管纜斜坡式鋪設系統設計及應用

張云鵬

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

隨著海洋石油行業的發展，水下生產系統在深水油氣田中應用得越來越廣泛，其中柔性管纜是水下生產設施的重要組成部分，主要包括柔性軟管、臍帶纜、電纜。柔性管纜的主要特點是具有較小的彎曲半徑，對由于連接浮體運動、波浪、海流環境和安裝作業等引起的彎曲載荷具有較好的順應性。

柔性管纜的海上安裝通常由鋪纜船完成，根據管纜入水方式的不同，可分為水平鋪設（Horizontal-lay）和豎直鋪設（Vertical-lay）2 種形式。水平鋪設中，按照管纜存儲方式的不同，也可分為卷盤（carousel）鋪設和滾筒（reel）鋪設。因滾筒方便運輸，匹配性強，并可以多次重復利用，滾筒鋪設目前應用廣泛。

綜合來看，水平鋪設方式中使用動力定位船、中軸式滾筒驅動裝置、張緊器、入水橋，這是國際上較為成熟的管纜安裝方法，安裝工作效率較高。部分項目由于其施工要求，需要設計應用較高的入水橋，張緊器也須相應加高并設置一定角度，這就用到特殊的斜坡式形式，其仍屬于管纜水平鋪設方式的范疇。

該文根據流花21-2 電纜施工實例進行論述，該例中斜坡式鋪設系統的入水橋總高度為 14m，該創新設計的成功實施是國內水下管纜鋪設的又一突破，具有良好的應用推廣價值。

1 鋪設關鍵設備

1.1 選型概述

柔性管纜鋪設是一項復雜而系統的工程，為高效完成柔性管纜的鋪設工作并實現效益最大化，需要合理選用設備。圖1 為斜坡式鋪設系統的側視圖，展示了鋪設系統的基本設備。

圖1 斜坡式鋪設系統的設備

通常來說，柔性管纜鋪設作業所需的關鍵設備選型，主要由以下關鍵因素決定：柔性管纜尺寸參數；柔性管纜數量及到貨形式；柔性管纜鋪設作業水深；柔性管纜的鋪設方案。

柔性管纜鋪設設備選型前需要對柔性管纜的技術文件進行詳細研究，可先進行柔性管纜鋪設初步分析，分析的結果可以為鋪設裝備選型、裝船布置及輔助施工結構設計提供支持與建議。

管纜存儲裝置是柔性管纜存儲、運輸及鋪設的載體。由上文可知，常見的柔性管纜存儲裝置一般分為滾筒和卷盤。滾筒和可旋轉式卷纜盤，都是以繞軸旋轉的方式收放管纜，不存在扭力積累，所以對海纜、軟管和臍帶纜的存儲都適用，具體選擇哪種類型，需要綜合考慮柔性管纜參數和船舶參數。

如果是長距離管纜，在不允許分段的前提下，其存儲采用較多的是固定卷纜盤或帶有大容量儲纜艙的施工船舶。帶有儲纜艙的專業鋪纜船是長距離海纜鋪設的首選，但這類船舶資源較少。

短距離的管纜較常采用滾筒存儲及鋪設，但須搭配專門的中軸式滾筒驅動裝置來使用。

該實例的設備選型和結構設計，基于流花21-2 油田的2 條電纜：A 電纜（長度3.7km），B 電纜（長度3.86km）。電纜的主要參數見表1。

表1 電纜主要參數

1.2 滾筒驅動裝置

中軸式滾筒驅動裝置通常分為驅動立塔、滑軌、動力和控制單元4 個部分。驅動立塔上含有液壓動力單元，垂直方向布置的液壓缸可以頂舉滾筒離開底座，塔頂的驅動模塊可以與滾筒上的驅動接口相匹配并小范圍水平移動，插入滾筒的驅動接口內，驅動模塊在液壓馬達作用下驅動滾筒旋轉，完成管纜收放。

滾筒驅動裝置的選型需要根據滾筒的尺寸，滾筒及管纜的總重以及鋪設的海況條件綜合考慮。

目前國外廠家供貨采用的滾筒已經形成了一套行業標準，滾筒的寬度和HUB 接口幾乎完全一致，所以在滾筒尺寸方面主要考慮的是滾筒外徑。

滾筒加上管纜的總質量，不能超過放纜裝置可驅動的最大重量。如滾筒的寬度超過6m，這將導致裝置的2 個驅動塔間隔較大，滾筒施加給驅動塔的力矩較大，可能造成驅動塔固定結構的損壞，所以驅動裝置的選型需要考慮滾筒的寬度是否在規定范圍內。

流花21-2 電纜由于廠家采用滾筒形式交貨，滾筒的寬度和HUB 接口都為通用尺寸。電纜滾筒的自重為183MT，根據需求最終選取400MT 通用滾筒驅動裝置。

1.3 張緊器設備

在鋪設某些小管徑管纜時，如果通過計算得出的鋪設張力不大，可以考慮使用滾筒驅動裝置直接鋪設，但是需要保證管纜鋪設至滾筒最內圈時的力矩不大于滾筒驅動裝置能夠承受的最大力矩。

如果無法使用滾筒驅動裝置直接鋪設，就需要在管纜鋪設路由上增加張緊器設備。張緊器可以在管纜鋪設下放過程中，控制鋪設的速度，并保證管纜受到的張力為恒定值。張緊器的4 條履帶向內移動收緊，給管纜施加壓力，管纜表面和履帶將產生摩擦力，這種摩擦力為軟管提供張緊力，防止管纜意外滑動的同時向外輸送管纜。

在張緊器選型時，根據初步計算分析的結果，首先選定張緊器的噸位，也就是張緊器可提供的最大張力。

管纜廠家提供的側壓力數據，注明了在不同的鋪設張力值下，單位長度管纜每履帶所需的最小側壓力和所能承受的最大側壓力，以及推薦側壓力數值。在進行選型時，先確定鋪設張力的區間范圍，然后配合張緊器廠家提供的側壓力表，核對在最小和最大側壓力范圍內，張緊器能否提供足夠張力。

張緊器的噸位確定后，需要根據其規格書核對該噸位的張緊器與管纜的尺寸是否匹配。不同類型的張緊器可適用的管纜外徑有一個適應范圍，只要確保管纜的尺寸在這個范圍內即可。除此之外，在某些管纜上還會附著有如中間接頭、限彎器之類的附件，需要保證張緊器履帶的最大張開間距可以滿足附件的通過要求。

對該實例流花21-2 電纜，使用水動力軟件Orcaflex初步計算電纜鋪設過程，得出電纜的最大動態張力為37.1MT。考慮該張力值及上述因素，選擇使用最大工作荷載50MT 張緊器。

2 輔助結構物設計

2.1 入水橋

入水橋是管纜斜坡式鋪設方式中的重要設備，一般將其固定在施工船舶船尾或船舷，是用于管纜入水導向的裝置，主要起到支撐管纜并控制管纜在入水橋上曲率的作用，使管纜在鋪設時管纜具有比較合理的變形。

入水橋通常采用弧面溝槽設計，入水橋的弧形板設計半徑要求大于管纜的最小操作半徑。需要根據管纜的參數和鋪設要求等設計入水橋，如管纜在甲板上的路由、最小彎曲半徑、固定位置等要求。

根據廠家提供的電纜資料，電纜的MBR（操作最小彎曲半徑）為4.2m，設計的入水橋弧面半徑必須要大于這個數值，考慮一定的設計余量，將其半徑設計為5m。

在電纜的鋪設過程中，需要在電纜上安裝浮子、管卡等附屬結構，這些安裝工作在入水橋弧板的下方完成，因此需要將入水橋本體抬升至距甲板一定高度，以提供人員操作的空間，并在入水橋下方增加一個主工作平臺。

流花21-2 有一段電纜外層需要安裝限位管卡和左右兩側的限彎段結構，該段總長為11.6m，如圖2 所示。根據操作需求，必須在入水橋弧板下方留有7m 以上的操作空間，以安裝限位管卡和一側限彎段。

圖2 電纜限位管卡及限彎結構

根據以上需求，入水橋設計總高須要達到14m 左右，才能滿足電纜鋪設安裝附屬結構的要求。

如圖3 所示，入水橋弧板下方的主工作平臺設計有可向兩側打開的格柵蓋板，蓋上時可供人員站立，打開后即可通過電纜。工作平臺上設計有2 條平行大梁，可以前后拉動，當電纜鋪設至末端，需要進行電纜臨時懸掛時，將大梁伸出提供懸掛支撐。入水橋的二層平臺上設計有懸臂梁，方便轉運電纜的附屬結構和施工工具等。

圖3 入水橋設計模型

2.2 張緊器支架

為了與入水橋相配合進行施工，配套的張緊器需要加高到相適應的高度，為保證電纜路徑由張緊器至入水橋弧板的平順過度，需要將張緊器設置為一定的角度，這可以通過設計張緊器下方支架的傾斜角度來實現。使用AutoCAD 軟件進行模擬，得出支架的最優傾斜角度為17°。考慮到支架預制方便及拆裝靈活，將入水橋支架設計為上下2 層，下層結構上表面水平，上層結構設計有傾斜角度。

3 有限元計算

3.1 計算通用參數

使用海洋工程結構分析軟件SACS 進行入水橋和張緊器支架建模計算。設計使用HYSY285 船進行安裝施工，入水橋和張緊器支架固定于船尾，如圖4 所示。

圖4 入水橋張緊器布置

根據DNVGL 船舶運動規范及船舶外形尺寸，采用表2 船舶運動參數進行裝船計算。

結構計算的工況考慮結構自重和環境載荷風載，風速根據規范選取27m/s，分別考慮與船艏向0°、90°、180°、270°方向的風載荷。

管纜在入水橋和張緊器上的最大工作拉力，可按照張緊器的最大工作載荷50t 取值。入水橋和張緊器支架的鋼材材質選用Q235B，屈服強度235MPa，泊松比為0.3。

3.2 入水橋計算

將以上表2 中的船舶運動參數，輸入至SACS Tow input file 中，同時在軟件中建立入水橋的模型及加載本身重力載荷，入水橋的邊界條件設為最下層底座在甲板上多節點固定，圖5 為入水橋計算模型。在SACS 拖航Tow 模塊中同時運行模型文件和Input file 文件，計算可得出船舶航行時，船舶運動施加在入水橋上的載荷。

圖5 入水橋計算模型

表2 船舶運動參數

在上述拖航Tow 計算基礎上，在軟件模型中輸入各向風載。再輸入管纜施加的張緊力，以及管纜末端懸掛時施加在入水橋上的懸掛力，以上所有的載荷即為入水橋模型的基本載荷。在最終的計算組合combine 模型中，選取10個詳細工況，對上述的各種基本載荷進行組合計算。可將詳細工況歸類為表3 中的主要類型。

表3 入水橋工況組合

在生成的結果文件psvdb 中查看計算結果，根據API RP 2A-WSD 和AISC 規范，入水橋結構各桿件的最大材料強度利用率=0.66<1，如圖6 所示，結果證明入水橋結構強度滿足設計要求。

圖6 入水橋計算結果

3.3 張緊器支架計算

張緊器支架的基本計算過程與入水橋相同，邊界條件設為立柱支點全部固定，張緊器自重作為一個重心點進行加載，如圖7 所示。計算中選取9 個詳細工況，對上述的各種載荷進行組合，計算結果。可將主要工況歸類見表4。

表4 張緊器支架工況組合

圖7 張緊器支架計算模型

根據API RP 2A-WSD 和AISC 規范，張緊器支架結構各桿件的最大材料強度利用率=0.67<1，如圖8，結果證明張緊器支架結構強度滿足設計要求。

圖8 張緊器支架計算結果

4 結語

在海洋石油工程中采用水平鋪設的方式進行管纜海上安裝是一種常用方式，根據部分管纜的鋪設要求，需要的入水橋較高，將張緊器的高度增加，并且設計為一定的斜度，即為斜坡式鋪設系統。

斜坡式管纜鋪設系統在流花16-2 油田群工程項目中成功應用，提高了管纜鋪設安裝技術水平。該鋪設系統提升了管纜海上鋪設的效率，取得了良好的經濟效益。

該文通過流花16-2 油田群工程項目中流花21-2 油田電纜鋪設設計的成功實例，詳細闡述了斜坡式鋪設系統的主要設備、選型要求、配套結構物設計、結構物的計算分析，以及斜坡式鋪設系統對施工效率提升等方面。總結出一套斜坡式鋪設系統的設計流程和方法，對今后類似管纜鋪設項目實施提供了參考。