深水海底管道预调试下放软管系统发展现状概述

曹学文，谢振强，曹忠正，王 军，郑松贤

1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛 266580

2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450

1 研究背景

“十三五”以来，我国海洋资源开发不断向深水发展，海底管道在海洋油气资源开采和运输方面扮演着越来越重要的角色[1]。不管是海底还是陆上管道，为方便操作管道在敷设时其内部是空的。因此，海底管道在正式投产之前，为了核查安装管道的完整性和可靠性，需要进行预调试处理。

海底管道预调试工艺主要包括以下部分：充水、清洁、测径（内检测）、水压试验、排水、干燥、惰化等[2-4]。对于浅水平台或较短管道，可从平台收、发球完成管道预调试工作；对于深海平台或较长管道，目前常用的海底管道预调试方案主要为水下发球-水上收球方案[5]。

下放软管系统是一种移动式的可下放回收的海洋软管系统，其作用是连接水面供源系统（如动力定位驳船FDS 或FPSO）和海底接收设备（如水下收发球筒），将水面供源系统中的流体介质（如含防腐剂的淡水、乙二醇、干空气、氮气等）输送到海底接收设备，为海底管道的预调试工作提供介质和动力。

对于水下发球-水上收球模式的深水海底管道预调试，由于海底设备本身无法提供相应的动力源和介质，因此需要通过下放软管，从水面供源系统向海底的水下发球筒提供淡水、干空气、乙二醇、氮气等工作介质和动力。因此，下放软管是连接水上相关生产设备和海底相关设备的重要部件。图1为下放软管的整体布局结构示意[6]。

2 下放软管的类型及发展历程

下放软管的灵感最早来源于陆地修井机上使用的连续油管（见图2），首次应用是在二战期间。连续油管是一体式的管道，对其机械性能已经有较好的了解，因此易于根据操作的需要选用。此外，大多数组件较容易获取，制造过程简单，因而被广泛使用[7-8]。

图1 下放软管系统布局示意

图2 连续油管实物

连续油管虽然制造和获取比较容易，但其本身为碳钢空心管，不耐海水腐蚀；另外，海上波浪载荷会使连续油管经历高周交变载荷，连续油管所用的碳钢材料很容易发生疲劳失效[9-10]。因此，人们发明了多层缠绕的高压软管。

高压软管由金属铠装和多层非金属材料缠绕、包覆而成（见图3），它兼具金属材料的抗压性和非金属材料的柔性、抗腐蚀性。但是其制造过程比较复杂，且其单位长度的质量较大，因此不适用于超过1 500 m 的深水作业[11-13]。

为了克服高压软管存在的缺陷，最近美国一家公司研制出了一种新的热复合材料管（见图4），它具有强度高、耐腐蚀、重量轻的特点，并已成功应用到深水海底管道预调试工艺中。但由于其本身由非金属材料制成，不适宜输送高温流体[14-15]。

图3 高压软管结构示意

图4 热复合材料管结构示意

从早期的连续油管，到比较成熟的高压软管，再到最新的热复合材料管，下放软管系统得到了不断的优化和提升，能够更高效、安全、经济地完成海底管道预调试的相关工作。

由于下放软管系统有较好的柔性，因此下放软管系统的工作和生产过程可以允许一定幅度的洋流和波浪载荷，为了保证生产和运行的安全，搭载下放软管的驳船需要有动力定位系统[13-14]。下放软管的下放和回收速度较快（对于1 500 m 水深最快下放时间约2 h），因此大大减少了现场作业的施工周期以及租船和人工费用；在海上施工作业过程中，如果遇到风暴等突发事件，下放软管还可以迅速在水下切断并回收，使驳船可以迅速撤离受风暴影响的海域，从而减少损失。

3 下放软管系统的应用案例

目前，下放软管系统已经成功应用于全世界各个海域，如巴西、澳大利亚、非洲、北海和中国南海[16-19]。

（1）2014—2015年，Saipem 公司对南美巴西的4 条水深2 200 m 的海底输气管道进行预调试工作，这4 条输气管道分别为：Cabiunas 输气管道（D18in、280km）、Cernambi 输气管道（D18in、19 km）、Iracema 输气管道 （D 20 in、5.5 km）和Sapinhoa 输气管道（D 20 in、15.5 km），采用的下放软管管径均为3.5 in（1 in=25.4 mm）。

（2）2011年，雪佛龙公司在墨西哥湾800 m水深应用管径4.5 in 的下放软管。

（3）2012年，Saipem 公司为 Guara ＆ Lula Sapinhoa 海底管道预调试，下放软管内径为3 in，应用水深2 500 m。

（4）2016年，Shell 公司为非洲尼日利亚SNEPCo Bonga 油田做海底管道预调试，使用3 in管径的下放软管，应用水深1 500 m。

（5）2013年，Saipem 公司为中国南海荔湾海底管道进行预调试，下放软管管径3 in，应用水深1 500 m。

4 下放软管系统的组成

下放软管系统主要包括卷轮、导向器、张紧器、下水桥、下放软管管道、配重模块、飞线软管、快速插拔接头、动力能源提供装置等部分。

4.1 卷轮

卷轮是下放软管系统的主体部件，其外形像一个大的线轴，见图5。其外圈轮毂可以绕中心轴自由旋转，下放软管管道紧密而规则地缠绕在卷轮上。卷轮上方安装有排线器，在连续油管下放时，将管道均匀、稳定地抽出，在下放软管管道回收时，将下放软管紧密规则地缠绕在卷轮上。卷轮装置本身安装有动力绞车，可为下放软管的下放和回收提供转动所需的动力[20]。

图5 卷轮实物

4.2 张紧器

如图6所示，张紧器位于卷轮的后方，主要由2～4个对称的类履带装置组成。履带夹紧下放软管管道，通过将自身循环转动转变为下放软管的直线运动，从而实现下放功能。张紧器主要有以下功能[21-23]：

（1）控制连续油管下放速度和连续油管末端在水中的深度。

（2）避免将连续油管上的载荷传递到滚轮上。

（3）为回收连续油管时提供升力。

图6 张紧器实物

4.3 下水桥

如图7所示，下水桥位于张紧器后方，通过钢架构固定在船侧或船尾，其外形为具有一定弧度的圆弧形钢结构。其作用是将从卷轮抽出的下放软管引导至垂直向下，同时为下放软管的悬挂提供一定的支撑作用。下水桥弧度的弯曲半径不得超过下放软管所允许弯曲半径的最小值，以免下放软管因过度弯曲而发生破坏失效[24]。

图7 下水桥实物

4.4 配重模块

为了使下放软管在下放期间保持直线状态，并保持下放过程的稳定，需要在下放软管上加配重模块。配重模块加在下放软管的末端，其质量的选择由下放软管受力计算确定[25]。

4.5 飞线软管

在下放软管和水下收发球筒之间有一段50 ～75 m 左右的飞线软管。飞线软管的直径小，可以进行较大程度的弯曲。可减小由下放软管传向收发球筒的载荷，进而减小对水下收发球筒的破坏[26-27]。

4.6 快速插拔接头

快速插拔接头位于飞线软管末端，用于连接飞线软管和水下收发球筒。快速插拔接头分为公头和母头，见图8。ROV 可以握着把手将快速插拔接头插入水下收发球筒上的母头中[28]，输送的介质流体可通过公头上的孔进入母头，使介质顺利进入水下收发球筒。

图8 快速插拔接头

5 下放软管系统的下放与连接工艺

下放软管的下放可以从船尾或者驳船中间的月池进行，具体下放步骤如下：

（1）检查下放软管下放路径，确保下放路径上没有尖锐物、高温热源以及运动部件等干扰。

（2）下放软管一端抽出并与相应的接头相连接，完成连接之后对整体下放软管进行气密性检查，确保其密封性良好。

（3）同步操作驳船上的吊车和卷轮绞车，使下放软管依次通过下方路径上的各个设备。

（4）将下放软管牵引至下放点（如月池或船尾），并连接飞线软管、配重吊索和快速插拔接头等部件。

（5）启动卷轮绞车开始下放，此过程中注意控制下放软管的下放速度。

（6）当下放软管下端下放至距离海床上方约20 m 时，停止下放软管的下放，采用ROV 辅助驳船调整软管位置至距离水下收发球筒约10 m 左右。

（7）ROV 将水下收发球筒上的盲插头拔出，插入快速插拔接头。ROV 移除不需要的配重及相关绳索，回收至驳船上。完成收尾整理工作，整个下放软管的下放过程结束。

6 结束语

深水海底管道的预调试工艺对保障深水海底油气资源的开发和利用具有重大意义，而下放软管系统是海底管道预调试工作不可分割的组成部分。本文对下放软管系统的发展历程和应用案例进行了总结归纳，并对下放软管系统的组成和下放连接工艺进行了较为详细的阐述，以期为海洋石油的相关从业者和研究者提供借鉴和帮助。