林臻裕 王朋飞 谢俊 杨盛 蒋雷雷(深圳海油工程水下技术有限公司,广东 深圳 518067)
在开发海底石油资源,进行海上油田的生产过程中,油气田平台群之间,通常通过海底电缆,将中心平台或单点储油轮与其它生产平台连接起来,这样只需要在一个平台上设立电站,就可以满足所有平台的生产和生活用电需求,避免了在各个平台上均要设立较大型电站的问题,在很大程度上减少了开发费用[1];另一方面,使用海底电缆还可以对一些无人生产平台、水下管汇、采油树等进行远距离控制,解决平台之间的通讯问题。
平台间海底电缆在开始铺设及铺设完成后,需要分别将电缆的头部、尾部抽拉上采油平台,接入海缆箱,以完成整个电缆的施工过程。高效、安全的完成电缆抽拉工作,可以节省船天,降低施工成本。本文通过一个项目实例,介绍了海底电缆抽拉方法,并对平台改造进行了分析,为以后类似项目的实施提供技术指导和施工经验。
1.1 海底电缆铺设简介
平台间海底电缆的铺设过程主要分成6个阶段,依次为路由调查与垃圾清理、起始端电缆抽拉、正常铺设、终止端电缆抽拉、海底电缆接线及测试、挖沟。其中海底电缆的起始端和终止端需要通过在平台上预先布置好绞车,在施工船舶配合下,将电缆抽拉上平台。
1.2 起始端电缆抽拉
如图1所示,在正常铺设开始前,需要通过在平台上布置好绞车,将绞车钢丝绳通过电缆护管,下放到海底后,施工船舶将钢丝绳回收到甲板上与海底电缆进行连接;之后,在船舶、绞车、ROV的配合下,船舶将海底电缆慢慢下放至海底,同时平台上绞车同步收紧钢丝绳,将海底电缆牵引到护管喇叭口附近;然后绞车继续收绳,将电缆抽入护管,在这个过程中,ROV需要在旁边实时监视工作情况,必要时辅助绞车将电缆抽拉头抽入护管,防止电缆卡住;电缆进入护管后,在绞车钢丝绳的持续作用下,最终将电缆起始端抽拉上平台;
图1 起始端电缆抽拉示意图
1.3 终止端电缆抽拉上平台
当船舶到达终止平台附近后,船舶开始终止端电缆S弯铺设,以留出足够的余量,同时根据需要,可在电缆上面设置浮袋等装置,以减少抽拉时电缆与泥面的摩擦力。
终止端抽拉与起始端类似,通过平台上预先布置好的绞车,将电缆通过护管抽拉上导管架平台,不同的是,终止端电缆采用水下挂钩方式,将绞车钢丝绳与电缆进行连接,抽拉力比起始端大。
1.4 二次抽拉方法
由于平台层高限制,在施工过程中,一般只能一次性将电缆抽出2-3m,而实际需要抽出15-20m的长度,因此需要进行二次抽拉,直到将电缆抽出足够的长度。以下是工程中采用的两种二次抽拉方案:
方案一:如图2所示,在钢丝绳连接在电缆头部的拖拉头上,抽出最高长度后,在护管口底部安装一个电缆抽拉抱卡,将钢丝绳连接到电缆抽拉抱卡上;在电缆抽拉抱卡达到最大高度后,在电缆底部安装另外一个电缆抽拉抱卡,交替进行抽拉,直至抽出需要的长度。
图2 交替抽拉示意图
方案二:如图3所示,根据需要抽出的电缆长度,在电缆端上隔一段距离,用一个拖拉网套将一根高强度尼龙绳与电缆平行固定在一起,在电缆头部抽出护管口后,将钢丝绳与高强度尼龙绳连接,通过抽拉尼龙绳,即可将电缆一起抽拉出来。
图3 连续抽拉示意图
方案对比:方案一中电缆每抽出一定高度后,要拆除安装抽拉管卡,需要花费较长的时间,效率较低;方案二中抽拉可以连续进行,效率较高,但是钢丝绳与尼龙绳连接的索具一般无法直接通过滑轮,每经过一处滑轮时,抽拉需要中止,在工程中可采用方案一,将电缆提升一定高度后,使尼龙绳穿过滑轮,再与钢丝绳连接,其效率取决于需要通过的滑轮数量。
在方案设计中,钢丝绳最终如图2、图3所示,一般要求垂直进入护管;吊耳位置一般选择在横梁叉点,或者斜撑,大梁等强度较高的位置上;设备位置选定后,根据强度计算结果,决定是否对平台进行加强改造。
本文以中海油某海缆铺设项目为例,该平台为海缆铺设终止平台,原设计为无人值守平台,平台小,高强度横梁较少,同时电缆护管口与电缆接线箱不在同一层甲板上,施工难度较大。下面简要介绍该平台的设备布置及强度计算结果。
2.1 设备布置
建立该平台抽拉区域结构模型,如图4所示,钢丝绳从绞车出来经过滑轮支架、导向滑轮1、导向滑轮2三次变向后进入电缆护管。钢丝绳最终与护管有一定的角度,导向滑轮1位置甲板横梁(H300X150)较小,因此焊接在此处的斜撑上。
图4 设备布置图
2.2 强度计算
该平台所在区域海水深度约100m,所用电缆在空气中重量2.9kg/m,海缆自重约2.9Te。钢丝绳上的力由海底电缆本身的重量,包括附着海水重量、海缆与电缆护管及海床泥面的摩擦力(起始端电缆可以不考虑)组成,按经验取自重的2倍,即5.8Te进行强度计算,模型载荷如图7所示,将力直接加在杆件节点上,其大小等于钢丝绳在此处合力大小,计算模型如图5所示。
实际施工过程中,根据布置好的拉力计,监控到实际的拉力约3.5-4Te,可知按5.8Te进行计算,其安全系数约为1.5(开放海域系数取2.0,遮蔽海域系数不小于1.5[2]),因此是一个比较合理的数值。
图5 SACS计算模型
2.3 计算结果
SACS计算结果如图6所示,其计算依据为WSD AISC 9th/API RP 2A-WSD 21st,综合UC值最大为0.74,小于1,其发生在滑轮支架底部杆件上,符合规范要求。因此该平台设备吊点位置选择合理,强度能满足使用要求。
图6 UC值分布图
本文介绍了海底电缆抽拉上平台的过程及二次抽拉的方法,并通过一个实例介绍了海平台改造和设备布置方案,计算结果表明此设计方案强度满足使用要求。项目的成功实施,验证了计算结果,可以为后续类似项目的实施提供了一定的经验和技术指导。
3.1 二次抽拉时采用尼龙绳加拖拉网套的方式,可以高效的将电缆抽足够的长度;
3.2 终止端平台抽拉时,抽拉力最大,包含了海缆自重、附着海水重量、与电缆护管、及电缆在海床上的摩擦力;计算平台结构强度时,该合力取为自重的2倍,其安全系数约1.5,可以保证结构的强度要求;
3.3 通过合理的选择吊耳位置,如大梁、交叉点或者圆柱梁上,可以保证有足够的强度,减少平台改造工作量;
[1]房晓明.平台间海底电缆铺设.中国海上油气(工程),1991.
[2]API RP 2A-WSD 21st Edition.Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[M].2000.
[3]American Institute of Steel Construction(AISC).Manual of Steel Construction-Allowable Stress Design[M].9th edition,1989.
[4]单辉祖.材料力学[Ι]第三版,高等教育出版社,2009