深水海底管道預(yù)調(diào)試下放軟管系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀概述

曹學(xué)文，謝振強(qiáng)，曹忠正，王 軍，鄭松賢

1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島 266580

2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450

1 研究背景

“十三五”以來(lái)，我國(guó)海洋資源開(kāi)發(fā)不斷向深水發(fā)展，海底管道在海洋油氣資源開(kāi)采和運(yùn)輸方面扮演著越來(lái)越重要的角色[1]。不管是海底還是陸上管道，為方便操作管道在敷設(shè)時(shí)其內(nèi)部是空的。因此，海底管道在正式投產(chǎn)之前，為了核查安裝管道的完整性和可靠性，需要進(jìn)行預(yù)調(diào)試處理。

海底管道預(yù)調(diào)試工藝主要包括以下部分：充水、清潔、測(cè)徑（內(nèi)檢測(cè)）、水壓試驗(yàn)、排水、干燥、惰化等[2-4]。對(duì)于淺水平臺(tái)或較短管道，可從平臺(tái)收、發(fā)球完成管道預(yù)調(diào)試工作；對(duì)于深海平臺(tái)或較長(zhǎng)管道，目前常用的海底管道預(yù)調(diào)試方案主要為水下發(fā)球-水上收球方案[5]。

下放軟管系統(tǒng)是一種移動(dòng)式的可下放回收的海洋軟管系統(tǒng)，其作用是連接水面供源系統(tǒng)（如動(dòng)力定位駁船F(xiàn)DS 或FPSO）和海底接收設(shè)備（如水下收發(fā)球筒），將水面供源系統(tǒng)中的流體介質(zhì)（如含防腐劑的淡水、乙二醇、干空氣、氮?dú)獾龋┹斔偷胶５捉邮赵O(shè)備，為海底管道的預(yù)調(diào)試工作提供介質(zhì)和動(dòng)力。

對(duì)于水下發(fā)球-水上收球模式的深水海底管道預(yù)調(diào)試，由于海底設(shè)備本身無(wú)法提供相應(yīng)的動(dòng)力源和介質(zhì)，因此需要通過(guò)下放軟管，從水面供源系統(tǒng)向海底的水下發(fā)球筒提供淡水、干空氣、乙二醇、氮?dú)獾裙ぷ鹘橘|(zhì)和動(dòng)力。因此，下放軟管是連接水上相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備和海底相關(guān)設(shè)備的重要部件。圖1為下放軟管的整體布局結(jié)構(gòu)示意[6]。

2 下放軟管的類(lèi)型及發(fā)展歷程

下放軟管的靈感最早來(lái)源于陸地修井機(jī)上使用的連續(xù)油管（見(jiàn)圖2），首次應(yīng)用是在二戰(zhàn)期間。連續(xù)油管是一體式的管道，對(duì)其機(jī)械性能已經(jīng)有較好的了解，因此易于根據(jù)操作的需要選用。此外，大多數(shù)組件較容易獲取，制造過(guò)程簡(jiǎn)單，因而被廣泛使用[7-8]。

圖1 下放軟管系統(tǒng)布局示意

圖2 連續(xù)油管實(shí)物

連續(xù)油管雖然制造和獲取比較容易，但其本身為碳鋼空心管，不耐海水腐蝕；另外，海上波浪載荷會(huì)使連續(xù)油管經(jīng)歷高周交變載荷，連續(xù)油管所用的碳鋼材料很容易發(fā)生疲勞失效[9-10]。因此，人們發(fā)明了多層纏繞的高壓軟管。

高壓軟管由金屬鎧裝和多層非金屬材料纏繞、包覆而成（見(jiàn)圖3），它兼具金屬材料的抗壓性和非金屬材料的柔性、抗腐蝕性。但是其制造過(guò)程比較復(fù)雜，且其單位長(zhǎng)度的質(zhì)量較大，因此不適用于超過(guò)1 500 m 的深水作業(yè)[11-13]。

為了克服高壓軟管存在的缺陷，最近美國(guó)一家公司研制出了一種新的熱復(fù)合材料管（見(jiàn)圖4），它具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、重量輕的特點(diǎn)，并已成功應(yīng)用到深水海底管道預(yù)調(diào)試工藝中。但由于其本身由非金屬材料制成，不適宜輸送高溫流體[14-15]。

圖3 高壓軟管結(jié)構(gòu)示意

圖4 熱復(fù)合材料管結(jié)構(gòu)示意

從早期的連續(xù)油管，到比較成熟的高壓軟管，再到最新的熱復(fù)合材料管，下放軟管系統(tǒng)得到了不斷的優(yōu)化和提升，能夠更高效、安全、經(jīng)濟(jì)地完成海底管道預(yù)調(diào)試的相關(guān)工作。

由于下放軟管系統(tǒng)有較好的柔性，因此下放軟管系統(tǒng)的工作和生產(chǎn)過(guò)程可以允許一定幅度的洋流和波浪載荷，為了保證生產(chǎn)和運(yùn)行的安全，搭載下放軟管的駁船需要有動(dòng)力定位系統(tǒng)[13-14]。下放軟管的下放和回收速度較快（對(duì)于1 500 m 水深最快下放時(shí)間約2 h），因此大大減少了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的施工周期以及租船和人工費(fèi)用；在海上施工作業(yè)過(guò)程中，如果遇到風(fēng)暴等突發(fā)事件，下放軟管還可以迅速在水下切斷并回收，使駁船可以迅速撤離受風(fēng)暴影響的海域，從而減少損失。

3 下放軟管系統(tǒng)的應(yīng)用案例

目前，下放軟管系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于全世界各個(gè)海域，如巴西、澳大利亞、非洲、北海和中國(guó)南海[16-19]。

（1）2014—2015年，Saipem 公司對(duì)南美巴西的4 條水深2 200 m 的海底輸氣管道進(jìn)行預(yù)調(diào)試工作，這4 條輸氣管道分別為：Cabiunas 輸氣管道（D18in、280km）、Cernambi 輸氣管道（D18in、19 km）、Iracema 輸氣管道 （D 20 in、5.5 km）和Sapinhoa 輸氣管道（D 20 in、15.5 km），采用的下放軟管管徑均為3.5 in（1 in=25.4 mm）。

（2）2011年，雪佛龍公司在墨西哥灣800 m水深應(yīng)用管徑4.5 in 的下放軟管。

（3）2012年，Saipem 公司為 Guara ＆ Lula Sapinhoa 海底管道預(yù)調(diào)試，下放軟管內(nèi)徑為3 in，應(yīng)用水深2 500 m。

（4）2016年，Shell 公司為非洲尼日利亞SNEPCo Bonga 油田做海底管道預(yù)調(diào)試，使用3 in管徑的下放軟管，應(yīng)用水深1 500 m。

（5）2013年，Saipem 公司為中國(guó)南海荔灣海底管道進(jìn)行預(yù)調(diào)試，下放軟管管徑3 in，應(yīng)用水深1 500 m。

4 下放軟管系統(tǒng)的組成

下放軟管系統(tǒng)主要包括卷輪、導(dǎo)向器、張緊器、下水橋、下放軟管管道、配重模塊、飛線(xiàn)軟管、快速插拔接頭、動(dòng)力能源提供裝置等部分。

4.1 卷輪

卷輪是下放軟管系統(tǒng)的主體部件，其外形像一個(gè)大的線(xiàn)軸，見(jiàn)圖5。其外圈輪轂可以繞中心軸自由旋轉(zhuǎn)，下放軟管管道緊密而規(guī)則地纏繞在卷輪上。卷輪上方安裝有排線(xiàn)器，在連續(xù)油管下放時(shí)，將管道均勻、穩(wěn)定地抽出，在下放軟管管道回收時(shí)，將下放軟管緊密規(guī)則地纏繞在卷輪上。卷輪裝置本身安裝有動(dòng)力絞車(chē)，可為下放軟管的下放和回收提供轉(zhuǎn)動(dòng)所需的動(dòng)力[20]。

圖5 卷輪實(shí)物

4.2 張緊器

如圖6所示，張緊器位于卷輪的后方，主要由2～4個(gè)對(duì)稱(chēng)的類(lèi)履帶裝置組成。履帶夾緊下放軟管管道，通過(guò)將自身循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄路跑浌艿闹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)下放功能。張緊器主要有以下功能[21-23]：

（1）控制連續(xù)油管下放速度和連續(xù)油管末端在水中的深度。

（2）避免將連續(xù)油管上的載荷傳遞到滾輪上。

（3）為回收連續(xù)油管時(shí)提供升力。

圖6 張緊器實(shí)物

4.3 下水橋

如圖7所示，下水橋位于張緊器后方，通過(guò)鋼架構(gòu)固定在船側(cè)或船尾，其外形為具有一定弧度的圓弧形鋼結(jié)構(gòu)。其作用是將從卷輪抽出的下放軟管引導(dǎo)至垂直向下，同時(shí)為下放軟管的懸掛提供一定的支撐作用。下水橋弧度的彎曲半徑不得超過(guò)下放軟管所允許彎曲半徑的最小值，以免下放軟管因過(guò)度彎曲而發(fā)生破壞失效[24]。

圖7 下水橋?qū)嵨?/p>

4.4 配重模塊

為了使下放軟管在下放期間保持直線(xiàn)狀態(tài)，并保持下放過(guò)程的穩(wěn)定，需要在下放軟管上加配重模塊。配重模塊加在下放軟管的末端，其質(zhì)量的選擇由下放軟管受力計(jì)算確定[25]。

4.5 飛線(xiàn)軟管

在下放軟管和水下收發(fā)球筒之間有一段50 ～75 m 左右的飛線(xiàn)軟管。飛線(xiàn)軟管的直徑小，可以進(jìn)行較大程度的彎曲。可減小由下放軟管傳向收發(fā)球筒的載荷，進(jìn)而減小對(duì)水下收發(fā)球筒的破壞[26-27]。

4.6 快速插拔接頭

快速插拔接頭位于飛線(xiàn)軟管末端，用于連接飛線(xiàn)軟管和水下收發(fā)球筒。快速插拔接頭分為公頭和母頭，見(jiàn)圖8。ROV 可以握著把手將快速插拔接頭插入水下收發(fā)球筒上的母頭中[28]，輸送的介質(zhì)流體可通過(guò)公頭上的孔進(jìn)入母頭，使介質(zhì)順利進(jìn)入水下收發(fā)球筒。

圖8 快速插拔接頭

5 下放軟管系統(tǒng)的下放與連接工藝

下放軟管的下放可以從船尾或者駁船中間的月池進(jìn)行，具體下放步驟如下：

（1）檢查下放軟管下放路徑，確保下放路徑上沒(méi)有尖銳物、高溫?zé)嵩匆约斑\(yùn)動(dòng)部件等干擾。

（2）下放軟管一端抽出并與相應(yīng)的接頭相連接，完成連接之后對(duì)整體下放軟管進(jìn)行氣密性檢查，確保其密封性良好。

（3）同步操作駁船上的吊車(chē)和卷輪絞車(chē)，使下放軟管依次通過(guò)下方路徑上的各個(gè)設(shè)備。

（4）將下放軟管牽引至下放點(diǎn)（如月池或船尾），并連接飛線(xiàn)軟管、配重吊索和快速插拔接頭等部件。

（5）啟動(dòng)卷輪絞車(chē)開(kāi)始下放，此過(guò)程中注意控制下放軟管的下放速度。

（6）當(dāng)下放軟管下端下放至距離海床上方約20 m 時(shí)，停止下放軟管的下放，采用ROV 輔助駁船調(diào)整軟管位置至距離水下收發(fā)球筒約10 m 左右。

（7）ROV 將水下收發(fā)球筒上的盲插頭拔出，插入快速插拔接頭。ROV 移除不需要的配重及相關(guān)繩索，回收至駁船上。完成收尾整理工作，整個(gè)下放軟管的下放過(guò)程結(jié)束。

6 結(jié)束語(yǔ)

深水海底管道的預(yù)調(diào)試工藝對(duì)保障深水海底油氣資源的開(kāi)發(fā)和利用具有重大意義，而下放軟管系統(tǒng)是海底管道預(yù)調(diào)試工作不可分割的組成部分。本文對(duì)下放軟管系統(tǒng)的發(fā)展歷程和應(yīng)用案例進(jìn)行了總結(jié)歸納，并對(duì)下放軟管系統(tǒng)的組成和下放連接工藝進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，以期為海洋石油的相關(guān)從業(yè)者和研究者提供借鑒和幫助。