适用于渤海海底复合软管的铺设系统研制和应用

龚海潮, 陈 伟, 宫 蕊， 王翎羽

[1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452；2. 天津市海王星海上工程技术股份有限公司，天津 300384]

适用于渤海海底复合软管的铺设系统研制和应用

龚海潮1, 陈 伟2, 宫 蕊2， 王翎羽2

[1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452；2. 天津市海王星海上工程技术股份有限公司，天津 300384]

国产海洋复合软管在渤海的使用还属于起步阶段，其相应的施工船舶和施工装备还没有现成的资源可用。中海石油天津分公司和海王星公司经过详细的调研和周密的分析，攻克种种技术难点，将卧式旋转储管池系统与牵引机、埋设犁组合，形成一套适用于渤海柔性管线施工用的铺设系统，并获得成功，为国产软管应用到渤海油田开发奠定基础。相关的机具经过实际安装达到设计要求，预留功能可以适应更长的管线施工需要。

复合软管；铺设；卧式旋转储管池；牵引机；埋设犁

0 引 言

渤海油田有“海上大庆”的美称，油气产量已连续五年超额完成3 000万立方米产量目标，截至2014年底，渤海油田累计发现探明石油地质储量32.89亿吨，累计向国家贡献了2.5亿吨，已经成为我国北方重要的能源生产基地。

海底管道是海上油气田开发的生命线，按照结构形式区分主要为钢管(金属管)和复合软管两种。海底管道的优点是可以连续输送，几乎不受环境条件的影响，不会因海上储油设施容量限制或穿梭油轮的接运不及时而迫使油田减产或停产，外运输油效率高，运油能力大。

海底复合软管柔韧性好，单根连续长度长，在陆地制造时最长可以达到2 000 m以上，与平台立管连接方便，不需安装膨胀弯就可以直接连接。对海上施工的船舶要求相对较低，有较多的船舶可利用，海上施工费用低。同时，柔性的复合管道能够适应海底地貌的落差变化[1]，根据不同的输送介质特性进行针对性防腐设计，具有本质性防腐功能，使油田开发项目整体投资比钢管具有较好的经济性。

在渤海BZ28/34油田的开发中，首次采用国产的海底复合软管作为油田开发使用的注水管线，通过特殊研制的卧式旋转储管池装置，一次完成4根6英寸(1英寸≈2.54cm)长度约17km、总运输重量1800t的复合软管运输和海上施工，取得了成功并获得良好的经济效益。本文将对海底复合软管的铺设系统研制和应用做简要介绍，为后续类似的设备和工程项目提供参考。

1 复合软管简介

复合软管按照不同功能层的要求不同，可以选择不一样的材料制造，组合成多层的复合结构管道，满足管道输送的相关要求。

图1所示为软管结构形式，本项目管线安装水深30 m，经过计算分析挤出层内管结构可以承受最大外压，故不设置骨架层，抗压层和抗拉层按照美国石油学会(API)规范[2]采用低碳钢制造，结合渤海海域特点和需要埋设的要求，最外层部分增加配重保护层，提高管体的防护能力。最终确定4根同规格的6英寸注水软管最大外径243.9mm，空气中空管重量为100.78kg/m，水中空管重量为52.89kg/m。

图1 海底复合软管结构形式图Fig.1 Schematics of subsea unbonded flexible pipe

由于软管具有连续长度长的特点，以往项目使用的钢管铺管船无法进行施工，基于项目的实际情况，需要进行系统性的分析和研究，找到解决方法。

2 软管铺设系统研制

2.1 施工船舶和铺设系统布置

施工区域集中，工期要求紧迫，必须将所有管线运输到位一次性开展海上的铺设施工。而国内浅水柔性管道铺管船资源是空白的，如果从国外租用成本会很高，同时动复员周期长，不利于实现降低成本提高经济效益的目标，为此油田开发项目组与复合软管生产施工单位天津市海王星海上工程技术股份有限公司(以下简称海王星公司)围绕此次施工，兼顾渤海区域后续使用复合软管的项目需要，利用海王星公司自有船舶资源海恩302船为基础设计改造了一条专业的海底复合软管的铺设施工船。

图2所示的海恩302船是一艘无动力甲板驳船，长99m、宽32m、型深6.5m， 最大作业水深100m，配备1台40t—28m克令吊和一台4×80t门吊，甲板承载力16t/m2，安装8台50t移船绞车，定员100人。

图2 海恩302船原貌Fig.2 Photo of Haien-302

传统的方式都是通过大型的运输船舶将成卷软管运送到海上指定区域以供铺管船过驳及铺设。由于软管是成卷运输，铺设时需要在海上安装大量的接头接长，风险大、耗时长，导致项目的成本增加。同时增加了软管铺设的施工风险和工期，容易错过好的天气窗口，也会增加额外支出。国外的软管施工都采用储缆收放装置，通过其所设有的大容量软管储运装置，配合装置自身的排缆、收放系统，可以便捷地在大型运输船舶上安装，配合软管铺设的牵引、导向设备，可以独立完成长距离软管的施工，节省项目施工费用。

本次施工运输的软管为1800t，考虑后期施工的需求和甲板的空间特点，选择卧式储管池是最佳方案。从长远的考虑并结合国外设备的调研信息综合确定卧式旋转储管池系统为内径25m，储管能力4000t，后端配置两台10t的牵引机，满足最大通过700mm直径管线的需要，最终完成的铺设系统设计布置如图3所示。

图3 海恩302软管铺管船铺设系统布置图Fig.3 Layout of Haien-302 flexible pipe laying system

如海恩302软管铺管船铺设系统布置图(见图3)所示的铺设系统，整体布置在302船舶的中部，铺设系统主要包括25m卧式旋转储管池、排管臂、牵引机、台架、尾部托架、控制系统(布置在台架下部)以及为施工机具提供电力的两套发电机组(布置在船舱内部)，铺设系统的主要机械组成部件如图4所示。

图4 软管铺管船铺设系统组成Fig.4 Schematics of flexible pipe laying system

图4所示的铺设系统中25m卧式旋转储管池主要作为储存装置，将软管或柔性管缆储存在池体内部。排管臂通过俯仰角度调整和左右转动的变化实现对进出池体的管缆最佳路径控制，减少管线的弯曲，防止损伤管缆外表。牵引机提供管缆进出的轴向牵引力，采用两台同规格的牵引机同时作业，可以满足设备在线备份的施工安全要求，同时可以在牵引力不变的状态下采用一台夹持和一台松开交替进行变换，实现软管接头的通过。尾部托架成90°结构，确保管缆在进出铺设系统时不会有过弯，均在托架的弯曲半径以上，同时在管缆铺设时可以适应较深水深时入水段到托架之间管缆近乎垂直于水面的情况，而不会对管缆产生过弯。台架作为一个强力的结构件，其上安装有排管臂、牵引机和尾部托架，台架的标高按照管线的弯曲半径和进出储管池不过弯的要求进行设计，采用型材组焊成框架式的结构架。发电机组为储管池回转、排管臂和牵引机提供动力。考虑设备安装的方便，在台架底部有安装铺设系统的电控柜，利用台架下端的空间，减少对船舶甲板面积的占用。在控制系统的控制下，按照一定的收放线速度，调整回转储管池的转速、牵引机的夹紧力、牵引线速度以及排管臂的对应位置角度，实现系统性的控制。控制系统以线速度为控制变量，将所有装置的动作参数进行整合，简化控制，提高作业效率，由于软管缠绕是无张力存储，同时每圈管道长度都比较长，结合实际情况排管臂采用人工干预的方式操作，确保管线接近均匀排布。

整套系统中排管臂、牵引机、台架、尾部托架均为常规的结构件，按照实际的需求建造即可。控制系统(布置在台架下部)按照动作要求和电制、防护等要求进行组装，发电机组(布置在船舱内部)为成熟产品，按照最大功率选择即可。核心的25m卧式旋转储管池在国内没有同样的产品，同时国外的资料较少，需要进行详细的技术研究。

2.2 结构设计与强度校核

卧式储管池主要用来存放柔性海洋管道，是满足存储吨位要求的具备自转能力的大型装备，主要组成如图5所示。

图5 储管池组成示意图Fig.5 Schematics of carsousel

加固支撑架采用型材组焊构造成塔式结构，采用机械固接的方式与外护栏连接，确保运输时储管池整体的运输强度可靠。加固支撑架结构与船舶甲板刚性固定，将来自外护栏承受的横向载荷传递到船体，以稳定储管池，并满足特殊情况下的外护栏强度补充。考虑船舶横摇角度是主要的影响因素，在船舶两舷侧各布置3套加固支撑架，补强横摇状态下池体外护栏的强度。

外护栏采用型材框架组焊制成，主要作用是防止管线的径向滑移，它具有一定的强度，用来克服船舶摇晃时存储管线所产生的惯性力。由于在内陆场地建造，为了便于陆运将外护栏共分为18分片，弧形分片之间用螺栓连接，并设置有人员进出池内部的通道，符合操作和安全要求，每片不超过公路运输的尺寸限制。

底托上主要存放4000t的管线，底托下方带有导轨与支撑滚轮接触，围绕回转轴承进行旋转，为满足运输需要，储管池底托也分为18个扇形板，通过一定的工艺处理使导轮支撑基面处于同一个平面内。每片之间采取螺栓和定位销组对，确保在多次拆装或海上整体吊装底座时不会损坏底托。

芯轴是管线缠绕在储管池的卷绕轴心，主要作用是防止管线的径向滑移和提供绕管的内芯，具有一定的强度，可以克服船舶摇晃时存储管线所产生的惯性力。芯轴采用型材框架和钢板组焊制成，共分为4件分片，分片之间采取螺栓连接，确保在多次拆装或海上整体吊装芯轴时不会损坏。芯轴内外均设置有人员出入通道的爬梯和攀爬孔。芯轴根部内侧设置三角筋板，提高结构连接部分的抗弯和抗剪切性能。

支撑滚轮采用单台单轮结构，满足重载状态下的受力和安全需求，按照设计计算分析，需要设置176套支撑滚轮，分布直径(从内到外)分别为： 10m， 16m， 22m；滚轮数量(从内到外)分别为： 32套，64套，80套。滚轮由高强度合金钢制造，表面进行硬化热处理，通过轴承固定在支撑轴上，两套轴承均为圆锥滚子轴承，可抵抗运动过程中产生的横向载荷的不利影响。

底座主要在船舶甲板焊接，分成3个环形结构，采用厚钢板建造，作为支撑滚轮的轨道。底座现场焊接到船甲板上固定，同时进行水平找平，保证上部结构安装的水平基础，减少后期支撑滚轮的调整工作，使所有的滚轮尽可能地接触轨道，以均衡不同部位滚轮的受力，防止部分滚轮不接触轨道而导致局部滚轮载荷超出允许值，以确保运行安全。

驱动装置采用交流变频电机驱动大减速比的减速机，带动小链轮使布置在底托上的链节圈转动，依据实际载荷情况选择驱动电机的数量，最大载荷时6套驱动装置均投入使用。驱动装置有一定的冗余，允许一套出现问题时其余的5套能满足低速状态运行，同时船舶上有库存的电机备件和减速机备件。

设计完成的储管池在极端情况(最大载荷4000t，最大横摇15°)下，经过有限元软件进行强度计算，结构最大应力均在215MPa以内，如图6所示的计算结果，少量存在大于245MPa的情况，主要是连接根部的应力集中。考虑实际制造时有对位的止口，同时采用板与板对接并在建模时没有详细建出筋板的结构，故应力会局部分散，可以满足强度要求。

图6 整体应力云图Fig.6 Von Stress contour of carousel

如图7所示的整体位移计算结果，在极端工况下结构的形变量不超过0.1mm，按照结构的特点和实际的建造和使用情况，综合判定形变量复合需要，以满足使用要求。

图7 整体位移云图Fig.7 Displacement contour of carousel

3 系统应用情况

经过一年的研制和海上施工，适用于渤海海底复合软管的铺设系统一次完成4根6英寸海底复合软管的码头过驳(见图8)和海上铺设，总长17.338km的管线海上施工仅用20天时间，连同埋设犁同步作业最快铺设速度达2km/d。充分说明此系统的研制是成功的，对后续的项目使用具有很好的参考价值。

图8 复合软管的码头过驳Fig.8 Lighting port of flexible pipe

4 结 语

此次在渤海施工使用甲板驳船搭载基于卧式旋转储管池为主体的铺设系统，取得了预期效果，有显著的经济效益，为后续在渤海长距离的柔性管缆施工提供了更好的解决方案。

随着我国海洋油气资源开发的不断发展和扩大，海管的需求也不断增加，与国外产品相比，国产软管成本优势明显，同时可以快捷方便地供货和提供相关的服务，应用前景非常广阔。

目前国产软管的使用还存在一定的局限性，只适用于水深小于200m的海域。软管技术的研究方向是管径更大，适应水深更深、耐压更高的要求。随着国产软管技术的不断发展和成熟，采用软管在海底输送油、气将是未来发展的趋势。

[1] 代志双，王鸿轩，鲁成林，等.复合柔性软管用HDPE的蠕变性能[J].海洋工程装备与技术，2016,3(2)： 135.

[2] American Petroleum Institute. API RP 17B. Recommended practice for flexible pipe [S]. 2014： 22-23

DevelopmentandApplicationofPipeLayingSystemSuitableforFlexiblePipeinBohaiBay

GONG Hai-chao1， CHEN Wei2， GONG Rui2， WANG Ling-yu2

(1.ChinaNationalOffshoreOilCorporationTianjinBranchCo.,Ltd.,Tianjin300452,China;2.NeptuneOffshoreEngineeringDevelopmentCo.,Ltd.,Tianjin300384,China)

Deployment of subsea flexible pipe just started in Bohai Bay, China. Suitable equipment and vessels for subsea flexible pipe installation are very limited for this area. With tremendous efforts, CNOOC Tianjin Branch and Neptune Offshore Engineering Development Company (NOED) successfully developed a flexible pipe laying system, which is particularly suitable for applications in Bohai Bay. By combining the horizontal rotating pipe storage carousel, tractor and embedding plough, the system is well suitable for transporting and installing subsea flexible pipes in Bohai Bay. The successful installation of the BZ 28/34 flexible pipes demonstrated the system’s adequacy.

flexible pipe; laying; horizontal rotating pipe storage carousel; tensioner; sea plough

U175.5

A

2095-7297(2017)01-0043-05

2016-11-03

龚海潮(1983—)，男，工程师，主要从事海洋工程项目管理工作。