放到水面一定高度后，使用吊机将管道转移到顶部滑轮下端并将 A&R绞车线连接在三角板上，并逐渐增加其提供张力大小。

8） 待管道所有的重力由A&R线承担时，释放吊机线，并打开 A&R线限位装置。

9） 直到管道下放到海底，释放A&R线，完成管道的弃置过程。

3.2 PLET的安装步骤

1）S型铺管船第1端安装PLET。S型铺管船进行第1端安装PLET时，PLET的防尘板须采用特殊的结构，最后将PLET通过托管架安装的水底。

2）J型铺管船第1端安装PLET。吊机起吊并调整PLET的姿态，将PLET支架插入PLET定位孔中。对接待铺管段与PLET；整体结构下放，继续管段对接工作，直到PLET接近水面。使用吊机将整体结构转移至_J－lay塔架。将管道上端固定至张紧器或者固定装置。继续管道铺设作业，直到PLET完全被下放到指定区域。

3） 第2端安装方法（S型和J型铺管船均适用）。将已铺设管段通过吊机运送到管道固定装置上，打开管道限位装置，以防止管道大幅度的摆动。使用吊机将PLET塔架吊起，调整PLET姿态，并将PLET支架插入PLET定位孔中，同时使用顶部工作 台 来 辅助定位，完 成 PLET与 管段对接。待对接完毕后，开启管道固定装置与管道限位装置，将吊机和 A&R线使用三角板和锁具分别连接在PLET上，使用吊机下放整体结构。在下放过程中，逐渐增大 A&R线的张力，并将管段的张力逐渐由吊机转移到 A&R线上，当所有的重力都转移到 A&R线上后，开启 A&R线限位装置，以限制PLET在安装的过程中出现大幅度的摆动。打开PLET防沉板，将控制线的自由端连接到ROV大钩。将PLET着陆到目标区，并进行基本的测量以确定PLET的位置、朝向和倾斜度，断开辅助缆绳，准备执行后续工作。

3.3 水下生产设施的安装步骤

1） 吊机将已铺设管段转移到管道固定装置上。

2） 打开管道限位装置，限制管道大幅度的振动。

3） 起吊并调整WSA（ILS）姿态，对接WSA（ILS）下端与固定在固定装置上的管道。

4） 打开固定装置，打开限位装置，使用吊机将整体结构运送至J型铺设系统塔架或托管架。

5） 继续进行管道铺设作业，直到WSA（ILS）安装到海底。

4 新方法的优点

4.1 管道弃置回收过程

1）S型铺管船 将浮筒的安装由水下转移到了水上，使得浮筒的安装和拆卸工作较为方便，同时减小了水下操作，保证了操作稳定性；将水平操作转化成了竖直方向的操作，大幅减小了 A&R线的张力，保证了操作的安全性。

2）J型铺管船 将焊接、安装A&R拖拉接头 、安装浮筒等操作都从塔架内部转移到了甲板上，使得操作具有足够的空间，从而保证操作的稳定性；完全避免了浮筒在下放的过程中与塔架结构物之间碰撞而造成的浮筒或者结构物的损坏；将操作引入到甲板上，管道张力完全由多功能塔架承受，保证了J型铺设系统的安全性。

4.2 PLET安装

1）S型铺管船 第1端安装方法都一样。S型铺管船在进行PLET第2端安装方法中，PLET不用再通过托管架和张紧器，确保了PLET以及托管架的结构安全；将水平操作转化为竖直方向的操作，大幅减小了 A&R线的张力大小，提高了操作安全性。

2）J型铺管船 首端安装中，不再需要设计复杂的、多自由度的PLET操作系统，使得操作变得简单。使用J型铺管船在进行第2端安装中，PLET的安装大小不再受到塔内结构的限制；完全避免了PLET在下放的过程中与塔架结构物之间碰撞而造成的PLET或者结构物的损害；将操作转移到甲板上，结构重力完全由多功能塔架承受，保证了J型铺设系统的安全性。

4.3 水下生产设施安装（WSA/ILS）

1）S型铺管船 对于如WSA（ILS）细长结构，将水平方向操作转化为竖直方向操作，减小了甲板占地面积；WSA（ILS）不再需要通过张紧器和A&R线提供张力。

2）J型铺管船 对于如WSA（ILS）细长结构，将塔内竖直方向操作转化为甲板竖直方向操作，为 WSA（ILS）提供了更大的操作空间，解决了J型铺设系统塔架结构紧凑，空间狭小，不能方便安装WSA（ILS）等问题；不再需要结构复杂的PLET操作系统。

5 结论

1） 设计的多功能水下生产设施安装系统能够使S型铺管船很方便地进行管道弃置回收作业和水下生产设施安装作业；能够让J型铺管系统便捷地进行管道弃置回收工作，并能够安装大尺寸的水下生产设施，扩展了_S－lay和_J－lay铺管船的功能。

2） 在铺管船安装此装置后，只需铺管船就能进行管道弃置回收与水下生产设施的安装工作，不需要其他安装船进行辅助，能够在一定程度上缩短工期和减小开发成本。此外，装备此套装置后，不再需要 A字架来辅助下放和安装结构物，也不再需要PLET操作系统来进行PLET和水下生产设施的安装，同时将水下操作都转移到了水上，增加了操作的稳定性。

3） 基于设计的多功能水下生产设施安装系统，提出了相应的管道弃置回收和水下生产设施安装步骤，希望能为后期HYSY201型铺管船和2×8000t型铺管船配置及南海作业奠定良好的基础。

4） 本文只对多功能水下生产设施进行了基本设计，下一步要开展模型试验研究，通过试验研究来验证所设计系统结构的安全性以及所提出水下生产设施安装工艺的可行性。

概述

深水铺管船(pipelaying vessel)是深水油气田开发建设的主要施工装备, 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。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量越来越大。随着世界海洋石油不断向深水发展,对深水起重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重铺管船的快速发展,也带动了起重铺管船装备的快速发展。

我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。但我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。

1深水铺管方法

深水铺管方法主要有S 形铺管法(S-lay)、J 形铺管法(J-lay)、卷筒式铺管法(Reel lay and Carousel lay)以及垂直铺管法(vertical lay)。其中,S-lay是浅水铺管法的延伸, J-lay和Reel lay则是专为深水开发的两种新的铺管方法 ,而 Vertical lay 和Carousel lay 主要用于柔性管和脐带缆的铺设。

1 .1 S 型铺管法

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。托管架上的管线称为上弓段(overbend), 托管架末端至海底的管线称为悬垂段(sagbend)。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-lay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,上弓段的应变通常大于弹性应变,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。

1 .2 J 型铺管法

J-lay 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。通过调整J-lay 塔的倾角,使管线的连接作业姿态与入水姿态相同,从而消除了S-lay 的上弓段。由于受到J-lay 塔高度的限制,J-lay 铺管时,管线在甲板上接长至J-lay 塔可以容纳的长度,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。

1 .3 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入海底。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 的卷筒立式放置 。Carousel lay 的卷筒卧式放置。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。但是, 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筒尺寸的限制,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。

1 .4 其他方法

上述三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和Verti-cal lay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。Carousellay 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,且管线是通过铺管船中部的月池(moon-pool)入水的。

1 .5 铺管方法比较

基于铺管船,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-lay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。

2深水铺管船

按照铺管方法分类,深水铺管船可分为S-lay铺管船、J-lay铺管船和Reel lay铺管船三种类型。其中, Reel lay 包括了Vertical lay 和Carousel lay 。如果按照船型分类,则可分为船型和半潜式两种类型。

2 .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。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。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。根据舱容的大小,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Audacia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。S-lay 铺管船的关键设备是托管架和张紧器,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。

2 .2 J-lay 铺管船

J-lay 铺管船也有船型和半潜式两种船型 。其工作站位于J-lay 塔上,J-lay 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。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-lay 和Reel lay 两用船型铺管船,其J-lay 塔倾角可调整范围为30°～90°;Heerem 公司的Balder 半潜式铺管船的J-lay 塔倾角可调整范围为50°～90°;而Saipem 公司的Saipem7000 半潜式铺管船的J-lay 塔倾角可调整范围为90°～110°。J-lay 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入J-lay 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。

2 .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 lay铺管船均采用船型结构,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, 卷筒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。而铺设柔性管或脐带缆时,通常可采用两个卷筒。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。

2 .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。 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。

3 结 语

基于对深水铺管方法和国外深水铺管船及其装备的分析, 介绍了国外深水铺管技术和铺管船的研究现状及其发展趋势,分析了不同铺管方法的铺管种类和适用范围, 比较了不同铺管方法的特点和用途。在对深水铺管方法分析比较的基础上,通过对国外的深水铺管船及其部分装备进行了较详细的介绍。希望能够对我国的海洋工程,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。

通常情况下，起重铺管船按不同类型可以分为三种。按自航和非自航可以分为：（1）自航起重铺管船；（2）非自航起重铺管船。按铺管方式和起重臂旋转方式分为：（1）旋转式起重臂J型起重铺管船；（2）旋转式起重臂S型起重铺管船；（3）固定式起重臂浮筒型起重铺管船；（4）固定式起重臂J型起重铺管船；（5）固定式起重臂S型起重铺管船；（6）旋转式起重臂浮筒型起重铺管船。按船型分为（1）驳船式起重铺管船；（2）普通船型起重铺管船；（3）半潜式起重铺管船 。2100433B

现在主流的铺管船作业方式有两种，一种是在指定位置埋设一个固定锚，用一根连接钢丝绳，两端分别与埋设地锚和管子拖拉头相连接，铺管船靠近平台，当连接钢缆张紧后，通过向前移船来下放管道；另一种是将一个导向滑轮拴在导管架底部导管上，铺管船的收放绞车的钢缆穿过海底导向滑轮后，跟管子拖拉头相连，铺管船离平台较远，当收、放绞车的钢缆张紧后，并要求设定张力，铺管船原位固定不动通过绞车收缆来下放管道，当管子拖拉到达预定位置时，用一根连接钢缆取代收放车钢缆后收回绞车的钢缆，开始进入正常铺管作业。

起重铺管船的主要任务是在海底铺设输送石油和天然气管道、海上大型结构物吊装等工程。海底管线包括海底油、气集输管道，干线管道和附属的增压平台，以及管道与平台连接的主管等部分，其作用是将海上油、气田所开发出来的石油或者天然气汇集起来，输往系泊油船的单点系泊系统或输往路上油、气库站。