深水超长超重跨接管的设计与安装技术

原庆东 林影炼 张玉勇 徐志毅 陈晓彦 李文英

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司 广东深圳 518067）

深水超长超重跨接管的设计与安装技术

原庆东 林影炼 张玉勇 徐志毅 陈晓彦 李文英

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司 广东深圳 518067）

针对我国南海某深水气田长达91 m、质量达107 t的超长超重水平式跨接管的运输和海上安装面临的挑战，提出了加装临时或永久性浮子及平衡重用于跨接管的安装就位，采用重达222 t的均力架进行跨接管的吊装，利用A/R绞车和双滑轮组解决跨接管的深水下放，使用专用连接工具进行水平式连接器的水下连接等技术，并成功地完成该气田工程跨接管的安装作业。深水超长超重跨接管的设计与安装在国内尚属首次，其技术研究及应用成果可为我国其他深水油气田的跨接管设计安装作业提供参考。

深水；跨接管；超长超重；设计与安装；动态安装分析；水下连接

跨接管是水深超过300 m潜水无法作业或作业困难的油气田水下生产系统的采油树、管汇、海管终端、平台立管等结构之间的重要连接工具，主要由主管、两端的连接器以及锁紧和解锁执行机构、阀门、ROV作业接口盘等组成［1-2］。目前跨接管按连接方式可分为机械式连接和液压远程控制连接，按连接器的形式可分为卡箍式、筒夹式和扇形块+簧片式等［3］，具体连接方式可根据不同的设计及应用进行优选。跨接管按材料可分为硬质钢管和软管，按连接布置形式可分为水平连接和立式连接。根据设计和使用目的的不同，跨接管的形状各异，大小和质量都各有不同。通常水下跨接管的长度一般在15～50 m之间［4］，但在某些情况下的长度要求可达近百米，质量达120多吨，有的宽度甚至达40多米，这为跨接管的运输和海上安装都带来了技术挑战。

本文针对我国南海某深水气田长达91 m、质量达107 t的超长超重跨接管的运输和海上安装面临的挑战，提出了加装临时或永久性浮子及平衡重用于跨接管的安装就位，采用质量达222 t的均力架进行跨接管的吊装，利用A/R绞车和双滑轮组解决跨接管的深水下放，使用专用连接工具进行水平式连接器的水下连接等技术，并成功地完成了该气田工程跨接管的安装作业，为我国其他深水油气田的跨接管设计与安装作业提供了参考。

1 深水超长超大跨接管设计

我国南海某深水气田水深1 480 m，φ558.8 mm海管与水下中心管汇之间的跨接管设计比较特殊，考虑水下空间布局、海管膨胀、钻井作业等方面因素，跨接管设计得较长、较重，形状复杂。以图1所示的该气田水下跨接管PLEM-RJ-08为例，该跨接管的主要技术指标为：安装水深1 388 m、管径558.8 mm、空气中质量107 t、海水中质量91 t、跨接管长度91 m、宽度40 m、高度11 m、用管总长154 m。该跨接管还在管内预装了海底管线除水惰化用的2个清管球，清管球中间充入了乙二醇（MEG），清管球上配有放射源，用来检测清管球除水作业时的位置。

图1 PLEM-RJ-08跨接管示意图Fig.1 PLEM-RJ-08 pipe spool sketch

由于海管尺寸较大，现有的立式连接器已不能满足PLEM-RJ-08跨接管设计要求，因此跨接管两端设计采用了水平式连接器。在跨接管就位安装后，跨接管内通入工艺液流时，为保证跨接管各部位均匀受力或避免共振，设计加装了平衡重和永久性浮子。由于跨接管过长过重，跨度很大，因此在中间部位下方设计了2个支撑结构（图2），以保证跨接管长期使用不会发生受力变形。

图2 PLEM-RJ-08跨接管支撑结构Fig.2 PLEM-RJ-08 pipe spool sport structure

2 深水超长超重跨接管安装技术

2.1 安装辅助工具

由于PLEM-RJ-08跨接管设计超长超重，安装吊放过程中均衡受力很重要，否则可能使跨接管因局部应力过大而损坏。在安装过程中，跨接管管内存有部分试压用液体，加大了部分跨接管部位的受力，为此需要对跨接管进行重控分析，并在相应部位设计安装浮子和平衡重（图3），以消除跨接管在正常使用过程中不需要的浮力或重力。

图3 PLEM-RJ-08跨接管浮子及平衡重Fig.3 Buoyancy and balance weight of PLEM-RJ-08 pipe spool

图4 PLEM-RJ-08跨接管吊装均力架Fig.4 Lifting spread frame of PLEM-RJ-08 pipe spool

由于PLEM-RJ-08跨接管不规则的形状设计，常用的单管吊装均力杆无法满足吊装要求，为此设计了一个专门的均力架（图4），能够保证跨接管在运输和海上安装过程中均匀受力，并易于吊装作业。该均力架上设计有12个吊耳、1个水下定位用的应答器放置桶、2个吊装三角板的存放架和便于吊装操作的人行通道等，能够适应整个PLEM-RJ-08跨接管的长度和宽度，并承受跨接管的质量，其主体钢结构尺寸设计采用钢管焊接，整体尺寸为长103 m、宽12 m、高1 m，空气中的质量为222 t，海水中的质量为193 t。

PLEM-RJ-08跨接管整体吊装布置如图5所示，均力架下方用11根吊索将跨接管均衡吊装起来，上方则通过12根吊索具和三角板与吊机或绞车吊钩相连。跨接管、浮子、平衡重、均力架及上下索具加在一起的整体吊装系统空气中质量达到351.3 t，水中质量达到303.7 t。

图5 PLEM-RJ-08跨接管整体吊装示意图Fig.5 PLEM-RJ-08 pipe spool deployment sketch

2.2 安装方式

考虑安装船的起吊能力，选用的安装船为一条J-LAY铺管船，该船主要指标为：船长164.46 m、船宽30 m、作业吃水7.4 m；主吊机安全工作载荷最大600×104N（20 m工作半径时为470×104N）；主吊机钢缆允许最大动载荷894×104N，最小破断载荷2 683×104N。

由于PLEM-RJ-08跨接管安装位置水深达1 388 m，使用船吊钩头已不能满足直接吊放跨接管到海底的技术要求，因此设计采用了先使用船吊下放跨接管到海底约50 m的水深位置，再转移使用船上绞车［5］（铺管弃置A/R缆）进行下放的方法。A/R下放钢缆（φ104 mm）在水中的单位质量为45.7 kg/m，最小破断载荷为883×104N，所允许的最大动载荷为353×104N，钢缆一般通过船中或船尾的导缆器下放。

PLEM-RJ-08跨接管及其吊装索具的水中质量达303.7 t，而A/R绞车最大吊装能力为400 t，不能满足水下吊装动态放大系数DAF≤2的要求，因此研究采用了双滑轮组合下放跨接管的方式，如图6所示。在跨接管安装就位时控制跨接管的下放就位速度很重要，为此使用了船上的A/R缆系统的AHC补偿器［6］，从而保证了跨接管的平稳就位。

图6 双滑轮组下放安装PLEM-RJ-08跨接管Fig.6 Double pulley of PLEM-RJ-08 pipe spool delployment

PLEM-RJ-08跨接管安装主要步骤包括：①将跨接管运输船停泊在安装船侧；②安装船主吊机吊索具连接跨接管；③吊起跨接管并拖离运输船；④移动吊臂到安装下放位置；⑤下放跨接管通过飞溅区；⑥水下将跨接管由船吊换到A/R绞车（使用动滑轮）；⑦下放跨接管到距海床20 m的高度；⑧移动工作船到跨接管安装目标位置；⑨跨接管安装就位在海管终端和管汇上；⑩拆除并回收安装索具。

2.3 动态安装分析

对PLEM-RJ-08跨接管进行动态安装分析。跨接管在下放过程中，由海浪引起的安装船的上下浮动和前后左右摇摆会使整个吊放系统上下振动，从而引起跨接管的局部受力过大而损坏。跨接管的动态安装分析一般考虑2种工况，即跨接管通过飞溅区和水中下放与海底就位，进而确定跨接管安装时对海况的限制要求。

PLEM-RJ-08跨接管动态安装分析使用OrcaFlex软件进行，所有计算基于一根钢缆，钢缆上端连接船吊钩头或A/R导缆器，下端连接跨接管。PLEM-RJ-08跨接管动态安装分析所需要的输入数据主要有：①跨接管及连接器、均力架及索具的基本特征；②水动力系数，包括附加质量系数和阻力系数等；③工程船主尺度、幅值相应算子、A/R绞车及补偿器参数、主吊机参数；④海况数据，包括海水密度与海浪数据（如有义波高、最大波高等）。

2.3.1 通过飞溅区的动态安装分析

PLEM-RJ-08跨接管通过飞溅区吊放时，使用OrcaFlex软件进行分析所考虑的主要限制条件有动力放大系数DAF≤1.3和最大Mises等效应力≤324 MPa［7］，分析工况有2种，即跨接管在水面上和在水面下，最恶劣的情况是当跨接管穿越海面时，除跨接管本身的惯性荷载外，主要承受的是水面的拍击力。拍击力Fslam为

式（1）中：ρ为海水密度；Cs为拍击系数，本文取5.0；Ap为投影面积；vs为拍击速度。

当跨接管通过水面后，拍击力大大减小，这时主要考虑跨接管的惯性力、拖拽力和浮力。OrcaFlex软件计算得出：在船头迎浪±15°的区间内，不同波浪周期条件下（6～16s）的最大有义波高最小可达4.45 m，因此PLEM-RJ-08跨接管在正常情况下使用工程船的主吊机通过飞溅区吊装下放作业没有问题。

2.3.2 水中下放与海底就位的动态安装分析

在水中下放过程中PLEM-RJ-08跨接管、吊装索具和吊机钢缆构成了一个质量-弹簧系统，当波浪周期与系统自然波动周期相近时会发生共振，对升沉运动有非常大的影响（图7），因此应该使跨接管在安装作业时的波浪周期尽量远离系统自然波动周期。经过计算，PLEM-RJ-08跨接管在不同作业水深的最大自然波动周期为5.8 s，安装作业时如果海浪波动周期超过6 s，则跨接管出现共振的可能性比较小。

图7 PLEM-RJ-08跨接管动态放大系数与激荡周期的关系曲线Fig.7 Typical dynamical amplification vs.excitation period of PLEM-RJ-08 pipe spool

跨接管在水中下放和就位时，使用OrcaFlex软件进行分析所考虑的主要限制条件有：①动态放大系统DAF≤2；②吊机钢缆最大能力910 t和A/R绞车钢缆能力390 t（使用动滑轮时为700 t）；③跨接管安装就位时的最大下降速度0.5 m/s；④使用动滑轮时补偿器的最大冲程为0.94 m、最大允许速度为0.63 m/s；⑤安装船的可操作性最大有义波高为3.25 m等。此外，跨接管安装时还会受到安装船能力（升沉速度、幅度等）的限制。

跨接管在水中下放和就位安装时主要分析计算钩头处或A/R导缆孔处的2种运动幅值：一种是考虑系统安全工作荷载、动载放大系数DAF和最大就位速度等安装限制条件后所允许的运动幅值；另一种是由海况（波浪和周期）引起通过工程船的理论RAO值计算得出的运动幅值。当由海况引起的运动幅值小于系统各种安装限制条件模拟计算得出的运动幅值时，跨接管才能安全下放和就位安装。图8为未使用和使用开沉补偿器时钩头下方就位分析图，可以看出未使用升沉补偿器时海况导致的运动幅值在大部分波浪周期内都大于安装限制条件模拟得出的运动幅值，不满足安装条件；而使用升沉补偿器时安装限制条件大大优化放宽，海况导致的运动幅值在波浪周期6～12 s时小于安装条件所允许的运动幅值，因此可在一定条件下进行下放和就位安装作业。

图8 未使用和使用升沉补偿器（AHC）时的钩头下放就位分析图Fig.8 Lowering and landing analyses without AHC or with AHC

2.3.3 动态安装分析结果

PLEM-RJ-08跨接管通过飞溅区、使用补偿器和不使用补偿器下放就位工况下波浪周期6～15 s时所允许的有义波高值见表1，从表1可以看出：

1）跨接管安装应使船头迎浪±15°的范围内；

2）使用无升沉补偿的主吊机吊放跨接管通过飞溅区时所允许的在各种波浪周期下的最大有义波高为4.45 m以上，说明跨接管通过飞溅区的作业是安全的；

3）跨接管下放和就位过程中使用400 t双滑轮A/R缆和升沉补偿器时，在波浪周期为6～11 s时所允许的最大有义波高为2.97 m以上，为比较安全的跨接管安装海况；

4）跨接管下放和就位过程中使用400 t双滑轮A/R缆但不使用升沉补偿器时，只有在波浪周期为9～10 s时所允许的最大有义波高为3.09 m，也是比较安全的跨接管安装海况。

表1 不同波浪周期下PLEM-RJ-08跨接管安装的有义波高Table 1 Deployment result summary for jumper with vessel of PLEM-RJ-08 pipe spool

2.4 水下连接

在PLEM-RJ-08跨接管安装就位后，跨接管两端采用Glayloc卡箍式水平式连接器分别与海管终端和管汇、立管、采油树等连接，以完成整个安装过程。跨接管与海管终端连接器上设计有Glayloc卡子，卡子上配有扭力工具接口，可以使用液压扭力扳手拧紧卡子；另外还设计有连接工具安装就位板、连接工具受力板、V型导向槽、水平导向孔、垂向定位销等（图9）。跨接管与管汇、立管、采油树等连接器上则相对应设计有连接工具受力板、V型水平导轨、水平定位销、垂向定位孔、水下测量用的应答器插口等（图10）。

2个管接头连接时，首先通过垂向定位孔和定位销配合定位，然后使用专用连接工具通过V型导轨进行连接。专用连接工具主要由4个液压缸及拉杆组成，4个液压缸可协调一致动作，由ROV通过控制盘及阀门来操作（图11）。

图9 PLEM-RJ-08跨接管与海管终端连接器Fig.9 Connector part with PLEM-RJ-08 pipe spool and pipe end

图10 PLEM-RJ-08跨接管与管汇端连接器Fig.10 Connector end with PLEM-RJ-08 pipe spool and PLET

图11 PLEM-RJ-08跨接管管接头专用连接工具Fig.11 Special connection pull in tool of PLEM-RJ-08 pipe spool end

图12 PLEM-RJ-08跨接管专用连接工具使用示意图Fig.12 PIT tool installation sketch of PLEM-RJ-08 pipe spool

使用专用连接工具进行连接时，首先将其吊放到跨接管连接器上方，连接器拉杆处于伸长状态（图12）。专用连接工具被放置到跨接管连接器的安装就位板上，拉杆则和2个部分的拉紧受力板结合。专用连接工具完全就位后，可操作液压缸使拉杆收缩，将跨接管侧受力板及整个连接器拉向管线终端或管汇、立管、采油树等的连接工具受力板，并通过水平定位销使2个部分连接器完全结合在一起，两端管口通过金属密封圈完全对接，最后再用Glayloc卡箍式连接器关闭管卡使对接管口固紧密封，从而完成整个水平连接器的连接任务。

3 现场安装效果

图13 中心管汇端PLEM-RJ-08跨接管安装现场Fig.13 PLEM-RJ-08 pipe spool installation at central manifold side

跨接管预制完成后，由运输驳船运到海上安装现场，再由安装船上的600 t吊机直接从运输驳船上吊起（图13），并平稳通过飞溅区下放到水面下50 m处，再将整个跨接管吊放系统由船吊转移到400 t A/R缆绞车上，并继续下放到水深1 388 m的中心管汇和管线终端两端。跨接管安装就位后使用专用连接工具进行拉紧连接，最后使用液压扳手将Glayloc卡子闭合，从而完成了跨接管两端连接器的最终连接。整个安装作业过程顺利，但在安装后进行连接器的密封背压测试时发现管汇端连接器密封失效，密封测试压力无法维持，连接器密封测试压力在14 min内从11.7 MPa降低到6.2 MPa，密封测试未能通过。后经过技术人员将卡子的拧紧扭矩从原来的22 570 N·m增加到23 184 N·m，密封测试才得以通过，最终解决了密封失效问题。

4 结束语

区别于目前水深较浅的油气田跨接管安装，深水跨接管超长、超重，形状复杂，给安装作业带来了一定的难度。对于形状复杂的跨接管吊装，设计采用了重达222 t的均力架进行吊装作业。对于深水跨接管无法使用船吊直接下放，使用了A/R绞车及补偿器，并在水下50 m处将跨接管及吊装均力架由吊机转移到A/R绞车下放。对于超长过重的跨接管无法悬空，采用了支撑块设计，从而使跨接管在运输安装和使用过程中均匀受力，不出现应力集中的情况，并在某些部位安装临时浮块、平衡重、永久浮子。深水超长超重跨接管的设计与安装在国内尚属首次，其技术研究及应用成果为我国其他深水油气田的跨接管设计与安装作业提供了参考。

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Design and installation of deep water oversize and overweight jumpers

YUAN Qingdong LIN Yinglian ZHANG Yuyong XU Zhiyi CHEN Xiaoyan LI Wenying
（Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.，Shenzhen，Guangdong518067，China）

The huge pipe jumper which was 91 m long and weighed 107 t brought a big challenge for its sea transportation and installation in a deep water gas field of South China Sea.Some techniques were proposed such as the applications of 1）temporary or permanent buoyancy and counterweight for the pipe jumper to be installed in position，2）a 222 t weight spread frame for the jumper lifting，3）A/R winch and double pulley system for jumper deployment，and 4）a pull in tool（PIT）for connection of the horizontal connector.It was the first time to design and install the oversize pipe jumpers in China.The study and application practice is of reference significance to the other deep water gas fields.

deep water；jumper；oversize and overweight；design and installation；dynamic installation analysis；subsea connection

原庆东，林影炼，张玉勇，等.深水超长超重跨接管的设计与安装技术［J］.中国海上油气，2017，29（6）：136-142.

YUAN Qingdong，LIN Yinglian，ZHANG Yuyong，et al.Design and installation of deepwater oversize and overweight jumpers［J］.China Offshore Oil and Gas，2017，29（6）：136-142.

TE952

A

1673-1506（2017）06-0136-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.06.018

原庆东，男，高级工程师，1983年毕业于华东石油学院石油矿场机械专业，现主要从事海上油气田海上工程安装作业工作。地址：广东省深圳市南山区后海滨路3168号中海油大厦A座（邮编：518067）。E-mail：yuanqd＠cnooc.com.cn。

2017-05-08改回日期：2017-06-20

（编辑：叶秋敏）