受限海域海底管道搬管技術

田 震,柴昕辰,郝清晏,焦冬梅,李亞南,陳金銘

海洋石油工程股份有限公司,天津 300461

隨著海上油氣田的逐年開發，油氣田密集程度逐漸增加，油氣田配套的海底管網布置也更加復雜，留給后續新開發油氣田海底管道和電纜的布置空間也越來越小。在設計一條新的管道路由時，由于已存在海底管道和電纜的影響，新設計的路由需充分考慮所申請海域的使用情況，這會導致設計路由的靈活性受限。另外，由于油氣田已有設施（如導管架）的存在，鋪管船沿設計路由進行海管鋪設施工時，起始鋪設或終止鋪設時鋪管船可能與導管架存在干涉。若存在上述施工條件受限的情況，進行實際海底管道鋪設施工時一般會先偏鋪，即偏離原來設計路由一定角度進行鋪設，偏鋪完畢后再倒船回來進行搬管，即將海底管道搬回設計路由[1-3]。

相比于南海和東海，我國渤海海域開發較早，海上已有設施如導管架、平臺、海底管道和電纜較多，因此新鋪海底管道設計路由受限的情況較常見，搬管作業也較多。早期搬管作業通常以經驗為主，棄管完畢后船長或施工總監根據棄管封頭與設計終止點的距離，調整船位至合適的搬管錨位，由船舷側的舷吊將海管拖拉至設計路由，或直接由船舷側的鋼絲繩拖拽海管至設計路由，這種由經驗主導的方法存在諸多缺陷，如不能拖拉至準確的位置、海管存在屈曲風險等，隨著我國海洋石油工程行業的發展，這種方法逐漸被淘汰，目前進行搬管作業前通常會給出具體的搬管方案和理論計算結果，以指導施工[4-6]。本文以渤海某油田海管鋪設施工過程中的搬管作業為例，給出整個搬管作業的施工流程和相關計算結果，并分析了施工過程中的關鍵點與風險點，本研究工作可為以后類似搬管施工項目提供借鑒。

1 主要設備及作業條件

1.1 船舶及設備

搬管作業主要用到的船舶設備為舷吊，匯眾301船舷吊布置如圖1所示，每個舷吊的有效拉力為200 kN。為應對搬管距離較長的情況，需在海管管頭附近位置增加簡易絞車以穩定管頭，保證海管管頭不會插入泥土中，簡易絞車的有效拉力為50 kN，結構如圖2所示。舷吊主體結構如圖3所示，鉤頭部分通過一個動滑輪和一個定滑輪與搬管的索具相連接，其中動滑輪可360°全旋轉，防止海管提升過程中帶來額外的扭矩，背拉鋼絲繩通過甲板上的導向滑輪與動力絞車相連接，根據需要可成一定角度進行導向，操作空間較為靈活。舷吊的其他受力點通過焊接形式與甲板主體相連接，若有其他特殊情況可隨時切割，保證安全性和靈活性。

圖1 匯眾301船舷吊布置示意

圖2 簡易絞車結構示意

圖3 舷吊主體結構示意

1.2 作業人員與海況條件

搬管作業涉及到船上甲板人員、潛水人員、錨機操控人員的多方協作，對海況及天氣窗口要求較高。潛水人員主要負責水下搬管吊帶索具等輔助工具的連接和拆除，需等待平潮期下水作業。渤海大多數海域屬于半日潮，潛水員一天之內可下水兩次，每次最多持續5～6 h。當搬管的距離較長時，一個平潮期無法完成所有連接和拆除工作，在等待下一個平潮期間需保證水下搬管輔助工具的完整性和有效性；同時，若遇到大風天氣，主作業船需現場避風或錨地避風，潛水員不具備下水條件，因此潛水作業條件或作業窗口的選擇尤其重要。

1.3 作業船舶與海況條件

本次搬管作業的主作業船為匯眾301船，其具有12個工作錨，錨纜直徑76 mm，具有較強的抗風能力。正常鋪設的海況條件為風速V≤13.8 m∕s，有義波高Hs≤2.0 m，波峰周期6.0～12.0 s；現場天氣待機的海況條件為風速13.8 m∕s＜V＜ 22.7 m∕s，有義波高2.0 m＜Hs＜4.0 m。渤海海域的涌浪周期一般為6～7 s，不超過8 s，匯眾301船在8 s周期、2 m有義波高的海況內能正常進行作業，因此在滿足天氣條件的情況下，搬管作業的作業條件主要取決于當時的潮汐情況。

2 搬管計算分析

本節以渤海某油田擴建項目為例，先對搬管作業進行計算分析。鋪設海管的主要參數如表1所示，作業海域的主要環境參數如表2及表3所示。該海域相對水深（C.D.）為18.6～19.2 m。計算采用Offpipe軟件，搬管計算分析參考DNV-OS-F101：2005標準[7]。搬管縱向距離為267 m，橫向距離為23 m，如圖4所示。由于搬管距離較長，根據試算結果，選用5個3 t浮袋提供額外浮力，浮袋及舷吊位置的側向圖如圖5所示。另外，當搬管距離不是很長時，單靠船舶本身的舷吊能力即可將偏鋪的海管搬回原設計路由，即不需要浮袋。

表1 海底管道主要參數

表2 波浪、流主要極值

表3 設計水位參數

圖4 海管偏鋪示意

圖5 匯眾301船舷吊及浮袋位置的側向示意

搬管計算分析結果如表4所示。由表4可知，總過程共分20次提升，每個舷吊經過4次提升即可將海管提升到滿足橫移（橫移船位到設計路由上方）的高度。其中1號舷吊提升20 m（6 m+4 m+4 m+4 m+2 m），2號舷吊提升18 m，3號舷吊提升16 m，4號舷吊提升15 m，此時4個舷吊總共將海管提升離開海床的長度為268.03 m，大于偏鋪長度267 m，滿足需求。海管提升完畢后的側向圖如圖5所示。橫移到設計路由上方后即可將海管緩慢下放到海床上，下放過程與提升過程完全相反。

表4 搬管計算分析結果

提升過程中4個舷吊的受力情況如表4所示，可以看出每個舷吊的最大受力不超過60 kN，而舷吊的有效能力為200 kN，顯然滿足要求。整個海管提升過程彎矩最大的步驟為第14步，根據規范，其載荷校核結果如表5所示，滿足要求。每次提升過程中海管的軸向力及最大應變均滿足規范要求。

表5 海管載荷控制校核結果

3 施工過程及關鍵點分析

本次搬管作業區域為渤海秦皇島某油田群，現場實際搬管過程分為以下幾個步驟。

（1）準備工作。提前準備好所有搬管施工的物料、機具。

（2）作業船就位。匯眾301船按照搬管錨位圖進行就位，船舶吃水為7.5 m。

（3）搬管前潛水調查。調整船位至合適的位置，潛水員進行潛水調查，獲取已偏鋪管道的實際位置及形態。

（4）安裝浮袋。在平潮期間，潛水員下水將搬管的浮袋綁扎在設計位置，本次作業的安裝位置及數量見圖5。

（5）安裝起吊索具。調整船位至設計位置，提前在甲板上將舷吊連接海管的索具配置好，潛水員下水將吊帶連接到海底管道上（通常繞海底管道一圈，然后用卡環連接）。

（6）搬管。潛水員離開海底管道一定的安全距離。連接舷吊與海底管道的索具，施加10 kN拉力，預緊索具。潛水員檢查索具連接的完整情況，符合要求后按照計算報告逐步起吊。船長、大副及舷吊現場工程師需保持良好溝通。

經大副確認后，1號舷吊操作者按計算報告施加相應的提升力，然后2號舷吊操作者依次類似操作。期間各操作者與大副保持良好溝通。每次舷吊提升后，操作者記錄鋼絲繩卷入滾筒的實際長度及張力，并與計算報告對比。若發生明顯差異，應停止操作，逐步下放海底管道至原位置。詳細的提升步驟見表4。

海底管道提升完畢后，根據水深及鋪設精度，微調卷入滾筒的鋼絲繩的長度，以獲得適合搬管的高度及角度。

（7）移動及下放。舷吊保持收緊狀態，匯眾301船移船，移動到設計路由后釋放舷吊上的鋼絲繩下放海底管道。移動過程中可能會發生應力及應變的變化，現場工程師應根據實際情況調整起吊高度使得其控制在許可范圍內，海底管道放到海床后緩慢釋放應力。

（8）搬管后調查。搬管完畢后，潛水員下水調查管道的實際位置。通常潛水人員帶著信標（一種定位設備）沿著搬完的海底管道進行實際位置復測，以查看搬管精度是否滿足要求。潛水員會選擇幾個有代表性的點進行位置測量，并反饋給現場工程師。若不符合要求則重新進行起吊，微調船位，直至符合設計鋪設精度。

（9）移除搬管輔助設備。經調查符合精度要求后，潛水員移除水下所有的搬管輔助工具，包括索具及浮袋等。

本次搬管作業中實際復測與設計路由的對比如圖6所示。可以看到，搬管精度滿足設計要求（本項目設計階段的鋪設精度為距平臺500 m±5 m范圍內）。應該明確的是，由于鋪設精度、定位精度、操船偏差等因素的影響，搬管作業不可能將海底管道完全復原到設計路由，但能保證整體路由的精度。

圖6 搬管后海底管道路由與設計路由對比示意

4 結束語

隨著海洋油氣資源的不斷開發，海上油氣設施的密集程度也逐漸加大，這給新建海底管道的鋪設帶來一定的限制。搬管作業在海域空間受限情況下的應用較多，一個切實可行的搬管方案通常需要多方協作完成，同時還需考慮天氣、潮汐等環境條件。本文從理論計算、實際現場施工兩方面詳細闡述了搬管作業的整個實施流程，并指出了其中的關鍵點，以期為后續類似項目的施工提供借鑒。