海底管道及膨脹彎海上安裝效率分析研究

馮愛民，張 璐，董兆佳，韓延波，左 勝

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.深圳海洋工程技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東 深圳 518067)

0 引言

海上石油和天然氣的開采，以海上固定或浮式平臺(tái)為開采和處理設(shè)施，以海底管道為傳輸載體，將海底開采的石油和天然氣資源源源不斷地送至陸地終端。海底管道是海上油氣田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的主要組成部分，也是最快捷、最安全和經(jīng)濟(jì)可靠的海上油氣運(yùn)輸方式[1]。除海底管道登陸段、淺灘和極淺海域外，一般采用鋪管船法進(jìn)行海底管道的鋪設(shè)。以鋼制海底管道為例，在鋪設(shè)之前，海底管道在陸地經(jīng)過涂敷、配重后，用駁船運(yùn)輸至鋪管船上；進(jìn)行海底管道鋪設(shè)過程中，先將分段海底管道在鋪管船上進(jìn)行逐段地組裝、焊接，待檢驗(yàn)合格后，在鋪管船向前移動(dòng)時(shí)，從船尾部的托管架上滑入海中，在靠近平臺(tái)側(cè)，安裝膨脹彎以連接海底管道和平臺(tái)立管；同時(shí)，為增加在位坐底穩(wěn)定性，減少漁業(yè)活動(dòng)對裸露海底管道的影響，還要進(jìn)行挖溝填埋處理。

在一般海域中鋪設(shè)一條海底管道需要一支由鋪管船、挖溝船和多條輔助作業(yè)的拖船，如海底管道運(yùn)輸船、交通船、物料補(bǔ)給船等組成龐大的專業(yè)船隊(duì)。船隊(duì)的費(fèi)用是海底管道施工中的主要費(fèi)用，由于這一費(fèi)用較高，使海底管道施工費(fèi)用比陸上同類管道要高2倍左右。因此，針對海管鋪設(shè)的各項(xiàng)影響因素提出改進(jìn)措施，提高海底管道的鋪設(shè)效率，縮短鋪設(shè)船天，成為降低海底管道投資建設(shè)的主要途徑。

1 效率影響因素及應(yīng)對措施

1.1 效率影響因素

海管鋪設(shè)及膨脹彎安裝的效率影響因素主要包括天氣和海況因素、人員和返修因素、船舶和設(shè)備因素、設(shè)計(jì)和方案因素。

(1)天氣和海況因素包括因季節(jié)氣候所帶來的涌浪和短時(shí)天氣產(chǎn)生的大風(fēng)、大霧等。涌、浪、風(fēng)等導(dǎo)致船舶在海上施工期間失去穩(wěn)性并有可能對海管的完整性產(chǎn)生破壞，同時(shí)人員暈船也導(dǎo)致焊接難度增加，直接降低施工效率[2-3]。大霧降低了能見度，影響了海上施工人員的視野范圍，一些海面以上的大型施工作業(yè)需要待機(jī)等待霧散。

(2)人員和返修因素，包括施工人員的技術(shù)水平和熟練程度。技術(shù)水平不僅關(guān)系到施工效率，還影響到施工合格率。技術(shù)水平較低的人員，不僅速度慢，而且會(huì)因?yàn)榉倒?dǎo)致重復(fù)作業(yè)，增加施工周期。長時(shí)間和重復(fù)性的作業(yè)，會(huì)讓施工人員產(chǎn)生倦怠心理，這種心理逐漸地讓施工人員無法專注投入施工作業(yè)中，從而降低施工效率[4]。

(3)船舶和設(shè)備因素，其中船舶待機(jī)，比如因?yàn)楣芾頊贤ú簧疲┕ご霸谶M(jìn)入施工現(xiàn)場時(shí)，其他船舶還未完成作業(yè)，使工作不能按期開展，因受到其他船舶的干涉產(chǎn)生待機(jī)。而設(shè)備待機(jī)指位于鋪管船上的施工作業(yè)線出現(xiàn)故障，其中出現(xiàn)故障率最大的為對中器和坡口機(jī)，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，使生產(chǎn)線某個(gè)環(huán)節(jié)暫停，會(huì)導(dǎo)致海管焊接作業(yè)線整體停滯。

(4)設(shè)計(jì)和方案是施工的前提，直接關(guān)系到工作量和施工難度。施工方案是在原有開發(fā)建設(shè)方提供的基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)下，根據(jù)既定的輸入條件，如船舶、海管參數(shù)等，進(jìn)行研討和設(shè)計(jì)。不同的方案下，施工量會(huì)有較大差異，例如海管路由的選擇，不同的路由方案直接影響到海管的總長度。

1.2 應(yīng)對措施

以上因素中，天氣和海況是自然客觀條件，尤其是可命名的臺(tái)風(fēng)，屬于不可抗力，一般可以得到工期補(bǔ)償，而12級風(fēng)以下的惡劣天氣，應(yīng)對的方式是在施工計(jì)劃編制時(shí)預(yù)留浮時(shí)和根據(jù)天氣預(yù)報(bào)擇機(jī)施工以減少待機(jī)影響。其余因素，可以通過采取針對性措施減少工期影響。例如，人員的技術(shù)水平可以通過培訓(xùn)來提高，建立人員篩選機(jī)制，優(yōu)勝劣汰，如果能將鋪管船上施工的焊接人員固定化，這樣施工人員對施工環(huán)境、船舶特點(diǎn)、設(shè)備性能等了解更深，對施工效率是有極大提高的；對于故障率較高的設(shè)備應(yīng)在項(xiàng)目前期準(zhǔn)備好充足的備件及備用設(shè)備，并在平時(shí)多進(jìn)行設(shè)備的維修保養(yǎng)，使其在鋪管過程中具備良好的狀態(tài)[5]；設(shè)計(jì)和方案，可以選擇具有豐富經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，對方案進(jìn)行優(yōu)化，降低工作量或施工難度，達(dá)到節(jié)約工期和成本的目的。

2 項(xiàng)目實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

潿洲11-2油田二期開發(fā)工程項(xiàng)目位于南海北部灣海域內(nèi)，水深40 m，年平均氣溫23 ℃，每年5—11月為臺(tái)風(fēng)季節(jié)，其余月份為季風(fēng)季節(jié)。項(xiàng)目海底管道設(shè)施包含一條直徑20 cm(6寸)的4.0 km注水海底管道和一條直徑33.3 cm(10寸)的4.0 km海底油水混輸管道。海管鋪設(shè)及膨脹彎安裝原計(jì)劃采用海洋石油202船(以下簡稱“HYSY202”)，因船舶檔期問題，調(diào)整為濱海109船(以下簡稱“BH109”)。

2.2 施工準(zhǔn)備及平管鋪設(shè)

BH109船3月24日開始在潿洲錨地進(jìn)行海管倒駁及焊接、檢驗(yàn)、潛水和定位等設(shè)備的安裝調(diào)試等準(zhǔn)備工作，3月26日現(xiàn)場拋錨就位后開始注水管線的起始鋪設(shè)，4月2日完成注水管線鋪設(shè)，4月3日移錨就位后開始混輸管線的起始鋪設(shè)，4月16日完成混輸管線鋪設(shè)。

施工計(jì)劃中天氣待機(jī)6 d，實(shí)際發(fā)生3.5 d(含1 d故障待機(jī))，計(jì)劃施工時(shí)間19.5 d，實(shí)際施工時(shí)間17.5 d，最終早于計(jì)劃4.5 d完成平管鋪設(shè)工作，如表1所示。剔除掉天氣待機(jī)之后的正常鋪設(shè)(不包含起終止)效率分別為注水管線593 m/d，混輸管線452 m/d，作為比較計(jì)劃中目標(biāo)設(shè)置為注水管線800 m/d，混輸管線400 m/d。

表1 海管鋪設(shè)計(jì)劃與實(shí)際工期偏差對比

導(dǎo)致實(shí)際施工效率低于計(jì)劃施工效率(工期增加)的原因有：(1)施工前期人員磨合階段所占時(shí)間較長，焊接出現(xiàn)多次返修，合格率低。先鋪設(shè)的直徑20 cm(6寸)注水海底管線實(shí)際效率低于計(jì)劃效率，平均每天比計(jì)劃少鋪設(shè)207 m。(2)BH109一般在渤海海域施工作業(yè)，此前從未到過南海西部海域作業(yè)，船舶抗風(fēng)能力不足，施工海域又持續(xù)受西南風(fēng)及暗涌影響，船舶隨涌浪搖擺幅度較大，施工作業(yè)經(jīng)常中斷，導(dǎo)致整體作業(yè)效率降低。(3)BH109服役已超過40 a，船上施工設(shè)施和設(shè)備老舊、維護(hù)保養(yǎng)不足，設(shè)備出現(xiàn)故障待機(jī)，直接導(dǎo)致施工中斷，需要停工對設(shè)備進(jìn)行檢查維修。

導(dǎo)致實(shí)際施工效率高于計(jì)劃施工效率(工期節(jié)約)的原因有：(1)BH109在前往作業(yè)現(xiàn)場之前的施工準(zhǔn)備工作做得非常充分，將4.5 d的設(shè)備調(diào)試等施工準(zhǔn)備工作，由4.5 d縮短至2.0 d。(2)先鋪設(shè)的注水海底管線因施工人員對工藝和環(huán)境陌生而效率降低。而后鋪設(shè)的混輸海底管線，施工人員經(jīng)過長達(dá)一周的對施工工藝的磨合，已經(jīng)逐漸熟悉作業(yè)環(huán)境和施工機(jī)具，并增加團(tuán)隊(duì)協(xié)作默契，使返修率逐漸降低，使得混輸海底管線鋪設(shè)實(shí)際效率高于計(jì)劃效率，平均每天比計(jì)劃多鋪設(shè)52 m。(3)項(xiàng)目組向氣象權(quán)威機(jī)構(gòu)訂閱中期(未來15 d)專業(yè)海洋天氣預(yù)報(bào)，通過展望和評估天氣和海況，選擇風(fēng)、浪在一段時(shí)間內(nèi)較為平穩(wěn)的時(shí)機(jī)開始施工，降低海上天氣待機(jī)率。(4)制定激勵(lì)機(jī)制，根據(jù)項(xiàng)目機(jī)械完工的里程碑點(diǎn)，每提前一天，給于一定的獎(jiǎng)勵(lì)以提升施工人員的積極性。

2.3 主作業(yè)船模式轉(zhuǎn)換及膨脹彎安裝

BH109船4月16日完成混輸管線鋪設(shè)后開始人員動(dòng)復(fù)員、機(jī)具設(shè)備倒駁、托管架拆除等施工轉(zhuǎn)換工作，4月19日開始注水管線膨脹彎尺寸測量至5月19日全部膨脹彎安裝完成，包含施工準(zhǔn)備和天氣待機(jī)影響，計(jì)劃工期28.5 d，實(shí)際工期30.5 d，影響因素及工期如表2所示。

表2 膨脹彎安裝計(jì)劃與實(shí)際工期偏差對比 單位：d

導(dǎo)致實(shí)際施工效率低于計(jì)劃施工效率(工期增加)的原因有：(1)膨脹彎施工區(qū)域水深超過40 m,對于空氣潛水作業(yè)已接近較深的潛水深度，潛水人員入水時(shí)間受限，同時(shí)出水減壓時(shí)間過長，影響測量效率，膨脹彎實(shí)際測量天數(shù)超過計(jì)劃1.5 d。(2)受天氣影響較大，作業(yè)窗口短且不連續(xù)。同時(shí)，膨脹彎焊接為船舶甲板作業(yè)，風(fēng)雨天氣及高溫給施工環(huán)境帶來的影響較大，施工人員效率受到影響，頻繁中斷施工，使膨脹彎預(yù)制周期超出計(jì)劃周期2.5 d。(3)膨脹彎安裝大部分時(shí)間為潛水作業(yè)，對施工區(qū)域的潮水、附近船舶等均有較嚴(yán)格的要求，施工期間多次發(fā)生等待潮水的情況，因天氣和海況原因出現(xiàn)了待機(jī)，相比計(jì)劃待機(jī)天數(shù)多2.5 d。

導(dǎo)致實(shí)際施工效率高于計(jì)劃施工效率(工期節(jié)約)的原因主要是膨脹彎路由的方案優(yōu)化。潿洲11-2項(xiàng)目2條海管原設(shè)計(jì)方案，路由位置在平臺(tái)同側(cè)，并且兩條海底管道設(shè)計(jì)間距50 m，前期計(jì)劃使用HYSY202船完成兩條海底管道的鋪設(shè)，由于HYSY202船體較寬，并且作業(yè)線在船體右舷，棄管的時(shí)候?yàn)榱硕惚芤言谖坏钠脚_(tái)，外側(cè)混輸海管設(shè)計(jì)路由偏離平臺(tái)超過100 m，采用4節(jié)膨脹彎連接，注水海管采用3節(jié)膨脹彎連接。當(dāng)海管鋪設(shè)船由HYSY202換成了BH109，由于BH109船船體較窄，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)具有了方案優(yōu)化的空間，BH109船在棄管作業(yè)時(shí)在保證安全的前提下盡量靠近平臺(tái)鋪設(shè)，并且采用BH109船在經(jīng)過平臺(tái)后移船到海管設(shè)計(jì)路由側(cè)，采用加大張力將平管牽引回設(shè)計(jì)路由的方式，將注水海管原設(shè)計(jì)路由的3節(jié)優(yōu)化為1節(jié)(見圖1)，將混輸海管原設(shè)計(jì)的4節(jié)優(yōu)化為2節(jié)(見圖2)。經(jīng)過此次方案優(yōu)化，大幅降低了海上膨脹彎安裝工作量、壓塊采辦量、壓塊擺放施工工作量，減少了4對法蘭的設(shè)計(jì)用量和連接工作量，降低了海管泄露及被錨纜和漁網(wǎng)拖掛的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 注水海管膨脹彎優(yōu)化前(左)后(右)方案對比

圖2 混輸海管膨脹彎優(yōu)化前(左)后(右)方案對比

2.4 小結(jié)

在潿洲11-2項(xiàng)目海管鋪設(shè)和膨脹彎海上安裝過程中，通過海管和膨脹彎安裝實(shí)際工期與計(jì)劃工期對比分析得出，人員返修因素和天氣海況因素對工期的負(fù)面影響較大，分別為5.7 d和2.5 d，造成工期延誤較多。而設(shè)計(jì)方案因素和天氣海況因素對工期的正面影響較大，節(jié)約工期較多，分別為4.5 d和3.5 d。項(xiàng)目總工期共節(jié)約2.5 d，各因素對工期影響分布，如圖3所示。

圖3 各因素對工期延誤和節(jié)約影響統(tǒng)計(jì)

項(xiàng)目整個(gè)施工周期約2個(gè)月，而中期天氣預(yù)報(bào)是進(jìn)行15 d的滾動(dòng)預(yù)測，對于15 d后的天氣情況，預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率逐步降低。即便在施工開始時(shí)選擇了較為理想的開工時(shí)機(jī)，但后續(xù)仍會(huì)出現(xiàn)較長天氣待機(jī)的情況。

除去天氣和海況的客觀因素，在工期節(jié)約方面，設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的貢獻(xiàn)最大，但僅限于膨脹彎的施工部分，且方案的優(yōu)化是在船舶更換后，即基礎(chǔ)輸入條件發(fā)生后所實(shí)施的。在工期延誤方面，人員返修的貢獻(xiàn)最大，由于海管長度僅4 km，在人員磨合適應(yīng)了施工環(huán)境后，就已經(jīng)進(jìn)入了施工中后期，所以對于人員和返修所采取的提升措施和激勵(lì)并未發(fā)揮出較為明顯的作用，但在長距離的海管鋪設(shè)施工中，對于人員和返修的改進(jìn)措施和激勵(lì)機(jī)制將節(jié)省更多的工期。在僅考慮所采取措施對工期節(jié)約的貢獻(xiàn)時(shí)，總節(jié)約工期11.7 d，占總工期54 d的21.67%，排除天氣和海況的客觀因素，節(jié)約工期占比為15.19%，節(jié)約效果顯著。

3 結(jié)語

海管鋪設(shè)和膨脹彎安裝效率受到天氣和海況因素、人員和返修因素、船舶和設(shè)備因素、設(shè)計(jì)和方案因素的影響，導(dǎo)致施工工期出現(xiàn)節(jié)約或延誤。潿洲11-2項(xiàng)目對影響因素進(jìn)行分析，采取針對性措施，有效地節(jié)約施工周期。該項(xiàng)目節(jié)約工期的措施及方式方法，可以為后續(xù)項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。