國外深水鋪管方法與鋪管船研究現狀及發展趨勢

黃維平,曹 靜,張恩勇

(1.中國海洋大學海洋工程山東省重點實驗室,山東 青島 266100;2.中海油研究總院深水工程重點實驗室,北京 100027)

國外深水鋪管方法與鋪管船研究現狀及發展趨勢

黃維平1,曹 靜2,張恩勇2

(1.中國海洋大學海洋工程山東省重點實驗室,山東 青島 266100;2.中海油研究總院深水工程重點實驗室,北京 100027)

深水鋪管船是深水油氣田開發的主要施工裝備,它擔負著浮式生產平臺的安裝、海底管線的鋪設以及立管系統安裝任務。通過對國外主要深水鋪管船和重點工程項目的分析,簡要介紹了國外深水鋪管船的基本特征、性能和設備能力;重點闡述了深水鋪管船的關鍵設備及其對施工能力的影響;最后,對國外深水鋪管船的發展趨勢作了進一步的分析。為我國的深水鋪管船研發提供有益的參考。

鋪管船;工程船;張緊器;絞車;錨泊系統

Abstract:Deepwater pipelaying vesselsare the essential equipment for deepwateroil&gasexploration.They are used to install floating structures and risers,and to lay subsea pipelines.In thispaper,some deepwater pipelaying vesselsareoutlined to show the capacitiesand performancesof deepwater pipelaying vessels in foreign countries,and the capacitiesof partof the equipments in the vesselsare introduced briefly.The focus isputon key equipmentsand their effectson the pipelaying capacitiesof the vessels.Finally,the trend of pipelaying vessel development ispredicted to provide references for developing pipelaying vessels in China.

Key words:pipelaying vessel;engineering vessel;tensioner;winch;mooring system

深水鋪管船(pipelaying vessel)是深水油氣田開發建設的主要施工裝備,它擔負著浮式生產平臺的安裝、海底管線的鋪設以及立管系統安裝任務。隨著世界海洋石油的大面積開發,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。世界海洋石油工業的高速發展推動了深水起重鋪管船的快速發展,也帶動了起重鋪管船裝備的快速發展。

我國的深水油氣開發雖然起步較晚,但發展勢頭之猛、發展速度之快,令世人矚目。但我國的深水油氣田開發的施工裝備與國外仍有一定的差距。近年來,國家加大了研發投入力度,相關的企業也加快了市場開發步伐,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),如圖1～圖5所示。其中,S-lay是淺水鋪管法的延伸,J-lay和Reel lay則是專為深水開發的兩種新的鋪管方法,而Vertical lay和Carousel lay目前主要用于柔性管和臍帶纜的鋪設[1-3]。

1.1 S型鋪管法

S-lay鋪管時,管線在甲板或船艙內完成焊接和焊縫的防腐保溫層/混凝土重力層施工,然后經過懸掛在船體外的托管架入水,形成一條S形曲線,如圖1所示[4-5]。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。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。

圖1 S型鋪管示意Fig.1 Sketh of S-lay pipelaying

圖2 J型鋪管示意Fig.2 Sketh of J-lay pipelaying

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,產生一定的塑性應變,因此,現行規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展起來的一種深水鋪管法,它將管線的接長作業由S-lay的水平位置調整為豎直位置,在豎直的J-lay塔上完成管線連接后直接入水,形成一條J形曲線,如圖2所示[6-7]。通過調整J-lay塔的傾角,使管線的連接作業姿態與入水姿態相同,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鋪入海底。根據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[3]。Reel lay的卷筒立式放置,如圖3所示[8-10]。Carousel lay的卷筒臥式放置,如圖4所示。由于沒有管線接長作業,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也大大提高了焊接質量。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,必須經過大量的計算來確保管線的塑性應變和橢圓變形滿足規范要求。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。

圖3 Reel lay鋪管示意Fig.3 Sketch of Reel lay pipelaying

圖4 Carousel lay鋪管示意Fig.4 Sketch of Carousel lay pipelaying

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(見圖4)和Vertical lay(見圖5)兩種方法,其中,Carousel lay也可用于剛性管鋪設[11]。

Carousel lay和Vertical lay鋪管法與Reel lay鋪管法相似,管線展開后經過一個矯直機構入水。Carousel lay的入水方式與S-lay相似,管線矯直后經托管架入水。Vertical lay的入水方式與Reel lay相似,但矯直機構是垂直的,且管線是通過鋪管船中部的月池(moonpool)入水的。

1.5 鋪管方法比較

基于目前的鋪管船,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。表1列出了不同鋪管方法的比較,這僅僅是依據目前的鋪管船性能和操作技術水平給出的綜合指標。

圖5 垂直鋪管示意Fig.5 Sketch of Vertical lay pipelaying

表1 不同鋪管方法比較Tab.1 Comparison of pipelayings

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[12-14]。

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。目前,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,分別如圖6和圖7所示。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。表2列出了國外主要深水S-lay鋪管船的技術參數。

圖6 船型S-lay鋪管船Fig.6 Ship shaped S-lay vessel

圖7 半潛式S-lay鋪管船Fig.7 Semi-submersible S-lay vessel

根據艙容的大小,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工作站,如圖8所示。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。管線接長作業中,焊接作業時間較長,因此,鋪管船上焊接站的數量最多。

表2 國外主要深水S-lay鋪管船技術參數Tab.2 Parameters of part of deepwater S-lay vessels

圖8 Audacia號S-lay鋪管船上的工作站Fig.8 Thework station of S-lay vessel Audacia

S-lay鋪管船的關鍵設備是托管架和張緊器,如圖9和圖10所示,它們決定了S-lay鋪管船的作業水深和鋪管直徑。為了適應不同水深的作業需要,托管架必須能夠調整曲率半徑,以調整管線的入水角。因此,托管架一般由三段組成。在調整托管架的同時,也必須調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,如圖11和圖12所示。其工作站位于J-lay塔上,J-lay塔的傾斜角度可根據水深和張力條件調整,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。

目前,具有最大J-lay塔傾角可調整范圍的鋪管船是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塔傾角可調整范圍為90°～110°。表3列出了國外主要J-lay鋪管船的技術參數。

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(見圖13),然后由專用吊架將管線放入J-lay塔(見圖14),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鋪管法的連續移動性質要求鋪管船的移動性好,因此,Reel lay鋪管船均采用船型結構,如圖15所示。

圖9 S-lay鋪管船的托管架Fig.9 The etinger on S-lay vessel Audacia

圖10 400 t張緊器Fig.10 400 t tensioner

圖11 船型J-lay鋪管船Fig.11 Ship shaped J-lay vessel

圖12 半潛式J-lay鋪管船Fig.12 Semi-submersible J-lay vessel

表3 國外主要J-lay鋪管船技術參數Tab.3 Parameters of part of deepwater J-lay vessels

圖13 J-lay鋪管船的管線接長作業Fig.13 Line up of pipeson J-lay vessel Audacia

圖14 J-lay塔管線吊裝系統Fig.14 Pipe handling facilitieson J-lay vessel Audacia

圖15 Reel lay鋪管船Fig.15 Reel lay pipelaying vessel

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(ramp),卷筒軸的直徑決定了最大鋪管直徑,卷筒翼緣的直徑決定了鋪管長度。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,通常可采用兩個卷筒。管線矯直機構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。表4列出了國外主要Reel lay鋪管船的技術參數。

表4 國外主要Reel lay鋪管船技術參數Tab.4 Parameters of part of deepwater Reel lay vessels

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,如圖16和圖17所示。圖16是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。表5列出了國外主要的Carousel lay和Vertical lay鋪管船。

圖16 Carousel lay鋪管船Fig.16 Carousel lay pipelaying vessel

圖17 Vertical lay鋪管船Fig.17 Vertical lay pipelaying vessel

表5 國外主要Carousel lay/Vertical lay鋪管船技術參數Tab.5 Parameters of part of deepwater Carousel lay/Vertical lay vessels

3 發展趨勢

深水鋪管技術的發展趨勢是提高鋪管速度,縮短海上施工周期,因此,應發展新的鋪管方法和開發多功能的大型鋪管船。其主要發展趨勢是增大卷筒鋪管的直徑,發揮卷筒鋪管速度快的優勢,且一條船具有多種方法的鋪管功能。圖18是未來幾年可能工程化的鋪管方法新概念;圖19是Acergy集團2012年即將投入使用的Acergy Borealis號S-lay和J-lay多功能鋪管船,它的作業線上配有11個單接頭作業站、6個雙接頭作業站,J-lay塔上配有2個工作站。圖20是Allseas公司2013年即將投入使用的超大型多功能工程船Pieter Schelte,它可以從事S-lay鋪管作業。該船長382 m、寬117 m、托管架長170m、張緊器為2 000 t,鋪管直徑為0.152～1.727m,主作業線配有6個雙接頭焊接站、1個無損檢測站和6個現場接頭的防腐保溫層/混凝土重力層作業站。除此之外還有1個雙接頭接管車間,車間內設有5個對管作業站和2個內外組合焊接作業站。這些鋪管船不僅鋪管能力強,而且可以在更惡劣的海況下作業。圖21是Technip公司新建的Reel lay鋪管船Deep Energy,作業水深為3 000m,卷筒的載管能力達到了2 800 t,剛性管的最大鋪管直徑為0.457m,柔性管的鋪管直徑為0.051～0.610m。因此,隨著這些鋪管船的服役,鋪管速度將得到大幅度提高,海上施工周期將大大縮短。

圖18 新的深水鋪管概念Fig.18 New comceptof pipelaying

圖19 S-lay和J-lay鋪管船Fig.19 Multi-purpose vessel for S-lay&J-lay

圖20 Pieter Schelte號S-lay多功能工程船Fig.20 Multi-purpose vesselwith S-lay Pieter Schelte

圖21 Deep Energy號Reel lay鋪管船Fig.21 Reel lay vessel Deep Energy

4 結 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,介紹了目前國外深水鋪管技術和鋪管船的研究現狀及其發展趨勢,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。希望能夠對我國的海洋工程,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。

[1] William L Leffler,Richard Pattarozzi,Gordon Sterling.Deepwater Petroleum Exploration&Production[R].USA,PennWell Corporation,2003.

[2] Yong Bai,Qiang Bai.Subsea Pipelines and Risers[R].Great Britain,Elsevier Ltd,2005.

[3] Ben C Gerwick Jr.Construction of Marine and Offshore Structures[M].USA,CRC Press,2007.

[4] ChristopherWest,Stephen Armstrong,Damon McMillan,et al.S-lay installation of riser fairings for the independence hub[C]∥Proceedingsof the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering.2007(1):515-525.

[5] Heedo D Yun,Ralf R Peek,Paul R Paslay,etal.Loading history effects for deep-water S-layof pipelines[J].Journalof OffshoreMechanics and Arctic Engineering,2004,126(2):156-163.

[6] Massimo Pulici,Marian Trifon,Andrei Dumitrescu.Deep water sealines installation by using the J-laymethod-The blue stream experience[C]∥Proceedingsof the International Offshore and Polar Engineering Conference,ISOPE.2003:585-590.

[7] Dick Wolbers,Rob Hovinga.Installation of deepwater pipelineswith sled assemblies using the new J-lay system of the DCV balder[J].Journalof Offshore Technology,2003,11(3):46-57.

[8] TA Netto,A Botto,M ILouren?o,etal.On the feasibilityof installing SCR′sby the reel-laymethod[C]∥Proceedingsof the 12th International Congressof the InternationalMaritime Association of the Mediterranean.2005(2):1447-1454.

[9] Alastair Tawns.Reel-laying of rigid pipelines[J].Materials Performance,2004,43(10):24-26.

[10] Ilson PPasqualino,Segen F Estefen,Silvia L Suva.The effectof the reeling layingmethod on the collapse pressure of steel pipes for deepwater[C]∥Proceedingsof the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,ASME.2004(3):247-254.

[11] D GArchambaud,W C de Boom.Flexible line laying vessel“SUNRISE 2000”-A new step into deep water[C]∥Offshore Technology Conference.1995.

[12] Hubert Lecomte,Stan Hogben,Jim Smith,et al.BPmarlin:first flexible pipelay with newbuild deepwater pipelay vessel[C]∥Proceedingsof the Annual Offshore Technology Conference,OTC.2002:1685-1692.

[13] A JBorelli,D Perinet.Deepwater pipelayingoffshoreWest Africa:A comparison between rigid pipe laying techniquesand equipments[C]∥Proceedingsof the Annual Offshore Technology Conference,OTC.1998(4):397-407.

[14] B ITollin,GJWilson,R GMartin.Deepwater pipelay:extending the limits[C]∥Offshore Technology Conference.1994.

State of the art and developing trend of deepwater pipelaying and pipelaying vessel abroad

HUANGWei-ping1,CAO Jing2,ZHANG En-yong2
(1.Shandong Key Laboratory of Ocean Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2.Key Laboratory of Deepwater Engineering,CNOOC Research Center,Beijing 100027,China)

P751

A

1005-9865(2011)01-0135-08

2010-07-16

黃維平(1954-),男,浙江人,教授,主要從事海洋工程結構設計與分析的研究。E-mail:wphuang@ouc.edu.cn