深水半潜式J-lay铺管船海管铺设功能论证分析研究

何 宁，赵 党，王 辉

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

近年来国内外海洋石油开发正在向环境恶劣的深海海洋区块进发。2012年投入使用的“海洋石油981”初步解决了我国深水资源勘探问题，目前南海深水区域的勘探工作取得了丰硕成果，南海大气区的开发正稳步进行，东海也有多个油田需要开发，但受限于恶劣的开发环境，传统船型海洋工程船可作业天气窗口较小。通过对国外类似作业环境的调研[1-2]，发现深水半潜式起重铺管船能够在恶劣的深水环境条件下进行J-lay海管铺设[3]、大型结构物的吊装[4]等多种海洋工程作业。本文通过对拟建半潜式起重J-lay铺管船功能定位进行研究，确定船舶建造所需的J-lay铺管作业参数。我国南海深水油气资源开发战略不断推进，中国海油走出国门的发展趋势也日趋明显，因此，确定拟建半潜式J-lay铺管船海管铺设功能具有重大的学术意义和实际应用意义。

1 国外深水J-lay铺管船及典型项目应用调研

对现有的主要J-lay铺管船及行业典型项目调研，汇总得到采用J-lay方式铺设深水海管的项目情况，如表1所示。

表1 J-lay海管铺设典型项目汇总Table 1 Summary of typical projects with J-lay

调研结果显示，目前世界上的J-lay系统张力最大为2000t，铺管管径范围为4～32英寸，20～32英寸管径海管的最大铺设水深约为2400m。

2 不同水深情况下各类型碳钢管管径和壁厚应用研究

受管道生产制造工艺限制，不同管径的管材壁厚有一定限制范围。对国际碳钢管生产厂家(JFE，Europipe，Tenaris等)进行调研，得到其不同类型海管尺寸特征。依据挪威船级社(DNV)规范DNV-OS-F101[5]，针对不同管径下最大壁厚管材参数所能应用的最大水深进行分析，得到如表2所示结果。

表2 不同类型管道的最大应用水深分析结果Table 2 Maximum applicable water depth for different pipes

注：SMLS，无缝钢管；HFW，高频焊管；UOE；大口径直缝焊管。

在上述分析中，对应不同管径，选取该类型制造工艺情况下的最大壁厚，依据DNV-OS-F101规范校核，求得在满足压溃分析系数小于1情况下所允许的最大设计水深数值。依据上述情况确定的分析工况，将作为评估深水起重J-lay铺管船海管铺设能力的重要考证依据。

3 拟定铺管船J-lay铺管作业有限元分析

依据壁厚选择确定的工况及已经实施的典型工程项目，设定拟建J-lay铺管船海管铺设能力评估分析工况，如表3所示。

借助国际先进的海管铺设分析软件PipeLay[6]，对空管和充水两种工况进行分析，汇总结果如表4和表5所示。

表3 分析工况Table 3 Analysis cases

表4 空管安装分析结果Table 4 Results of installation case：content empty

4 J-lay铺管系统选型

半潜式起重铺管船的J-lay系统通常为四节点双工作站、六节点单工作站两种，八节点单工作站铺管系统虽然目前没有实船交付业绩，但可作为一种供选择的设计方法。对J-lay作业过程中所涉及的不同作业流程步骤的时间进行调研，针对四节点双工作站、六节点单工作站、八节点单工作站三种铺管系统的海管铺设效率展开分析，如表6所示。

表5 充水安装分析结果Table 5 Results of installation case：flooded

表6 不同工作站下海管铺设效率分析Table 6 Laying efficiency for different working station

根据分析结果，四节点双工作站与八节点单工作站两种铺管系统的铺管效率基本相同，10英寸海管的铺设速度约为2km/d，22英寸海管的铺设速度约为1.6km/d，六节点单工作站的铺管效率略低，10英寸海管的铺设速度约为1.75km/d，22英寸海管的铺设速度约为1.35km/d。

根据工况分析结果和实际海管铺设作业经验，需在充水铺管工况下考虑动态放大系数，或考虑200kN(20t)张力作为动态裕度，取数值大者为参考结果。拟建船舶管道所需张力和水平推力数值如表7所示。

综合以上分析，拟设计的深水半潜起重J-lay铺管船定位为：铺设系统张力2000t，船舶所需提供水平推力为150t，铺设管径范围4～32英寸，J-lay系统布置在船中，通过月池下放海管。

表7 32英寸管道极限工况铺设校核Table 7 Analysis results for 32 inch pipeline laying under extreme conditions

5 结 语

在调研国外深水J-lay铺管船及在典型项目中应用情况的基础上，依据规范核算了不同水深情况下允许的海管管径和壁厚分布情况，对比了J-lay塔不同节点和工作站情况下的海管铺设效率，进而确定了拟建的J-lay铺管船海管铺设能力及对应要求。针对深水J-lay铺管船铺设功能分析，其他方面的注意事项如下。

(1) 海管外防腐涂层及保温层厚度、密度等对铺管计算影响较大，需要在方案考证计算中予以考虑。

(2) 海管管径越大，水深越深，需要的总铺设张力和水平推力越大。

(3) 对于相同管径和水深条件进行铺管分析，在保持脱离角相对一致的前提下，注水工况下总铺设张力和水平推力相对较大，如果对脱离角进行微调，可对铺管水平推力适度优化。

(4) 关于海管铺管作业J-lay塔工作站及单段海管长度的选取，与半潜船整体结构强度、空间布置及工程造价相关，需要更详细的论证评估。如条件允许，建议选取四节点双工作站或八节点单工作站J-lay塔布置。

[1] Pulici M,Trifon M,Dumitrescu A.Deep water sealines installation by using the J-lay method-the Blue Stream experience [C].ISOPE,2003：ISOPE-I-03-088.

[2] Lenci S,Callegari M.Simple analytical models for the J-lay problem [J].Acta Mechanica,2005,178(1-2)：23.

[3] Salome P,Karjadi E,Kleijne E.Development of new generation collar for J-lay heavy pipeline installation [C].OTC,2011：22006.

[4] Antani J,Dick W,Balch D,et al.Design,fabrication and installation of the Neptune export lateral PLETs [C].OTC,2008：19688.

[5] Det Norske Veritas.DNV-OS-F101.Submarine pipeline systems [S].2013.

[6] Wood Group.PipeLay brochure [OL].https：//www.woodgroup.com/__data/assets/pdf_file/0023/5675/PipeLay-Brochure.pdf.