南海深水鋼懸鏈立管S型鋪設關鍵技術研究

王曉飛，李 斌，趙福臣，吳仕鵬，王 佳

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

為充分發揮我國現有深水S型鋪管船“海洋石油201”的作業能力，以中國南海陵水17-2項目的一條6 in（1 in=25.4 mm） SCR為例，針對SCR焊接、超深水管道起始鋪設、渦激抑制減緩裝置安裝以及柔性接頭應變控制等關鍵技術進行研究，并給出技術方案[1-8]。

1 SCR鋪設關鍵技術

1.1 焊接工藝設計

為了滿足嚴苛的疲勞壽命要求，SCR的焊接工藝設計是關鍵。在陵水17-2項目中，首次開發了機械式熔化極氣體保護焊冷金屬過渡（mGMAW-CMT）的封底工藝和機械式熔化極氣體保護焊脈沖模式（mGMAW-P） 的填充蓋面工藝，坡口形式設計為窄間隙J型坡口。管道焊縫組對錯邊量（Hi-Lo）控制在0.5 mm以內。為達到這一標準，SCR管道兩端必須進行內鏜孔，并根據管端測量數據進行分類和配對。SCR焊縫需打磨拋光形成圓滑過渡，并將余高控制在0.75 mm以內，以降低焊縫位置應力集中系數。通過機械性能和全尺度疲勞試驗，證明所開發的焊接工藝滿足規格書要求。SCR焊縫不允許返修，如果焊縫缺陷值超出標準則需要切口重新焊接。因此為了達到較高的焊接效率，必須控制切口數量。設計過程中對比了不同作業站點布置對施工效率的影響，以?6 in的SCR為例，施工作業效率評估如表1所示。

表1 施工作業效率評估

從上述分析中得知，對于每個雙節點管道而言，方案一較方案二雖然在關鍵路徑上平均節省5.5 min，但由于切口耗時更長，在效率上方案二更高，因此，海上施工時建議使用方案二。

1.2 超深水SCR起始鋪設技術

對于超深水管道S型鋪設，其與J型鋪設類似，通常將管道的分離角設計為近90°，使托管架尾滾輪與管道成切線狀態。S型鋪設依靠船艉托管架將管道從水平轉變為豎直形態，即管道與托管架分離后成J型狀態。因此，托管架的曲率設計應盡可能接近豎直狀態，同時應將管道的應變控制在規范要求內。根據管道基本參數，設計了針對超深水管道安裝的托管架曲率，如表2所示。

表2 托管架曲率設計數據

陵水17-2項目的SCR（?6 in）起始鋪設方法為超深水管道懸垂下放連接重力錨法，作業水深為1 430 m。此方法是以一個重力錨作為系固點，當管段懸垂下放至接近海床后，將管頭通過一小段起始纜與重力錨連接到一起。與常規大抓力錨相比，重力錨可以在長基線（LBL）陣列中精確就位，并具備較高承載力和穩定性，能夠保證起始端落在目標區域的安裝精度。

重力錨上預留一段起始纜短索具，可以在起始鋪設前由支持船預先安裝完畢。管頭起始端連接另一段起始纜，其長度根據實際重力錨的安裝位置確定。對超深水SCR起始鋪設，兩段起始纜的總長度一般為50～100 m。管頭端的起始纜應進行綁扎，以防止在通過托管架時與滾輪攪纏。超深水SCR起始鋪設的基本步驟如圖1所示。

圖1 超深水SCR起始懸垂下放工藝

1.3 渦激抑制裝置安裝設計

VIVstrake在SCR懸空段的覆蓋率為75%，設計使用年限為30年。VIV strake制造材料有PE/PU/PP等。相關試驗研究表明，適用于S-lay的材質主要為PU，這是因為S型鋪設在管道通過托管架滾輪時承受較大的支反力。綁扎帶材質設計為高耐海水腐蝕的鎳625合金。VIV strake在使用前要根據鋪設時滾輪支反力在陸地進行測試，以模擬通過托管架后渦激抑制列版的恢復狀態及損壞率。

對于單個雙節點管道，VIVstrake安裝作業處于SCR鋪設關鍵路徑，施工效率高低取決于綁扎作業面的范圍。設計時盡量選擇一個比較大的作業區域進行，在釋放管道過程中進行綁扎作業。安裝過程中可能出現滾輪碾壓滑脫現象，應檢查滾輪的轉動狀態，可在VIVstrake初始位置安裝楔形木塊以幫助平滑通過滾輪，過渡形式設計效果如圖2所示。

圖2 VIV減緩裝置初始安裝過渡設計

1.4 SCR鋪設長度的精確控制

SCR安裝精度應滿足立管懸掛角度誤差范圍，安裝允許的懸掛角度誤差一般為±0.5°。為了滿足最終安裝精度要求，在SCR鋪設階段需要將柔性接頭管焊接在正確位置上，即通過精確控制SCR的長度誤差來保證懸掛角度的正確。基于SCR（?6 in）特性和所在水深，經分析SCR鋪設長度的精度應控制為±6 m以內。考慮到海床起伏、定位設備精度、管道測量誤差等因素影響，應將SCR鋪設長度的精度控制在±3 m內，這在1 500m水深（懸鏈線超過2 000 m） 的范圍控制難度較大。為達到所要求的鋪設精度，制訂了鋪設長度精度控制的方案，如圖3所示。首先，制訂了采用長基線陣列的方式，對標記點進行水下定位，得到所需鋪設管道的長度；然后，對后續待焊接的每根管道測量實際長度，對鋪管長度數據進行動態控制；最后，確定所需安裝的調整管長度。

圖3 終止鋪設精度控制模型

1.5 柔性接頭終止鋪設技術

SCR終止鋪設于柔性接頭側。由于柔性接頭是SCR的關鍵構件，起到懸掛立管、承受平臺運動荷載的作用，對其進行保護非常重要。柔性接頭的外徑（1100mm） 是管道外徑（168.3 mm） 的6.6倍，在通過“海洋石油201”托管架時，由于應力集中而產生較大彎矩，從而引起塑性變形而導致柔性接頭彈性體損壞。為將柔性接頭局部應變控制在0.24%以內，以滿足設計要求，為此專門設計了過渡裝置，其一端為ROV鉤，另一端為吊耳，如圖4所示。

圖4 柔性接頭安裝應力過渡裝置

2 SCR海上鋪設效果

2020年8月，“海洋石油201”用時10 d完成了1條?6 in的SCR鋪設作業，鋪設總長度的精度誤差控制在±1.5 m內。累計焊接365道焊縫，切口3道，一次合格率為99.2%，切口率為0.8%，遠低于國際SCR鋪設過程中的切口率。海上施工實踐表明，“海洋石油201”采用S型鋪設方式可以用于安裝SCR。

3 結束語

通過對鋼懸鏈立管鋪設關鍵技術的研究，解決了采用S型鋪管船安裝SCR的技術難點，并應用在國內首個鋼懸鏈立管安裝項目中。在后續SCR鋪設項目的設計時，建議重點關注以下幾點：第一，通過設計選用適合的S型鋪管船進行深水SCR鋪設；第二，對于SCR焊接，作業站點設置可以減少切口率；第三，VIV減緩裝置應選用聚氨酯材料，應設計過渡段輔助通過滾輪；第四，通過控制SCR鋪設長度精度，可以實現對SCR懸掛角度誤差的控制；第五，柔性接頭若作為末端安裝時，通過設計過渡裝置可以有效控制局部應變，從而降低風險。