深水柔性管纜豎直鋪設工藝

趙秀美，樊 磊，劉 敏，由培蕾

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

1 柔性管纜簡介

我國海洋油氣工業不斷向深水挺進，柔性管纜已成為經濟高效地開發深水油氣田的不可或缺的重要設施。柔性管纜主要包括柔性軟管、臍帶纜以及電纜。柔性軟管通常由多層聚合物層和金屬加強層組成，用于輸送油、氣和水等流體，將水下生產設施與水面生產平臺相連接，構成一套完整的采輸系統。臍帶纜是一根綜合管線，通常由以下幾部分構成：用于注入化學藥劑的具有強抗壓潰性能的軟管，用于液壓控制水下閥門的熱塑性軟管，用于傳輸信號的光纖，用于傳輸電力的電纜，抗拉力鎧甲層以及聚合物外包覆層[1]。其上端連接上部生產控制模塊，下端連接水下生產設施，以實現水面設施對生產過程的監測和控制[2]。海底電纜則為海洋裝備的主要電力來源，為水下設施提供持續供電[3]。相比于鋼質管線，柔性管纜具有柔韌性好、安裝方便、抗腐蝕性強和可回收等諸多優點，具有更好的經濟性[2，4]。

柔性管纜在鋪設安裝過程中需要考慮的施工細節繁多。對于柔性軟管而言，安裝過程中操作不當可能會導致其骨架層壓潰或管體過度彎曲，對軟管造成機械損傷[5]。安裝過程中，可能導致臍帶纜損傷的載荷主要考慮拉壓和扭轉。應嚴格控制臍帶纜彎曲半徑和軸向載荷，并且由于臍帶纜對扭轉載荷較為敏感，也應嚴格控制其扭轉角度。

根據柔性管纜在甲板上的路由不同，其鋪設安裝通常有水平鋪設和豎直鋪設2種方式。水平鋪設中，柔性管纜通過水平張緊器、導向弧板等設備，經安裝在作業船舶舷側或船尾的下水橋下水，甲板上鋪設路由在水平方向上，多用于淺水海域。豎直鋪設是為了解決水平鋪設過程中管纜上端承受較大彎曲和擠壓力的問題而發展出來的鋪設方法。豎直鋪設最大特點是作業船舶需要具備一套集成了張緊器、定位器等設備的豎直鋪設系統，柔性管纜經由托輥、導向弧板進入豎直鋪設系統，由船內月池或者船舷以近乎豎直的方向下水。柔性管纜鋪設示意圖如圖1所示。通過豎直鋪設系統的應用，管纜在定位器處只承受彎曲載荷，在張緊器處只承受拉伸載荷，避免了水平鋪設過程中柔性管纜在下水橋處承受較大的拉彎組合荷載，實現了管纜拉彎組合荷載的解耦，有效地改善了管纜的受力狀態，可有效提高海上作業天氣窗口，在深水鋪設安裝中具有獨特優勢[2-4]。

圖1 柔性管纜鋪設示意圖

2 豎直鋪設關鍵裝備

較水平鋪設而言，柔性管纜的豎直鋪設過程更為復雜，需要多種特殊設備協調配合，所涉及的幾種關鍵裝備介紹如下。

2.1 作業船舶

作業船舶是管纜鋪設相關裝備及其鋪設設備的載體。目前國內外用于較深水柔性管纜鋪設的作業船舶多為帶有動力定位能力的多功能支持船。這類船舶的普遍特點是：①甲板面積通常在1 000 m2以上；②動力定位等級在DP 2或以上；③配備工作級水下機器人(ROV)系統。

2.2 豎直鋪設系統

豎直鋪設系統(VLS)是豎直鋪設作業中最為關鍵的裝備。該系統為一座由2根立柱支撐固定的豎直塔架，通常安裝在舷側、船尾或者船中月池的上方。塔架上通常集成了塔頂吊機、塔頂導向輪、收放絞車、管纜定位器、張緊器、懸掛夾具、塔底梁吊、甲板絞車以及工作平臺等設備，以實現管纜經由甲板絞車和塔頂吊機牽引進入垂直鋪設系統后，整個鋪設過程均在塔架上完成，豎直鋪設系統模型圖如圖2所示。

圖2 豎直鋪設系統模型圖

2.3 ROV

ROV是由水面操作人員遠程控制的潛水式機器人系統，用來替代潛水員進行水下考察或作業，具有部署方便、作業時間長、安全可靠以及經濟性好等諸多優勢。柔性管纜鋪設船配備的是大型工作級ROV，通常配備水下影像記錄設備、大型機械臂以及各種操作工具，能夠到達潛水員無法潛至的水深，進行施工監測、設備安裝以及檢修等工作，在海洋油氣開發中使用廣泛。

2.4 管纜存儲設備

滾筒和卷管盤是對柔性管纜在運輸和安裝期間進行存儲的主要設備。滾筒是短距離管纜在運輸和安裝時存儲的常用設備，滾筒實物圖如圖3所示。由于其具有方便轉運的優勢，因此產品到貨時，可以直接由吊機將碼頭或者運輸船舶上的滾筒吊裝于管纜鋪設船，方便快捷，但是因為滾筒裝載容量低，一般僅作為短距離管纜的存儲設備。卷管盤位于一個主銷上，主銷集成在基座結構中，將自重和船舶運動產生的荷載傳遞到甲板上，可以保證柔性管纜在運輸和安裝過程中的穩定，卷管盤模型圖如圖4所示。卷管盤上方通常都配有裝載臂，用以輔助盤纜和導向。相較于滾筒，卷管盤具有更大的管纜容量，可以儲存長距離管纜，通常設置于鋪設船主甲板下，部分鋪設船也會配備2個卷管盤，提升作業能力。

圖3 滾筒實物圖

圖4 卷管盤模型圖

3 柔性管纜鋪設裝備國內外發展情況

1972年，柔性軟管首次在石油工業中得到了應用。至今，柔性軟管在全球海洋油氣產業的應用已有50年的歷史[5]。柔性管纜的水平鋪設方式始于上世紀40年代，經過長時間的發展，已在全球海洋油氣產業得到了廣泛的應用[3]。隨著海洋油氣開發向深水的延伸，以TechnipFMC和Subsea7為代表的國外主流管纜安裝公司逐漸發展出豎直鋪設技術及配套裝備。

我國柔性管纜的鋪設安裝技術發展相對滯后，設計和施工水平與國外尚存在一定的差距[6]。在發展初期，我國自主完成的柔性管纜鋪設安裝工作多在300 m水深以內，且主要采用水平鋪設方式[6-7]。但隨著我國首艘具備豎直鋪設能力的柔性管纜鋪設船“海洋石油286”的建成，我國真正具備了獨立自主的柔性管纜豎直鋪設能力，“海洋石油286”先后完成了我國南海文昌9-2/9-3/10-3項目柔性軟管的鋪設，流花29-1、流花16-2以及陵水17-2等項目的柔性軟管和臍帶纜的鋪設，標志著我國成功掌握柔性管纜豎直鋪設技術，并不斷刷新國內鋪設記錄。表1為全球典型柔性管纜豎直鋪設船及其主要參數。

表1 全球典型柔性管纜豎直鋪設船及主要參數

4 柔性管纜豎直鋪設典型方案

盡管柔性軟管、臍帶纜和海底電纜的功能、產品參數以及輔助附件各不相同，但是3種管纜的豎直鋪設流程都可大致分為5個主要步驟：倒纜作業、開始鋪設、正常鋪設、終止鋪設和水下回接。開始鋪設前和完成鋪設后還會分別進行鋪設預調查和后調查環節。現以深水軟管鋪設實際工程方案為例，對柔性管纜豎直鋪設安裝的流程進行詳細介紹。

1)軟管首端出艙。連接甲板絞車與預先安裝在軟管上的拖拉網套，使用甲板絞車將軟管牽引出艙，并固定在管槽上，軟管首端出艙模型圖如圖5所示。

圖5 軟管首端出艙模型圖

2)軟管首端過垂直鋪設系統。下放服務吊機并連接軟管接頭。初始化絞車提供軟管前進動力并將其提起，吊機輔助提升軟管接頭，保證接頭不會刮蹭旋轉導向輪。

待軟管拖拉網套完全通過甲板補償器，關閉甲板補償器。當軟管接頭到達旋轉導向輪入口處時，停止提升軟管，在甲板上連接甲板絞車與預裝的第二個拖拉網套，使用初始化絞車和服務吊機將軟管接頭旋轉通過旋轉導向輪，甲板絞車不帶力僅跟隨，在軟管接頭通過旋轉導向輪后，服務吊機保持松弛狀態，拆除軟管接頭，關閉軟管對中器之后關閉張緊器，拆除拖拉網套，拆除絞車。軟管接頭到達月池后，開吊機，關緊張緊器，拆除絞車，排出軟管垂直段中的乙二醇(主要用于抑制天然氣水合物的產生)，以便打開拖拉頭連接鵝脖。

3)軟管首端鵝頸管連接。將高壓法蘭卡具連接軟管接頭和鵝脖，完成背試壓測試后，移出翻轉支架上部，回收軟管，使鵝脖脫離支架，再移出翻轉支架下部，進行鵝脖通過月池校核。

4)軟管首端回接。搭設臨時平臺，安裝限彎器和陽極，然后下放鵝脖和軟管，當鵝脖下放至水深200 m(距海面)時，下放吊機將鵝脖翻轉成回接面朝下，鵝脖翻轉過程示意圖如圖6所示。ROV監控吊機與軟管同步下放，當鵝脖離海底15 m時停止 ，拆除鵝脖與結構物上的保護帽，將鵝脖移到結構物上方進行回接操作。

圖6 鵝脖翻轉過程

5)軟管末端出艙。末端拖拉頭放置在擋板，將軟管末端垂直段乙二醇排出，將末端25 t拖拉頭拆除、安裝300 t拖拉頭。

6)軟管末端過VLS。絞車連接拖拉網套，吊機連接軟管接頭。絞車提供背張力，吊機保證接頭不會刮蹭旋轉導向輪，張緊器下放軟管，VLS吊機與絞車跟隨。VLS吊機與絞車輔助軟管接頭過導向輪，軟管接頭到達旋轉導向輪后，將索具轉移到A&R絞車，打開張緊器，下放接頭至月池，安裝懸掛卡子將軟管懸掛于月池。

7)2段軟管連接。將下一條軟管首端按照前述方式傳遞至月池處，進行軟管中間接頭法蘭連接。法蘭螺栓連接后進行螺栓液壓拉伸、背試壓測試。連接完成后，進行正常鋪設。

8)軟管末端限彎器與陽極安裝。軟管末端下放至月池，開始安裝限彎器。提升軟管，并逐個安裝限彎器與陽極。限彎器與陽極安裝完成后，下放軟管接頭并懸掛在月池處補充軟管末端乙二醇。

9)軟管末端試鋪。不裝鵝脖，通過月池試鋪軟管，A&R絞車通過月池下放軟管末端。軟管距離結構物2 m時停止，ROV記錄軟管鋪設至海底后的旋轉角度，為末端鵝脖提供連接角度。

10)軟管末端鵝脖連接。使用吊機與倒鏈起吊鵝脖，將鵝脖調平并按試鋪標記的方向與軟管對接，安裝鋼臂索具與鵝脖連接。

11)軟管末端鵝脖下放。通過吊機和A&R絞車下放軟管末端鵝脖。

12)軟管末端回接。當鵝脖下放至離海底15 m時，暫停下放。拆除鵝脖與結構物上的保護帽，下放快速絞車連接至預裝的駝峰索具，最后，將鵝脖移到結構物上方進行回接。

5 結束語

隨著我國海洋油氣產業的不斷發展，南海油氣田的開發不斷推進，柔性管纜及其鋪設安裝技術的應用前景廣闊，我國獨立自主的鋪設安裝裝備及技術日漸成熟，不斷拉近與國外先進水平的差距。發展柔性管纜豎直鋪設裝備與技術，對于我國海洋油氣開發與能源安全保障具有現實和長遠意義。