滑移下水导管架长距离湿拖方案优化设计

崔广亮， 陈凯超， 魏佳广， 董振强， 刘 涛

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引 言

深水导管架具有建造投资高、拖航难度大、运输风险高等特点，一旦出现意外事故，将造成巨大的经济和财产损失。在国际上，深水导管架一般采用干拖的方式进行运输，湿拖方式仅限于导管架安装阶段的短距离运输。

深水导管架通常采用滑移下水，湿拖到就位区域的方式进行海上安装。导管架滑移下水区域一般选择距离平台场址1～2 n mile(1 n mile=1.852 km)的位置，以便缩短导管架湿拖距离，降低导管架在湿拖过程中密封舱波浪拍击进水及拖缆磨损断裂等风险。

相比短距离湿拖，导管架长距离湿拖过程会经历多次潮流变化及风向变化，如何克服气象变化带来的影响，保证湿拖方案安全可靠是长距离湿拖面临的最大难题。本文以东方13-2CEPB导管架安装为例，梳理了影响导管架长距离湿拖的主要因素，对导管架长距离湿拖方案进行了研究及方案优化，降低了长距离湿拖的作业风险，同时为工程节约了施工成本。

1 技术方案研究

东方13-2CEPB导管架长80 m，宽72 m，高36 m，重量约为8 200 t，受油田区域水深不足的影响，导管架需要选择距离平台场址17 n mile的较深海域滑移下水，然后采用长距离湿拖的方式将导管架拖带至安装现场。

针对可能的影响因素，为保证导管架长距离湿拖作业的可靠性，对导管架湿拖方案进行了初步设计。

1.1 湿拖方案设计

由于该导管架底部外形尺寸很大，因此大大增加了其在湿拖过程中的海水阻力。在导管架长距离湿拖的过程中，为了提供足够的湿拖力，在方案初步设计中采用2艘200 t系柱拖力拖轮(见图1中拖轮1和拖轮2)作为“主拖轮”，主要提供导管架湿拖方向的拖拉力，采用2艘150 t系柱拖力拖轮(见图1中拖轮3和拖轮4)作为“辅助拖轮”，主要起到导管架稳向作用，导管架长距离湿拖布置方案如图1所示。

1.2 拖点设计

通常，用于湿拖的拖点设计在导管架主腿侧面，在导管架安装设计阶段进行设计，其主要优势在于用钢量小，容易加工，并且容易切除；但此类拖点一般设计许用拖力较小，使用时容易产生疲劳损坏。常用拖点设计如图2所示。

图2 导管架湿拖常用拖点示意图

为了使拖点能够满足项目需要，东方13-2项目拖点设计前置到导管架详细设计阶段，设计位置在导管架主腿的顶部，此方案虽然用钢量有所增加，但在增大拖点设计能力的同时能够提高长距离湿拖过程中拖点的耐疲劳能力。拖点设计如图3所示。

图3 东方13-2项目导管架湿拖拖点示意图

1.3 湿拖系统设计

为保证导管架长距离湿拖过程中湿拖系统能够稳定工作，综合考虑受力能力、耐磨性及海况等的影响，湿拖系统选用高强缆绳作为拖缆，可以在相同破断力情况下减小拖缆的直径，增加可靠性和操作性。针对高强缆绳耐磨性能较差的特点，选用一段环形钢缆连接湿拖点和高强缆绳，减小导管架运输及湿拖过程中拖缆的磨损。

湿拖系统需要在导管架装船阶段进行预布，方便海上连接，如图4所示。

图4 湿拖系统在驳船甲板布置示意

湿拖系统海上连接方式如图5所示。

图5 湿拖系统海上连接方式示意图

2 湿拖力计算分析

本文中的湿拖计算分析采用MOSES软件，根据海水流速、风速及导管架湿拖速度的不同，选择3种环境工况对导管架长距离湿拖进行计算分析。其中海水流速选择“一年一遇”的1.17 m/s和“常规作业”的0.60 m/s两种，风速选择“一年一遇”的24.4 m/s和“常规作业”的12.0 m/s，湿拖速度选择0.5 kn(1 kn=1.852 km/h)和1.0 kn两种，详细环境工况组合如表1所示。

表1 环境工况参数取值

长距离湿拖方向及环境力方向选取如图6所示。

图6 导管架长距离湿拖方向及环境力方向

根据选取的环境工况，通过计算得出长距离湿拖计算分析结果如表2所示[1]。

表2 长距离湿拖计算分析结果

从表2可以看出，在工况A情况下，湿拖力最大为569 t。若按照此设计方案执行，2艘200 t拖力拖轮无法提供足够的湿拖力，不能满足项目需求，若更换300 t拖力的拖轮来完成此次湿拖任务则需要付出相当大的成本，且市场拖轮资源极其有限，会影响项目的工期计划。因此，导管架长距离湿拖方案优化成为解决问题的最佳途径[2]。

3 方案优化设计

根据上述计算结论，导管架长距离湿拖受海水流速影响较大，经过深入研究，从选取的环境工况和导管架长距离湿拖方案两个方面入手，进行设计优化最为可行。

3.1 工况合理选取

将上述选取的环境工况参数、油田区域水文气象特点及国家海洋局的统计资料[3]进行对比，发现选取的“一年一遇”环境工况参数较实际值偏大。通过对国家海洋局的统计资料的认真分析，综合考虑东方13-2CEPB导管架施工季节，选取施工当月最大的流速及风速值作为计算依据较为合理，选取的最大流速为0.62 m/s，选取的最大风速为10.0 m/s。优化后选取的环境工况如表3所示。

表3 优化后环境工况参数取值

根据优化后选取的环境工况参数，计算不同湿拖速度下的拖力，得出长距离湿拖计算分析结果如表4所示。

表4 优化后长距离湿拖计算分析结果

从优化后的长距离湿拖计算分析结果可以看出，在工况E情况下，湿拖力最大为328 t。若按照此设计方案执行，2艘200 t拖力拖轮能够提供足够的湿拖力，可以满足项目需求。但是，200 t拖力的拖轮资源对于工程来说成本仍然偏高，因此从工程实际出发[4]，有必要对导管架长距离湿拖方案进行优化设计。

3.2 湿拖方案优化设计

根据市场资源状况，系柱拖力大于150 t的拖轮资源非常丰富。若湿拖均选择该能力类型的拖轮，则能够节约大量项目成本。依据导管架湿拖受力分析，湿拖方案可以通过调整“辅助拖轮”(见图7中拖轮3和拖轮4)航向的方式进行优化设计，使“辅助拖轮”调整航向后不仅能够提供湿拖方向上的拖力，分担“主拖轮”(见图7中拖轮1和拖轮2)部分湿拖力，同时能够满足保持湿拖方向的能力。

优化后的长距离湿拖布置方案如图7所示。

图7 优化后的长距离湿拖布置方案

环境工况合理选取和湿拖方案优化后，选取4艘150 t拖力拖轮完成长距离湿拖任务，能够满足湿拖力及湿拖作业要求，达到了节约项目成本的目的。

通过东方13-2项目的作业实践，该方案的可行性得到了验证。随着我国海上石油资源的大开发，类似东方13-2CEPB导管架滑移下水水深不足的情况将时有发生，因此在降本增效的大环境下，该方案的推广应用显得非常重要。

4 结 语

导管架长距离湿拖方案在东方13-2项目的成功应用，不仅为项目节约了大量的成本，创造了可观的经济效益，也为后续项目在导管架长距离湿拖方案设计及实施方面积累了大量经验，主要经验总结如下：

(1) 现场海况的合理选取。作为湿拖最大的影响因素，现场海况的选取，特别是流速的选取直接影响湿拖计算结果。建议后续项目在设计阶段充分考虑施工海况的环境参数，为设计工作提供切实可行的数据依据。

(2) 导管架湿拖系统预布置。导管架湿拖系统需要在运输驳船出港前布置在驳船甲板上，湿拖高强缆绳需要在导管架上固定，防止在导管架运输过程中高强缆磨损，影响现场使用。

(3) 若导管架湿拖力不大于250 t，即单根湿拖缆绳使用拉力小于125 t，建议将高强缆采用漂浮尼龙缆进行替换，从而降低湿拖系统的采购费用。

(4) 导管架下水窗口的选择。在施工过程中，建议根据现场潮汐情况选择导管架下水的窗口期，利用海水流向的变化，减小导管架湿拖过程中流速带来的阻力。

(5) 湿拖速度的选择。湿拖航速建议选择1～1.25 kn，既能缩短湿拖的时间，有效利用海上施工窗口，又能降低拖力要求，避免使用大型拖轮资源，节约项目成本。

在导管架长距离湿拖时，湿拖方案的设计需要考虑船舶资源、拖带系统及水文气象等因素的综合影响[4-7]。本文结合工程实际和施工海域气象条件，合理选取计算条件，优化导管架长距离湿拖方案，为工程的顺利实施提供了保障，同时对今后导管架长距离湿拖具有较好的参考指导作用。