深水海洋工程多功能立式管线铺设系统

齐金龙 金瑞健

（海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

引 言

在深水油气田建设施工中，各种柔性管、钢管的铺设和水下结构物的安装与连接是工程的重要部分。近年来，深水海洋工程施工装备也随着深水油气开发工程技术的进步而不断发展。自2001年以来，国外已有多条采用立式管线铺设系统、集各种深水管线铺设和水下结构物安装功能为一体的作业船建成应用，我国也急需开展这方面的装备技术研究并提高深水施工装备的能力。文章结合目前国际上深水多功能作业船舶和设备状况，对在“Seven seas”号船上安装的多功能立式铺设系统构成与设备特点进行了总结与分析。该系统的显著特点是在一个立式铺设塔架上集成了深水柔性管与脐带缆铺设、Reel与J-lay钢管铺设、水下结构物安装等多种功能，并可以实现多种作业模式的快速转换，施工作业灵活性、经济性大为提高，同时整套系统可以安装在中小型动力定位船上，可以有效降低船舶建造投资。

1 深水油气田建设工程与船舶

在深水油气田开发建设工程施工中，在较长距离的外输管线、脐带缆铺设之外，油气田内部钢管、柔性管铺设，各类水下结构物、桩基、立管的安装、连接工作也占据相当的比重。由于各种作业的特点不同，通常需要配置多艘不同功能的船舶来完成工程施工。

1.1 长距离、大直径钢制管

通常采用大型J-lay或S-lay铺管船进行深水长距离外输管线铺设和大型结构安装，如“Saipem7000”号、“Balder”号［1］、“Solitaire”号等都具有1 000 t以上的张紧能力，但这类大型船舶在油气田内部短距离管线铺设中应用有所限制且费用昂贵。［2］

1.2 小管径钢制管或钢制复合管

采用Reel-lay铺管船如“Seven oceans”号、“Express”号等在深水小管径管线及不锈钢内衬复合管（CRA）铺设中优势突出，但需要管线接长、卷绕基地（Spoolbase）将管线卷绕至船上的卷管盘中，受船舶动员距离和卷管盘容量限制不能进行长距离或大管径管线的铺设。［3-4］

1.3 柔性管线

采用柔性管（Flex-lay）铺管船铺设，该类船舶设有立式柔性管立式铺设系统，但不能进行硬质管的铺设，如“Polar queen”号、“Pertinacia”号等。

多功能立式铺管系统成功地实现多种铺管形式的综合，用于中小型动力定位船舶的立式铺设系统在20世纪90年代中期出现，初期功能单一、顶部张紧能力较小。进入21世纪后，立式铺设系统中集成的功能不断多样化，顶部张紧力和作业能力也不断提升。Technip公司2001年建造了“Deep blue”号船，该船安装的多功能立式铺设系统具有Reel-lay、J-lay、柔性管铺设和水下结构物安装、连接等不同功能。Subsea 7公司2008年建造了“Seven seas”号船，该船安装的多功能立式铺设系统应用多项创新设计实现不同作业模式的快捷转换，具有广泛的作业适应性和良好的经济性。

图1 深水油气田主要设施图

表1 部分带有立式铺管系统的船舶概况

2 “Seven seas”号船多功能立式铺设系统的构成与功能参数

“Seven seas”号船是一条中型MPV船，具备3 000 m水深的作业能力。该船的显著特点是在一个立式铺设塔架上采用可回收式张紧器，集成了J-lay铺管作业线模块、Reel-lay模块，兼有深水软管与脐带缆铺设、Reel与J-lay钢管铺设、水下结构物安装等多种作业能力，并能快速完成不同作业模式的转换，在工程中可以最大限度减少施工船队数量以节约费用和工期。

图2 “Seven seas”号船

2.1 “Seven seas”号船主要参数

“Seven seas”号船主要参数见表2。

表2 “Seven seas”号船主要参数

2.2 多功能立式铺设系统

“Seven seas”号船多功能立式铺设系统由豪士威马公司（Huisman）公司设计制造。系统主体是立式塔架，塔架上集成了两台可回收张紧器、J-lay铺管模块、柔性管铺设定位器、A/R绞车缆导向等设备，并可以安装Reel-lay铺管模块。另外有月池以及海管悬挂系统、双节点管段装管臂架、PLET/PLEM操作装置与转运设备等其他配套设备。

表3 “Seven seas”号船多功能立式铺设系统主要技术参数［5］

2.2.1 塔架固定与调节装置

塔架固定与调节装置是塔架左右侧的2个大型液压臂架，通过控制臂架的伸缩可以在0°～ 15°范围内调整塔架倾斜角度。臂架两端分别与塔架中部和船体铰接连接，2个臂架上都安装有长度测量装置，用以监测臂架长度及塔架调节角度。在液压臂架套筒与伸缩杆的末端设有2套固定耳板，当塔架处于航行固定状态时液压臂架完全收缩，液压套筒与伸缩杆上的固定耳板通过安全销固定连接在一起，使塔架安全固定。

图3 “Seven seas”号船多功能立式铺设系统构成

2.2.2 可回收式张紧器

张紧器是多功能立式铺设系统的核心设备，在塔架上部和下部各有1台4履带立式张紧器，这种形式可以增大履带与管线接触面积，有利于荷载均匀分布和减小张紧器高度。铺管作业时张紧器4个履带通过液压装置抱紧海管，达到设定的张力。

铺设塔架上部张紧器最大张力170 t，仅使用于柔性管铺设。下部1台张紧器在用于J-lay和Reel-lay模式时提供最大张力为400 t，在柔性管铺设模式时最大张力为260 t。在柔性管铺设模式下，上下2台张紧器可以提供430 t的顶部张力。

2台张紧器各通过1套回收装置安装在立式塔架上，可以实现张紧器悬停于塔架作业线上进行铺管作业，也可以将张紧器回收至塔架后侧以清空作业线。整套装置通过液压缸的伸缩带动U型架转动，从而实现张紧器在塔架作业线和塔架后部之间的收放，回收或伸出张紧器的过程只需要10 min。

2.2.3 J-lay铺管作业模块及配套设施

图4 张紧器回收装置工作示意图

表4 张紧器主要参数

J-lay铺管作业模块由焊接站、外对中器（ELUT）、旋转滚轮和内对中器（ILUC）及其存储架、绞车等几部分组合而成，其他配套设施还有装管臂架、节点涂敷防腐站及收放（A/R）绞车系统。在塔架系统转换为J-lay模式时，塔架上部张紧器回收，J-lay模块可以快速从立式塔架一侧的存储位置旋转至塔架中心作业线上，整个过程只需约30 min。

焊接站中设有全自动外焊接与无损检验、焊接返修设备。焊接站前侧外壁设有液压平开门，用以装管臂架运送的24 m双节点管段进入作业线中。焊接站内的地板带有一定的倾斜，可以在铺管塔架倾斜时为焊接作业提供相对水平的作业面。

表5 J-lay模块主要参数

图5 J-lay铺管作业模块

装管臂架长42 m，可以将13 t重的双节点管在12 min内运进铺管作业线，最大转角105°。外对中器上下两端各有1个夹具，通过PLC控制的6个电驱动轴实现管段端部5自由度（3个方向平移，2个方向旋转）的位置调节保证海管精确对接。

内对中器收放绞车、脐带缆导向轮和内对中器存储架设置在铺管模块顶部，内对中器存储架和存储筒分别设有一套对中调整器，这种两步对中式设计可以很好的保护海管端面坡口。［6-7］

图6 J-lay铺管模块主要组件示意图

2.3 收/弃管绞车（A &R Winch）系统

“Seven seas”号船配有450 t和125 t电动变频收弃/管绞车，其能力与张紧器能力匹配。绞车钢缆通过导向装置从立式铺管塔架顶部进入作业线，用以收/弃管及结构物安装下放。450 t绞车使用119 mm钢缆，由摩擦式张力绞车和钢缆存储绞车组成，配有400 t升沉补偿装置，具有被动与主动两种升沉补偿操作模式。摩擦式张力绞车两个滚筒相互成一定角度，可以减少缠绕钢缆的扭转和疲劳，绞车滚筒不同缆槽直径也不相同，以补偿钢缆由于拉伸状态下的弹性变形影响。储缆绞车存储3 000 m钢缆，为摩擦绞车提供15 t的钢缆拉力。

2.4 柔性管铺设设备

“Seven seas”号船柔性管铺设设备除塔架张紧器外，还包括2个1 250 t载荷能力的卷管盘（Carousel或Reel）、张力器及导向滑槽等。卷管盘位于主甲板月池后方储管舱内，与船舶同时设计制造安装，具备卷管（Spool）和储管能力，规格根据船舶设计工作能力、尺寸和舱容限制确定。柔性管在船舶施工前由码头通过导向滑槽及张力器等设备卷入卷管盘中，铺设时通过导管系统出甲板引至铺设塔架的作业线上铺设入水。卷管盘直径约22 m，由电力驱动，卷管盘内设有液压排缆器，中心直径架可以按照不同管线最小缠绕直径的要求从5.4 ～ 9 m之间调节。

图7 柔性管铺设设备组件示意图

表6 柔性管铺设设备主要参数

2.5 月池、悬挂设备与PLET/PLEM操作装置

月池是海管与各种结构物的入水通道，尺寸需满足水下结构物的连接、下放及铺设塔架倾斜状态下所铺设海管的通过要求。悬挂设备是深水铺管船必需的装置之一，用以在不使用张紧器或收/放绞车时保持海管并安装在线或管末端设备。［8］“Seven seas”号船根据立式铺设塔架的位置，设计安装了月池悬挂装置并与PLET/PLEM转运和操作装置结合在一起。悬挂夹具为2个半圆形结构，分开安装在1个滑动平台的前后部分，平台可通过轨道在月池上方进出立式塔架作业线，悬挂点中心位置可以在350 mm范围内调节以与塔架铺管倾斜角度匹配，最大海管悬挂能力450 t，在结构物安装模式下最大载荷可达750 t。悬挂平台上设有轨道并与船甲板上PLET/PLEM操作装置的滑移轨道相接。

PLET/PLEM操作装置由对中调节装置、转运滑车、轨道等组成，可以将60 t重的PLET结构从甲板存储区移入作业线与悬挂固定的海管端连接，作业过程不需要吊机协助，而使效率大为提高。

3 “Seven seas”号船的不同作业功能

通过多功能立式铺设塔架上各作业设备位置的调整、组合，该船可以快速转换模式，实现不同的作业功能。

3.1 柔性管/脐带缆铺设

在柔性管/脐带缆铺设模式下，立式塔架上2个可回收式张紧器位于塔架前方作业线中心，柔性管从月池后部储管舱内的存管转盘上，经过甲板上的导向滑槽引导至立式铺设塔下部，经过塔架下部导向滑槽引导至铺设塔架顶部定位器后引入张紧器中铺设入水。

3.2 J-lay海管铺设

在J-lay铺设模式下，上部张紧器回收至塔架后部位置，下部张紧器保持在塔架前部作业线上。J-lay铺设模块从立式塔架侧面旋转到塔架前方作业线上，节点涂敷与防腐站模块由吊机移动并安装于月池上。由双节点管装管臂架将管段从船主甲板运至塔架上部J-lay铺管作业线上铺设入水，立式塔架可以根据不同项目要求进行管线铺设角度的调整。

图8 “Seven seas”号船多种作业模式示意图

3.3 Reel-lay钢质海管铺设

该船可以进行25.4 cm（10 in）以下管径海管的Reel-lay铺设。在Reel-lay铺设模式下，J-lay铺设模块回收至塔架右舷一侧，上部张紧器回收至塔架后部，在塔架上部安装钢管调直模块。钢质海管在陆地卷绕基地（Spoolbase）完成接长、防腐后卷绕至卷管盘中，施工时将卷管盘及附属系统安装到船甲板上。海管从卷管盘中经过塔架顶部定位器进入调直模块调直后，通过下部张紧器、月池入水铺设。塔架可以根据不同项目要求进行铺设角度的调整。

3.4 结构物安装

在结构物安装模式中，可以在铺管过程中安装三通等在线结构物、PLET/PLEM等管末端结构物，作业基本步骤为：海管由收/弃管绞车从海底起管或从塔架作业线上下放至月池，通过焊接在海管上的悬挂点（Collar）与月池悬挂装置将管端固定；立式塔架上2台张紧器回收释放作业线空间，PLET/PLEM通过操作装置转运至作业线与海管端不对齐焊接后由收/弃管绞车经月池下放至水下。

在该模式中，将回收塔架上张紧器并清空作业线后，使用主吊机将结构物吊至作业线上再转换由收/弃管绞车牵引的方式，也可以经由月池下放安装水下桩基、浮筒、双层同心套筒立管（Concentric Offset Riser，COR）、单层套筒立管（Single Line Offset Riser，SLOR）等多种类型的深水大型结构物。通常这类水下结构物都需要大型的浮吊船来安装。

4 结 论

文章对“Seven seas”号船多功能立式铺设系统的结构、功能和主要技术参数进行了介绍，该系统具有以下特点：

（1）“Seven seas”号船是Subsea7公司主力船舶之一，应用了目前国际上最为先进的深水立式管线铺设装备技术，在一套立式塔架上集成了J-lay、Flex-lay、Reel-lay和结构物安装等多种功能，作业水深可达3 000 m，作业模式转换简单快捷。

（2）该立式铺设系统能够安装在中型MPV船上，可以有效减少投资。

（3）“Seven seas”号船和该立式铺设系统具有非常强的综合作业能力，在深水工程项目中可以最大限度减少大型船舶的投入和施工船队数量，降低工程费用。

目前我国尚无此类深水工程装备，但随着南海深水油气开发建设的发展，也急需开展这方面的装备技术研究，提高深水施工能力，本文可供参考借鉴。

［1］ 杨伟，叶茂，何宁，等.深水海底管道J型铺设工艺及设备研究［J］.石油矿场机械，2013（1）：14-20.

［2］ 黄维平，操静，张恩勇.国外深水铺管方法与铺管船研究现状及发展趋势［J］.海洋工程，2011（1）：136-142.

［3］ 孙晶晶，刘培林，段梦兰，等.深水脐带缆安装技术发展现状与趋势［J］.石油矿场机械，2011（12）：1-5.

［4］ Alastair Tawns.Reel laying of rigid pipelines［J］.Materials Performance.2004（10）：24-26.

［5］ Husiman Product Brochure［EB/OL］.2013.http：//www.huisman equipment.com/documenten/2013_brochures/brochure_pipelay_2013_-_email.pdf.

［6］ Cavicchi M，Ardavanis K.J-lay Installations Lessons Learned［C］.OTC 15333，2003.

［7］ 罗超，王琮，毛建辉.深水半潜式起重船J-Jay系统布置研究［J］.船舶，2011（5）：5-9.

［8］ Guo B Y，Song S H，Chacko J，et al.Offshore Pipelines［M］.Burlington：Gulf Professional Publishing，2005.