水下ROV可拆卸式海纜抱卡的設計與應用

高 超 劉耀江 盧維強 李國毅 何昱亮

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

近年來，在全球海洋油氣開發的項目中，深水項目扮演著越來越重要的角色。開發水深超過500 m的深水項目占48%，開發水深超過1 500 m的深水項目占22%，深海油氣開發已經成為未來各國油氣資源爭奪的主戰場。海底電纜作為水下電力輸送設備，連接上部設施和水下生產系統，被稱為水下生產的生命線，是深海項目管道鋪設的重要組成部分。海纜作為海上油氣田開發的重要組成部分之一，主要應用于從水面生產設施到電潛泵等用電設備的連接，為水下用電設備提供生產所需要的動力。海纜安裝作為海上油氣田工程建設的重要組成部分，通常在海纜末端下放入水過程中，需要采用鋼絲編織的拖拉網套來承受海纜水中懸鏈線的重量，在打開張緊器使海纜末端通過的過程中，海纜不會滑脫以及破壞和失控。

1 原理概述

隨著油田開發水深的增加，海纜在水中懸鏈線的質量也隨之提升，采用常規的鋼絲拖拉網套該工藝將無法滿足實際施工的需要，并且拖拉網套對安裝人員的要求較高，在高負載的情況下容易破壞管纜的外包覆，且拖拉網套安裝后無法回收，將會永久地遺留在管纜上，在后續生產過程中增加了管纜被漁網拖曳的風險。拖拉網套的安裝和編織方法受限于操作者的經驗以及手法，存在極大的不穩定性。針對上述拖拉網套的缺陷，設計了1種水上甲板安裝，水下ROV可拆卸式海纜抱卡是1種更加安全高效的方式，其示意圖如圖1所示[1-2]。

圖1 水下ROV可拆卸式海纜抱卡示意圖

通常在海纜末端需要通過張緊器之前，在入水橋位置安裝鋼絲編織的拖拉網套并與下放絞車相連，將海纜懸鏈線載荷由張緊器通過拖拉網套傳遞至絞車，使海纜末端可以順利地通過張緊器，并由水平姿態通過吊機實現翻身成為垂直姿態，并將載荷由絞車傳遞給吊機，水下ROV斷開絞車與拖拉網套的連接，回收絞車至甲板，拖拉網套將遺留在海纜上。

水下ROV可拆卸式海纜抱卡為兩瓣式環形結構如圖1所示，內部采用類似4軌張緊器的特殊鋼制墊板，并通過螺栓結構進行機械鎖緊。可以通過內部墊板均勻地將載荷分步在管纜的外包覆上，抱卡為圓形環抱結構，如圖2所示，可以提供較大的接觸面積，在更短的長度上提供較大的軸向載荷，以保證操作安全可控，且對海纜的外包覆的影響較小。另外，抱卡是通過外側圓形環抱結構配合內部墊板提供擠壓力的，可以在同一外徑的抱卡下，通過更換內部墊板的尺寸規格以適應不同外徑的深水海纜。抱卡可以采用ROV進行水下回收，使用完成后在海纜表面無任何結構遺留，有效降低了后續生產過程中管纜被漁船掛到拖曳的風險。

2 水下ROV可拆卸式海纜抱卡設計

2.1 抱卡總體設計

深水海纜大多外徑尺寸不一，目前拖拉網套多為針對單一外徑海纜、受力情況定制適用于單個海纜的拖拉網套，拖拉網套的安裝和編織方法受限于操作者的經驗以及手法，存在極大的不穩定性，進而影響海上施工的安全。ROV可拆卸式抱卡如圖3所示，其可以提供穩定、標準化提供安裝以及受力，并且可以使用ROV進行水下拆除，確保海上施工的安全，以及降低后續生產過程中管纜被漁船掛到拖曳的風險。抱卡通過頂部2個吊耳與絞車鋼絲繩相連提供受力，在甲板上通過扭矩扳手工具對抱卡進行鎖緊。鎖緊機構上一側采用ROV液壓工具可拆卸式螺母，另一側則采用內嵌是螺帽配合彈簧機構，以便于水下ROV解鎖后，螺栓可以有效分離。在考慮ROV可拆卸式抱卡受力情況時，需要考慮安裝工況下可能面臨的最大受力情況，并且至少保留1.5倍的安全系數，以應對可能的極端突發情況。

2.2 抱卡的墊板設計

圖2 水下ROV可拆卸式海纜抱卡使用示意圖

抱卡是通過內部抱卡的擠壓力以及墊板與海纜的外表面摩擦力提供軸向拉力，需要設計墊板擠壓到海纜的外表面上，形成足夠的擠壓載荷，通過外層的摩擦能力來確保提升載荷，并將載荷傳遞至產品的鎧裝。要設計1種機械卡子和墊板，可以安裝在海纜的任何位置，提供擠壓力和摩擦力。因為ROV管卡的載荷能力完全取決于管卡的內摩擦力。

圖3 水下ROV可拆卸式海纜抱卡總體結構示意圖

為了使抱卡可以針對不同外徑，可以通過更換抱卡內部不同厚度的墊板實現。

墊板的設計如圖4所示，需要考慮海纜可以承受的徑向擠壓力，并通過墊板的有效解除面積以及夾角計算可以施加到海纜本體上的有效擠壓力，在完成墊板的外形設計后，需要將設計參數發給海纜廠家進行校核，并在墊板預制成功后，采用海纜的樣纜進行擠壓力和滑移測試，以驗證抱卡的性能是否能滿足要求。

圖4 水下ROV可拆卸式海纜抱卡墊板示意圖

2.3 抱卡強度分析

抱卡強度分析主要包括安裝過程中的吊裝分析、受力分析以及結構強度分析。通過安裝分析確定了動態放大系數后，可以對ROV操作管纜抱卡進行吊裝分析和受力分析，以選取合適的吊裝索具和墊板，確定安裝過程中ROV操作管纜抱卡的強度滿足要求。

3 水下ROV可拆卸式海纜抱卡安裝與回收

水下ROV可拆卸式海纜抱卡在海纜末端到達張緊器入口前需要進行安裝，安裝完成后需要與能提供足夠拉力的絞車鋼絲繩相連，并在絞車上安裝拉力計以監控海纜末端通過張緊器下放過程中的受力情況。確保受力始終在設計受力范圍以內。

3.1 水下ROV可拆卸式海纜抱卡甲板安裝

準備ROV抱卡吊裝索具，吊裝抱卡至工作平臺；利用吊機安裝抱卡至海纜，進行組隊，并利用綁扎帶，手拉葫蘆等工具進行對中，并通過ROV卸扣與A&R絞車相連，并將回收索具綁扎在抱卡上；在A&R絞車上安裝拉力計；通過扭矩扳手對螺栓進行鎖緊，按照既定順利進行螺栓緊固，達到預定設計扭矩值；吊機連接海纜末端，準備通過張緊器，并下放末端入水；繼續鋪設海纜，下放ROV抱卡入水，直到海纜末端接近張緊器入口處，回收A&R絞車并帶力；打開張緊器，吊機配合絞車使海纜末端緩慢地通過張緊器；海纜末端通過張緊器后，吊機將整個海纜末端提起，逐漸將受力由絞車傳遞給吊機。

3.2 索具設計

抱卡在甲板上安裝完成后，需要通過索具在拆卸后回收至甲板，為了實現水下ROV拆卸并順利回收至甲板，將絞車與抱卡通過如圖5所示連接，索具通過ROV可拆卸式卸扣，并通過鋼絲繩卸扣與抱卡頂部吊耳相連，同時延伸出吊機回收索具及吊帶與吊環，后續通過ROV鉤與吊機相連。

吊機回收索具如圖6所示，采用吊機與吊帶連接并攜帶ROV鉤的配置

圖5 水下ROV可拆卸式海纜抱卡連接索具示意圖

3.3 抱卡回收

當海纜末端通過張緊器后，受力將由抱卡傳遞至吊機，此時ROV水下斷開絞車鋼絲繩與抱卡之間的連接，回收絞車鋼絲繩至甲板，下放吊機回收索具，將回收索具攜帶的ROV鉤與預留的回收吊環相連。ROV攜帶液壓工具，對鎖緊的螺栓進行反向解鎖，按照螺栓的安裝順序依次斷開螺栓的連接，待所有螺栓都斷開后，回收抱卡至甲板。

4 結語

圖6 水下ROV可拆卸式海纜抱卡回收索具示意圖

水下ROV可拆卸式海纜抱卡作為深水海纜安裝必備裝置之一，會越來越多地應用在海洋石油開發的深水安裝項目中。在未來，ROV海纜抱卡必將可以取代拖拉網套。尤其是在深水項目中，由于水深深導致海纜在水中的懸鏈線長，頂部載荷大，并且深水管纜的外包覆均為PE材質，傳統的拖拉網套在高載荷狀態下容易滑動，難以保證其安全性。水下ROV可拆卸式海纜抱卡的研究設計可以適應一定范圍內不同外徑的管纜，提供穩定、標準化的安裝回收流程，可以增強海上施工的穩定性、安全性。水下ROV可拆卸式海纜抱卡在實際應用的過程中，仍然需要考慮如下問題，ROV液壓工具在每次使用前需要進行校準，并在每個螺栓上進行適配，確定水下液壓工具可以完美適配ROV抱卡。根據ROV抱卡的使用頻次，需要根據螺栓疲勞和屈服強度對螺栓進行選型。為了應對更為復雜的工況，進一步拓展水下ROV可拆卸式海纜抱卡，考慮如何實現海纜抱卡水下ROV可拆可裝，以便于廣泛地應用于后期海纜的維修作業。