海底管道鋪設系統升級改造及工程應用

趙福臣， 宋曉麗， 王 勇

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

目前，48 in海管是世界上最大尺寸的海底油氣管道。早在20世紀70年代，意大利Saipem公司在埃及鋪設過48 in管道。近幾年，Allseas公司在Nord Stream 2期項目中也進行了48 in海管鋪設。48 in海底管道附加110 mm水泥配重層，最大外徑尺寸約為58 in，為當今世界上最大尺寸的管道，國內鋪管設計較早，超大口徑管道的鋪設具有重大的挑戰。

尼日利亞Dangote項目位于西非海域，業主為Dangote石油煉化公司，施工工期為2018年12月—2020年12月，海上施工工期約為720天，作業水深為0～40 m。該項目包含48 in管道鋪設，水泥涂層厚度為120 mm，海管外徑為1 465.6 mm，水泥涂層外徑為58 in，單根重量達27 t。尼日利亞Dangote項目管線信息如表1所示。

表1 尼日利亞Dangote項目管線信息

(續 表)

目前，海洋石油202鋪管船的設備無法滿足大噸位管道的鋪設要求，為更好地適應48 in水泥配重管線的鋪設，通過對鋪管船的實地調研，并對設備出廠以來出現的設備故障進行統計分析，有針對性地對設備進行優化改造，使管道鋪設設備適應鋪設大尺寸重型管線。

1 當前設備簡介

海洋石油202船作業線船尾滾輪系統由精研工程機械傳動有限公司生產，坡口區坡口設備及托管架系統由海油工程自主生產，天車系統由船舶建造期間配置。圖1為海洋石油202鋪管船作業線布置圖，主要功能是完成整個海管的鋪設作業。

主作業線設置在主甲板的右舷側，托管架布置在船尾，主作業線及托管架共同構成管道的傳輸系統，細節如下：

(1) 2個海管坡口區，滿足單節點管和雙節點管的鋪設作業要求。

圖1 現有作業線設備整體布置圖Fig.1 Arrangement of HYSY202 main fireline

(2) 作業線內的天車系統。

(3) 船尾3個可調高度履帶支撐，1個船尾傳輸滾輪。

(4) 1個重力式托管架及A字架。

當前滾輪系統經過長期使用后，統計分析了近幾年設備發生的故障。主要存在以下問題：

(1) 現有坡口作業配套設備為2013年新改造添加的設備，相應結構框架按8～24 in海管設計，無法滿足48 in管線的鋪設。

(2) 在管道鋪設作業時，作業線天車無法滿足管線前進的輔助動力支持?，F有作業線天車均為鋼絲滾筒形式，如鋪設外徑為58 in的海管項目，天車凈空高度不滿足要求。同時，根據前期與建造公司的溝通，結合作業中所需的吊裝設備，需對現有天車進行更換，對天車梁進行上移及重新布置，以滿足施工作業需求。

(3) 船尾現有的履帶滾輪無法滿足強度要求，船尾最后一個滾輪(LC40)受海水腐蝕影響嚴重。

(4) 托管架目前無法滿足48 in重型管線鋪設作業[1]，圖2所示是托管架，是完成管道船尾入水的過渡設備。

圖2 現有托管架整體形式Fig.2 Picture of stinger

(5) 現有滾輪涂層為聚氨酯涂層，在鋪設水泥涂層管線時，磨損率較高。

2 改造工作范圍

本次改造的主要設備有坡口區作業設備、天車系統、張緊器后滾輪和托管架滾輪，工作范圍如下：

2.1 坡口作業區適應性改造

現有坡口作業配套設備相應結構框架按8～24 in海管設計，無法滿足48 in管道作業要求，需進行適應性修理。

(1) 海管舉升裝置。

(2) 液壓夾緊裝置。

2.2 天車系統適應性改造

在天車系統適應性改造中，天車修理數量如表2所示。

表2 行車修理數量

2.3 張緊器后滾輪適應性改造

(1) 履帶式支撐單元。

(2) 滾輪式支撐單元立柱。

2.4 托管架適應性改造

海洋石油202托管架為重力式托管架，托管架通過A字架與船尾固定，第一節托管架共有9組腰鼓滾輪，立柱前后無加強結構，腰鼓滾輪與周圍立柱通過抱卡固定。

(1) 傳輸滾輪結構。

(2) 滾輪立柱形式。

(3) 滾輪抱卡與立柱的連接形式。

3 改造的基本要求

3.1 坡口區設備

滿足48 in管道坡口作業，當水泥涂層直徑為60 in時，滿足管道的坡口作業。添加海管舉升裝置，協助管道坡口對中海管舉升裝置。基本參數和具體要求如下：

(1) 設計海管重量(單節點)為40 t。

(2) 單臺舉升能力為30 t。

(3) V形支撐包角為130°。

(4) 升降行程為400 mm。

(5) 升降時間為10 s。

(6) 管徑范圍為4～60 in。

(7) 單節點管線長度為12.2 m±0.5 m。

3.2 天車系統

結合作業過程中管道涂覆設備的使用需求，對張緊器后的天車系統進行改造：

(1) 需更換的行車起升機構全部選用進口環鏈葫蘆，行走機構要求結構簡單。

(2) 行車梁的選用在滿足結構和吊重負荷的前提下，選用強度高、結構尺寸小的工字梁，盡量增加起升高度。

(3) 主線改造的行車行走機構選用變頻電機驅動，速度可調。

(4) 修理后的行車需做吊重實驗并出具證書。

3.3 船尾尾部傳輸滾輪要求

大管徑管道對張緊器后滾輪壓力較大，需要對滾輪結構形式進行升級改造

(1) 管徑范圍為4～60 in。

(2) 單節點管線長度為12.2 m±0.5 m。

(3) 最大靜載荷為90 t、 110 t、 60 t、 60 t。

(4) 水平載荷LC37、 LC38和LC39均為5t， LC40水平載荷為10 t。

(5) 滾輪的調節方式為步距式調節。

(6) 船尾滾輪聚氨酯邵氏硬度范圍為80±5。

(7) 輸送機的滾輪與管段之間的設計摩擦系數應不小于0.25。

3.4 托管架

托管架為海管出船尾后的受力裝置，托管架的整體強度及滾輪形式對鋪管作業具有重要意義，托管架改造的要求如下：

(1) 管道直徑范圍(最大外徑)為4～60 in。

(2) 管道直徑范圍(鋼管外徑)為4～48 in。

(3) 管節長度公差，單節點為±0.1 m。

(4) 管節長度公差，雙節點為±0.5 m。

(5) 最大單節點管重量為40 t。

(6) 雙節點管最大重量為80 t。

(7) 滿足48 in管道要求，托管架修理的基本設計要求。

(8) 托管架腰鼓滾輪改成V形滾輪。

(9) 滾輪與立柱固定形式由抱卡形式改為插銷形式。

(10) 滾輪組數量改為6組。

(11) 每組滾輪承垂直載力為80 t。

(12) 前5組滾輪組水平承載力10 t，第6組滾輪水平承載力20 t， U形輪水平承載力80 t。

(13) 滾輪高度調節范圍滿足曲率半徑90～360 m。

(14) 托管架上loadcell、攝像頭、深度尺、角度儀、聲吶等電儀設備相關結構設計也應符合適應性改造要求。

4 改造方法

4.1 坡口作業配套設備

根據202船主甲板橫移區空間尺寸及現有三條橫向傳輸導軌(TC01～TC03)的安裝位置、布管間距，對該區域的坡口作業配套設備進行如下布置：

(1) 當坡口機作業時，被坡口海管軸線距離縱向送管線5 613 mm(理論尺寸)，被坡口海管為存儲在管臺上的4根海管中的第3根。

(2) 拆除現有TC01、 TC02附近的海管舉升、海管夾緊裝置，在TC03附近增加安裝一套海管舉升。

(3) 海管舉升設備：舉升裝置主要由V形提升架、側板、滑軌、滾動軸承、舉升缸組組成。在舉升缸驅動下V形提升架上下運動，其運動受到V形提升架上滾動軸承與側板上滑軌的限制，通過行程開關控制液壓控制閥組可實現V形提升架行程自動調整，行程為400 mm(最終確定行程于修理后的橫向傳輸導軌推動小滾輪尺寸不得互相干涉為準)。

圖3為海管舉升裝置，設備的主要功能是在海管坡口作業時，協助完成海管的組對作業。

圖3 海管舉升裝置Fig.3 Drawing of pipe lifting equipment

4.2 坡口機吊裝裝置

對中裝置主要由行走框架、坡口機托架、進給液壓馬達總成、進給油缸托架、軌道總成和防傾翻鉤板組成。進給油缸一端固定于行走框架，另一端通過進給油缸托架固定于船甲板，可驅動行走框架沿軌道運動。行走框架上的懸掛坡口機的鉤頭可上下、左右微調。重新設計門架，增加門架的寬度、高度，框架外形尺寸可滿足Serimax 32～48 in坡口機的使用要求。配置合適的坡口機底部托架。現有坡口機支架軌道劑托鏈位置調整，框架啟用部分增大增強。圖4所示是坡口加工機的吊裝框架，主要作用是吊裝坡口機。

圖4 液壓對中裝置示意圖Fig.4 Drawing of pipe bevelling machine

4.3 作業線行車系統

將現有作業線內工作9站和工作10站作業線行車進行改造，在張緊器后部增加1臺5 t環鏈式行車，將現有的20 t天車改造為10 t環鏈式天車，更換軌道梁，更換滿足大口徑管道作業的小行車，滿足作業9站的噴砂作業，滿足作業10站的中頻加熱及包膠作業，圖5為張緊器后天車布置圖，天車的主要作用是協助吊裝管道涂覆作業設備等。

圖5 張緊器后天車布置圖Fig.5 Arrangement of sky crane

4.4 船尾滾輪

更改船尾滾輪的形式，整體滾輪結構改成豎直結構，優化管道鋪設過程中的受力要求。圖6為船尾豎向傳輸滾輪單元，通過調整船尾滾輪底部墊塊結構，可實現全部滾輪結構豎直向上，滿足管道鋪設作業過程中管道應力需求。

圖6 船尾豎向傳輸滾輪單元Fig.6 Arrangement of rollers on the stern

4.5 托管架

(1) 海洋石油202托管架整體強度和局部強度滿足48 in管道鋪設要求，海洋石油202托管架最新計算結果(采用上Hitch點，角度9°，滾輪垂向荷載為40 t×6，水平荷載為800 kN、 200 kN、 100 kN×5)。

(2) 目前的抱卡形式與立柱固定形式，抱卡形式改成插銷形式，圖7所示為改造后托管架滾輪形式，滾輪箱與立柱之間為插銷結構。

圖7 改造后托管架滾輪Fig.7 Stinger rollers

(3) 目前腰鼓滾輪受力大小為60 t，管道鋪設過程中，最大滾輪受力達到80 t[2]。

5 結 語

海洋石油202的鋪管系統通過對作業線的改造，進行了坡口區舉升裝置的改造，通過吊裝框架的設計實現了大口徑管道的坡口作業，為后續自動焊接作業做好了準備；天車系統的改造設計，對張緊器后大口徑管道噴砂涂覆作業設計了理論高度，實現了船尾涂覆作業；船尾滾輪系統，通過滾輪底部三角形支撐框架實現了船尾滾輪的豎直設置，管道實現安全作業；托管架系統的改造，為船尾與海底之間架設了一個安全的通道，實現了管道的安全入水?？傮w而言，如上的改造實現了48 in水泥配重管的正常鋪設，滿足了今后鋪管船對于大口徑管道鋪設作業的要求。