兼具S型與J型兩種鋪管系統的新型設計方案

韓 健， 冷喜嘉

(上海振華重工(集團)股份有限公司， 上海 200125)

0 引 言

隨著海洋油氣資源的深度開發，海工裝備市場的競爭日益加劇，油氣服務公司不斷探索如何提高鋪管船使用效率、滿足不同水深的鋪管需求、縮減船隊數量，以提高市場競爭力。以市場競爭為推動力，鋪管船也不斷朝著大型化、深水化、多功能化方向發展。具有兩種及以上鋪管系統的多功能大型鋪管船應運而生。

本文分析S型與J型兩種鋪管方式的優缺點，對比兩型鋪管系統的設備組成，分析兩型鋪管系統的布置特點，從差異中尋找兩者的共性，充分利用兩型鋪管系統的通用設備，將兩型鋪管系統集中、合理地布置在一條船上，以實現兩者的優勢互補，提高鋪管船的經濟性、作業能力、作業效率和利用率。

1 S型和J型鋪管系統的特點分析

1.1 S型和J型管道敷設方法

海底管道敷設主要有4種方式：S型鋪管法、J型鋪管法、卷筒式鋪管法(R型)、垂直鋪管法[1]。本文主要分析S型鋪管和J型鋪管系統。

(1) S型鋪管法。S型鋪管法的管線在鋪管船的同一水平面內完成焊接、探傷、包覆工作，通過位于船尾的托管架支撐，靠管子的自身重力自然彎曲下放至海底，整個管線自然彎曲成S型曲線[2]，故名為S型鋪管，如圖1所示。該型鋪管法主要用于小于1 500 m的淺近海管道敷設。此外，為提高鋪管效率，會在船上設置管子預制線，將單節管預制成雙節管甚至三節管，再直接敷設雙節管或三節管，以此提升鋪管速度。與直接敷設單節管相比，雙節管的鋪管速度可提高近1倍。

圖1 S型鋪管法

(2) J型鋪管法。J型鋪管法通過直立或傾斜一定角度的鋪管塔將管子與主管線對接，在集合站內完成焊接、探傷、包覆等工作，整個管線以近乎垂直的角度進入水中，此時管道整體形狀呈J型故而得名[3]，如圖2所示。為提升J型鋪管效率，J型鋪管船也可配備管子預制工廠，將單節管預制成雙節管、三節管甚至四節管供J型鋪管系統使用。J型敷設方法適用于深水、超深水管道敷設。但是，受制于所有工序都集中在一個裝配站內完成，其鋪管效率相對S型鋪管方式低。

圖2 J型鋪管法

1.2 S型和J型鋪管的優缺點

(1) S型鋪管。適合淺水和中層水深安裝；因為工作站多，生產效率高，適合于混凝土包鋪管；深水鋪管需更長的托管架(>100 m)，限制船舶的作業能力。

優點：主作業線可設置多個焊接站，提高裝配速度，鋪管效率高。

缺點：隨著鋪管水深加大，需更長的托管架，管道張力更高，降低船舶穩定性，鋪管管徑減小。

(2) J型鋪管。J型鋪管法的鋪管速度較慢，適合中深水鋪管、大管徑混凝土包鋪管和易疲勞的管線，方便管道的棄置回收，特別適合水下生產設施項目安裝，如臍帶管和端部管線的安裝。

優點：消除了S型鋪管的拱彎段，消除殘余應力，降低了水平拉力，管道張力較小，可取消長而脆弱的托管架[3]，特別適合應對深水、超深水管道敷設。

缺點：受鋪管塔高度和鋪管工藝的限制，鋪管作業線短，單工作站效率不高，鋪管效率低[4]。

J型鋪管系統是為彌補S型鋪管系統的不足而出現的。因此，S型與J型鋪管系統的優、缺點呈較強的互補性。鑒于這兩型系統的互補性，如能將兩型系統集中布置于一條船上，將大幅增強單船鋪管的作業范圍、作業能力和鋪管船利用率，增強單船市場競爭力。此外，無論是J型鋪管還是S型鋪管，為提高鋪管效率，都普遍配備管子預制線，將單節管預制成雙節管、三節管或四節管，提升鋪管效率，因此兩型鋪管系統存在大量共性設備。充分利用共性設備服務兩型鋪管系統，可減小船舶尺寸，并大幅提升單船投資的經濟性。

1.3 S型和J型鋪管系統共存的可行性

(1) 兩型鋪管系統所需配備的設備分析。表1對比了兩型鋪管系統需配備的設備，可得出結論：管子堆場、管子傳輸線、管子預制線、A & R絞車等設備是兩型鋪管系統都需配備的設備。如能將兩型鋪管系統的共有設備通過合理布置達到統一、共享，則可實現節省布置空間、減少設備數量、節約項目投資的目的。

表1 鋪管系統設備構成

(2) 兩型鋪管系統的布置位置分析。表2對比了兩型鋪管系統設備的布置位置，可得出結論：S型和J型鋪管系統共有設備的布置位置高度一致，并沒有實質差異；其他非共有設備，僅J型鋪管塔與S型鋪管的托管架存在位置上的重疊。如能通過合理布置J型鋪管塔位置，確保J型鋪管塔與托管架互不干涉，則可實現將兩型鋪管系統布置在同一條船的目的。

表2 鋪管系統設備布置位置

2 兼具S型和J型鋪管系統的優化布置方案

2.1 新方案介紹

本節介紹一種新型鋪管船的設計方案，該設計方案結合第1.2節和第1.3節介紹的兩型鋪管系統的特點和布置方案，不僅實現兩型鋪管系統完全共用第1.3節介紹的可共用設備，還利用S型鋪管系統的主作業線將雙節管預制成四節管，再通過升降機提升至露天甲板，供位于主甲板右舷的J型鋪管系統使用，并通過貫穿主甲板至船底的月池敷設管線[5]。新型鋪管船總布置圖如圖3所示。本設計方案可大幅減少重復功能設備的配置，降低項目初始投資額，提高鋪管船使用率，提高工程作業經濟性。

圖3 新型鋪管船總布置圖

(1) 主尺度

主尺度如表3所示。

表3 新型鋪管船主尺度

(2) 主要鋪管設備和系統

① 管子預制線:含左右舷雙預制線，可將單節管預制成雙節管，并可在S型鋪管主作業線上將雙節管預制成四節管，并通過傳輸系統輸送至主甲板，供J型鋪管系統使用。

② S型鋪管系統:管徑6～60 英寸(1英寸=0.025 4 m)，鋪設雙節管，鋪管水深為3 000 m，鋪管速度約7 km/d。

③ J型鋪管系統:管徑5～36 英寸，敷設四節管，鋪管水深為3 000 m及以上，鋪管速度可達3.5 km/d。

④ 張緊器:4×175 t=700 t。

⑤ A & R絞車:2×600 t，含波浪補償系統，可2臺聯合使用。

⑥ 起重機：1臺5 000 t主起重機，2臺50 t甲板起重機，1臺35 t甲板起重機，1臺25 t甲板起重機。

(3) 鋪管系統布置方案

① 管子堆場。該船主甲板共有約2 000 m2儲存面積，甲板載荷按15 t/m2設計；儲管架可以存儲長度為13 m的單節管，也可以直接存放雙節管和四節管；管子堆場布置在主甲板上，最大可裝載20 000 t管子。如圖4所示。

圖4 管子堆場效果圖

② 在J型鋪管模式下，右舷管子堆場改造成四節管傳輸線，如圖5所示。管子堆場的擱架采用螺栓連接。

圖5 四節管傳輸線

③ 管子傳輸系統。管子堆場上的管子通過左右兩舷的理管起重機，吊至艙口位置或傳輸系統，再由管子升降機下送至下一層14 700干舷甲板。主甲板布置圖如圖6所示。

圖6 主甲板布置圖

④ 14 700 干舷甲板的作業線可分為4個區域，如圖7所示：左舷雙節管預制線(圖7陰影1)、右舷雙節管預制線(圖7陰影2)、待作業橫移和對中區(圖7陰影3)、主作業線(圖7陰影4)。左右兩舷雙節管預制線由15個工作站組成，可同時將單節管預制成雙節管。除管子傳輸設備外，預制線含管子端部處理、坡口、對中、焊接、探傷等工作站。采用左右舷雙預制線的布置方式，可在兩舷同時預制3.5 km/d的雙節管，提高管子預制速度，提升鋪管效率，是實現7 km/d鋪管速度的保障。

圖7 干舷甲板布置圖

⑤ 待作業橫移和對中區位于干舷甲板艏部(見圖7陰影3)。預制的雙節管存放在該區域，并通過橫移小車移至船中心線，與主線對接。

⑥ 主作業線沿干舷甲板中心線布置(見圖7陰影4)，含端部處理、坡口、對中、焊接、探傷、包覆等工作站，艉部配備4臺175 t張緊器。

⑦ 托管架和托管架起升系統都布置在船尾，如圖8所示。其中，托管架起升系統采用插銷連桿方案，布置在主甲板上的主吊機筒體內，如圖9所示。

圖8 托管架及托管架起升系統

圖9 托管架起升系統詳圖

⑧ 本船的J型鋪管系統直接鋪設四節管。干舷甲板兩側的管子預制線將單節管預制成雙節管后，再利用S型鋪管線的主作業線將雙節管預制成四節管，并完成包覆作業形成完整的四節管。完成預制的四節管通過橫移小車移向主作業線左側，并通過管子電梯將四節管向上輸送至主甲板，再經由主甲板上的傳輸系統輸送給J型鋪管系統。如圖10所示。

圖10 S型鋪管線三維效果圖

⑨ J型塔布置于該船的船中靠右舷位置。塔下方設置從主甲板直通船底的月池，J型鋪管塔位于在該月池上方，通過該月池敷設管道。J型鋪管系統如圖11所示。在J型鋪管作業時，僅需運行單側管子預制線即可實現3.5 km/d的鋪管速度。

圖11 J型鋪管系統

⑩ 本船的2臺600 t A & R絞車，可分別單臺或并車服務于J型、S型鋪管系統。A & R絞車布置于船中區域，在干舷甲板下，可通過滑輪將鋼絲繩引導至干舷甲板和主甲板，服務于S型鋪管系統和J型鋪管系統。A & R絞車艙布置如圖12所示，A & R絞車滑輪布置如圖13所示。

圖12 A&R絞車艙布置圖

圖13 A&R絞車滑輪布置圖

2.2 新方案的優勢和意義

本文分析S型和J型兩種鋪管系統的共性及差異，通過實船方案介紹優化布置方案，最終實現兩型鋪管系統在一條船上的完美結合。采用該設計方案的鋪管船與其他投入營運的鋪管船相比有重大突破和優勢，可為新一代多功能鋪管船提供研究案例。

(1) 該船具有S型和J型兩種鋪管系統，通過優化布置，合理利用空間和共性設備，不僅實現所有通用設備能服務于兩型鋪管系統，還充分利用S型鋪管系統的主作業線設備預制四節管，供J型鋪管系統使用，進一步減少非共用設備范圍。優化方案的鋪管系統設備如表4所示。該優化方案符合深水鋪管船提高鋪管速度、縮短海水生產周期、一條船有多種鋪管功能的發展趨勢[1]。

表4 優化方案的鋪管系統設備

(2) 具有S型和J型兩種互補的鋪管方式，兩型鋪管系統相結合，能擴大該船的作業水深范圍及對應的鋪管管徑范圍，令該船交付后可獲得更高的利用率。

(3) 該多功能深水起重鋪管船可實現水下3 000 m大管徑鋪管作業，滿足我國深水油氣田作業需求，可徹底改變深水鋪管和水下作業依賴國外裝備的境況，填補該領域的國內空白。

(4) 多功能起重鋪管船對船舶保有量較少、鋪管功能單一的海工工程公司來說非常實用，可提高船舶利用率，滿足各種鋪管方式，使用靈活，避免一次作業需多條船舶，減少資金投入總量以及船舶維護保養費用。

隨著海洋資源開發的深入，國外起重/鋪管船正向著大型化、深水化、多功能化、環保、舒適性方向發展。該船的設計理念具有前瞻性，也是今后鋪管船發展的主要方向。

3 結 論

新型鋪管船設計方案充分利用S型鋪管系統的預制線、主作業線，為J型鋪管系統預制四節管，實現兩型鋪管系統的相互融合。一艘船兼備多種鋪管方式，能完成淺水、中深水、超深水的連續鋪管作業，為海上及水下作業、安裝等工程提供服務。

該設計方案不僅提高了鋪管設備的利用率，也提高了鋪管船的利用率，可為油氣服務公司減少船舶數量、實現一條船完成不同水深的工程作業需求、提升鋪管船的經濟性、提高船舶所有人的市場接單能力提供支持。