滩海铺管船铺设海底管线施工工法

荣誉表彰

2008年01月31日，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2005-2006年度国家级工法的通知》建质[2008]22号，《滩海铺管船铺设海底管线施工工法》被评定为2005-2006年度国家一级工法。 2100433B

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。

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

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。