深水管线安装技术

董耀锋，甄宏昌，齐金龙，叶 镝

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.中国石油管道局工程有限公司第六工程公司，天津300270）

深水管线安装技术

董耀锋1，甄宏昌2，齐金龙1，叶 镝1

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.中国石油管道局工程有限公司第六工程公司，天津300270）

在过去的几年里，深水管线铺设经历了快速的发展，目前可以预测的是油气开采水深可以达到3 600 m，未来必将突破这个限度。现在各种海底管道的安装方法在海洋深水市场中都有各自的优点，在线结构物和钢悬链立管可以进行安全高效地安装，管道的旋转也能被有效地控制，海上维修技术也已经被证实。文章介绍了深水管道及附属结构物的几种常用的安装方法，并对管线铺设水深的限制进行分析，供同行参考。

深水；管道铺设；铺管方法

0 引言

深水铺管已经经历了快速发展历程，在 1995年之前，业界普遍把300米水深界定为深水项目；随着技术水平的进步，1 500多米水深管道铺设就已经成为常态，2 500 m的管铺设早已成为现实。国内铺管船的作业水深已经达到3 000 m，在南海海域海管的铺设水深达到1 500 m左右。因此，深水海底管线的铺设将引领未来市场。本文主要介绍几种常规的海管铺设方法，供同行参考。

1 深水管道安装方法

业界通常有三种基本的深水管道铺设方法：卷管式铺管法（reeling）、J型铺管法（J-lay）和S型铺管法（S-lay）。

卷管式铺管法是将管线在陆地上预制场地接长，然后卷到专用的滚筒上，送到海上进行铺设施工的方法。卷管式铺管法通常来说是比较经济的铺管方法，同时铺管效率高，既能铺设硬质钢管也能铺设柔性软管，适合深水区域的管道铺设，但是管道直径通常控制在16英寸以下。卷管式铺管法需要的主要设备包括：卷管滚筒、管道矫直器、铺管船和其他的常规施工，工机具、设备等。

J型铺管法从技术上讲，非常适合深水管道铺设。但是这种方法本身的铺管速度相对较低（焊接、NDT和节点涂敷至少在 J型塔中各占 1～2个工作站）。然而如果深水管道很重或者很短，那么这种铺管方式拥有很大的竞争力，尤其是对于伴有重型吊装作业来说，使用这种方法可以节省船队动员的费用，所以J型铺管法主要用于水深管道的末端安装，特别是钢悬链线立管安装。J型铺管法在铺设过程中借助于调节托管架的倾角和管道承受的张力来改善管道的受力状态，达到安全作业的目的。目前，J型铺管法主要有两种形式，一种是钻井船 J型铺设形式，另一种是带斜型滑道的J型形式，该类型铺管方法是介于J型和S型之间的一种铺管方法。该型式国外已经开始进行深入研究。在南海海域Saipem公司使用半潜式J型铺管船FDS1和FDS2进行22″海底管线的铺设，作业水深大约从200 m到1 500 m，单根海管的铺设长度约80 m，最终取得了成功。

S型铺管法是目前管道铺设市场上最为主流的方法。就墨西哥湾来说，1 000 m水深以上的海底管线，其中超过3/4是由S型铺管法完成的。S型铺管需要配备张力很大的张紧器和很长的托管架。为了能够充分发挥张紧器的张力，管线在托管架末端的分离角度几乎是垂直的，所以需要很长的托管架来完成管线从水平到几乎垂直的过渡。另外，铺设大尺寸管线的时候，海管的弯曲半径也会很大，为了限制上弯段应变，对托管架的长度要求也会很长。管线在托管架末端几乎垂直的分离角度还可以有效降低管线张力，从而降低已铺设管线在不平坦海床上的残余张力，避免自由悬跨。

2 深水S型铺管法中上弯段应变限制

S型铺管法在深水管线铺设时，管线在托管架的支撑下，自然地弯曲成“S”型曲线，一般可以分成两个区段，即拱弯区和垂弯区。拱弯区的曲率和弯曲应力是通过调节托管架及滚轮的曲率半径来实现控制；垂弯区的曲率通过沿作业线上的张紧器产生的后拖力来控制。一旦管线离开托管架之后，一般来说管线的形状是类似的：垂弯区的许用应变决定着管线离开托管架时的分离角度，分离角度以及托管架长度共同决定着托管架的弯曲半径，而托管架的弯曲半径决定着拱弯区应力应变。这个拱弯区应变要对照业主提供的许用值或者国际规范中给出的标准进行校核。

被业界广泛接受的标准，比如DNV-OS-F101，就要求对于每个项目中的管道铺设都要进行铺管过程中的极限状态分析，比如局部屈曲、托管加上管道椭圆化等，这样会明显提高拱弯区的许用应变。对于拱弯区高应变造成的另一个风险就是铺设过程中管线可能出现扭转，虽然可以观察到在高应变下管线发生了扭转，但是通过广泛的海床调查经验来看，承受较大残余应变的管线在海床上是处于直线型的状态。

3 在线结构物扭转的预防

管线附属结构物的安装，比如在线叉形管（in-line Wye assembly）、在线三通（in-line Tee assembly）以及相关在线阀组的安装，为了控制其相对于海床的方位，相关的要求也非常严格，一般方位角度的偏差要求要控制在±5°以内。业界通常是使用深水浮筒来控制在线结构物在下放过程中发生扭转，这种做法对于上述提到的管线铺设方法全部适用，且效果很好。国内深水铺管船在南海海域成功安装了一个 6″在线三通（ILTA），就是利用深水浮筒来控制在线三通的扭转，主要的做法如下：

1）在在线三通（ILTA）下水安装前，需要进行一次临时弃管作业（见图1），来释放管线的扭力，从而保证ILTA的正常安装；

2）当在线三通（ILTA）到达船艉时，通过在在线三通上增加一个临时浮筒及相关锁具辅助LITA通过托管架的滚轮（见图2）。

3）根据计算确定吊机需要给在线三通（ILTA）向上的拉力，当在线三通离开托管架后，利用液压卡环解开主吊系扣（见图3）。

4 钢质悬链线立管（SCR）的安装

对于管道系统和生产设施之间的回接，通常使用钢质悬链线立管（SCRs）。钢质悬链线立管安装的主要任务是通过柔性接头（flexible joint）将钢质悬链线立管自由悬挂在平台外侧。钢质悬链立管完成铺设以后，需要进行立管安装，并完成与平台的悬挂连接。

钢质悬链立管的安装主要有两种模式，即首端安装和末端安装。首端安装模式是指生产设施已经安装就位[1]，把钢质悬链立管的首端安装到生产设施之后，再进行钢质悬链立管的铺设作业的安装方式；末端安装模式是指铺管船朝向的方向生产设施进行铺管作业，并最终将立管安装在生产设施之上的安装过程。

S型铺管更倾向使用末端安装模式，使用S型铺管船进行安装钢质悬链线立管时，一般会在管道终止铺设之后，将管线从托管架放置海床，再将其末端通过舷侧的吊架回收，通过平台和铺管船上的绞车配合作业船吊机完成钢质悬链线立管的柔性接头与平台的连接。如果使用J型铺管起重船安装钢质悬链线立管，由于大部分此类起重船没有突出部分，吊机可以直接将立管转移到平台（见图4），完成钢质悬链线立管与平台的连接。

5 深水独立式混合管（single hybrid riser）的安装

深水独立式混合立管主要由海底锚（海底锚一般为吸力锚桩结构）、水下压载模块、底部立管接头、底部立管、上部立管、上部立管接头和浮筒以及柔性跨接管构成。安装完成后，整个立管系统通过水下浮筒悬浮在水中，浮筒一般位于海面以下约50 m。运行期间，海底开采出的原油通过海底管线和跨接管输入立管系统底部，再通过立管输入到柔性跨接管。最终，原油通过柔性跨接管输送到 FPSO。见图5。

主要步骤（见图6和图7）：

1）安装吸力锚；

2）正常J型铺管安装立管下端结构与立管，开始正常铺设；

3）终止J型铺管并在立管顶端安装弃官封头；

4）将立管从J-lay塔弃管，从悬挂平台回收，在悬挂平台安装上端结构；

5）柔性跨接管管头固定在立管上部结构，柔性跨接管绑扎缠绕在立管主体上；

6）将上端浮筒与立管上部结构通过锚链连接；

7）整个独立式混合立管结构通过吊机下放，通过压载调节浮筒浮力；

8）整个独立式混合立管结构底端插入底座基盘固定；

9）回收柔性跨管一端与FPSO回接。

深水捆绑式移位混合立管（bundle hybrid offset riser）的安装[2-3]，除了预制环节在陆地完成，拖航到现场，然后通过压载调节，扶正后的安装步骤基本与深水独立式混合立管安装类似。见图8。

6 深水管线湿式屈曲的返修

深水管线铺设一般使用动力定位船舶，但是一旦在施工过程中出现问题，工程将终止并会耗费大量的时间和费用进行返修。深水管线屈曲的返修，管线回收设备是修复的关键因素。该设备通常包括主轴、排水模块、启动模块、吊装机械臂、吊环等构件。在管线回收过程中，通过启动模块将楔块涨开，使启动模块与管线的内壁充分接触，最终达到所需海底管线的回收张力。发生湿式屈曲情况的一般作业程序如下所述：

1）焊接临时弃管封头（A/R head），实施临时弃管作业；

2）派遣ROV下水调查受损管线，评估受损管线的屈曲程度和范围；

3）使用ROV切割设备将受损管段切除；

4）将切割的受损管段从海管路由移除，并进行回收；

5）从主作业船下放管线回收设备，并将其连接到管线的进水端；

6）通过压缩空气推动排水球进行管线排水作业；

7）通将A/R缆与管线回收设备连接，利用回收张力将海管回收至作业线；

8）检查切割点附近所有管线的状态。如果节点附近仍发现有损坏情况，则进一步回收海管，直至管线全部完好；

9）管线回收完成后，开始正常铺设。

早在1996年的时候，墨西哥湾出现过一次铺管过程中一条12″的管线1 800 m的水中出现问题，但最终通过使用ROV最终将管子成功收回到船上，并对其进行了切割、组对焊接、防腐等。整个维修过程耗费了好几周时间，给承包商造成了相当严重的经济损失。

7 设备能力的升级

超深水大管径的海底管线铺设，例如 24″海管2 500 m水深铺设，这些需求都依赖于S型铺管船的张紧器、Aamp;R绞车以及托管架等能力的发展和提升。这促使大量S型铺管船对现有设备进行升级。2005年“Solitaire”铺管船的张紧器的总张力升级到875 t，几年之后其Aamp;R绞车也升级到1 000 t。除此之外，为了能够承揽未来深水管线安装项目，2005年Solitaire更新了140 m长的托管架，该托管架可以承担总共约1 000 t管线的重量。为了控制托管架滚轮上的载荷集中，新的托管架安装了更多的滚轮并安装了均衡器，最终实现了将载荷均匀分布在托管架各个滚轮上目的。见图9。

国内的深水铺管船也分别对Aamp;R绞车、张紧器以及托管架等能力进行了改造升级。见图10。

通过对现有深水铺管船设备升级，现已经打破了之前的S型铺管的极限，即使是相对较重的管道，如双层管和注水管都能通过S型铺管法完成铺设安装。

8 限制管道铺水深的因素

石油、天然气等碳氢化合物的勘探已经达到了3 300 m。但是为了避免气体管线受压变形，所以深水管线的直径将受到一定的限制。当水深为2 500 m时，24″管线要求的壁厚将超过30 mm。当前，对于埋弧焊接管线来说壁厚一般限制在40 mm～45 mm之内。这种壁厚下，24″管线能够适应3 600 m～3 900 m的水深。管线制造商也会对于不同管径的壁厚进行限制，所以深水管线的直径将会随着水深的增加而减小。

24″管线在上述水深下对张紧器和Aamp;R绞车的要求是静态张力可以达到1 000 t～1 500 t。输油管线为了避免管线在铺设过程中发生变形可以采取注水铺设，所以管线在铺设的时候管线的重量相对较大。

这些趋势导致了对现有铺管设备进一步进行能力升级：“Solitaire”铺管船安装了一个“S-Lift”的结构，这个结构能够为深水管线提供1 500 t静态张力以及2 000 t动态张力。“S-Lift”结构其主要通过两个水下管线夹具来承担托管架尾部的管子载荷。当使用S-Lift方法时，管线的轴向应变显著降低，所以管线在铺设过程中可以承受更大的弯曲变形。

9 结论

深水管线铺设经过几年的发展已经达到安全且经济的目标。尽管很多铺管方法能够进行深水管线铺设，并且都有各自的优点，但是最终还是取决于价格因素。对于管径小长度小的项目，卷盘是铺管法竞争力很强。如果项目中有重型吊装和钢质悬链线立管（SCRs）安装，J型铺管方式具有非常明显的优势。S型铺管方式经济性好、铺设效率高，通过设备能力升级，S型铺管法将继续主导深水管线铺设市场。

[1]李志刚, 主编.深水海底管道铺设技术[M].北京： 机械工业出版社, 2012.

[2]E.P.Heerema, Allseas Group SA.Recent Achievements and Present Trends in Deepwater Pipe-lay System[C]//OTC, 2005.

[3]PSVM.The Deepest Development in West-Africa,Thanos Moros BP[C]// MCE Deepwater Development,Hague, 2013.

Pipe-lay Technology in Deep Water

DONG Yaofeng1, ZHEN Hongchang2, QI Jinlong1, YE Di1
(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China; 2.China Petroleum Pipeline Engineering Co., Ltd., Tianjin 300270, China)

Significant development of pipe-lay technology in deep water has been seen in the past decades.It is expected that the depth of offshore oilfield exploration will reach 3 600 m which will be broken through.Now a number of methods have advantages in deep water market.The in-line structures and steel catenary risers can be installed efficiently and safely.The rotation of pipelines and be controlled effectively.Offshore repairing technology is also verified.The paper introduces several installation methods of deep-water offshore pipelines, and discusses several tendencies of newly built deep-water pipe-lay vessels and market factors.The paper offers reference for colleagues.

deep water; pipe-lay; pipe-lay method

U674.38+1，N945.23

A

10.14141/j.31-1981.2017.04.016

董耀锋（1977—），男，工程师，研究方向：海洋石油深水工程项目的施工及管理。