国内某工程船新增管缆卷盘选型分析

方霖，张人公，孙锟，陈晓东，岳剑锋，林晓杰

(深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067)

国内某工程船新增管缆卷盘选型分析

方霖，张人公，孙锟，陈晓东，岳剑锋，林晓杰

(深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067)

为满足工程需要,考虑对国内一可用于柔性管缆铺设作业的多功能工程船新增管缆卷盘，分析新增卷盘尺寸、管缆装载量、甲板布置及管缆铺设路由，结果表明，在该工程船上新增卷盘可行,可较大增加该工程船装载柔性管缆的能力。

柔性管缆；铺设作业船舶；卷盘；卷盘装载量；选型分析

柔性管缆(如海缆、脐带缆、软管等)的安装铺设作业已成为海上油气开发的重要组成部分。随着海洋油气开发走向深水,柔性管缆的使用越来越广泛[1-2]。在国内，随着海洋油气开发力度的增大，柔性管缆铺设项目也逐渐增多，不乏较长长度柔性管缆铺设项目。如流花4-1油田海缆铺设，铺设了3根14 km长的多芯海底电缆及1根14 km长的脐带缆[3-4]。其中，多芯海底电缆单根直径为157.3 mm，质量为570 t；脐带缆直径为121 mm，质量为410 t。而在软管铺设中，软管的直径通常都大于海缆，相同长度下也往往具有更大的质量。因此，对于较长长度柔性管缆铺设项目，对柔性管缆的运输储存装置的能力提出了较高的要求。国内近年建造有一艘可进行柔性管缆铺设的多功能深水作业工程船，建造完成投入使用时，配备有2 500 t的柔性管缆卷盘，可满足目前国内柔性管缆铺设作业的要求，自服役以来已服务了2、3个管缆铺设项目。但随着我国深水油气田的开发和走向国际的需要，现有卷盘可能无法很好地满足实际施工需求。经过初步分析，认为该工程船具备在甲板上新增一管缆卷盘的可能，因此，进行了该工程船新增卷盘的方案研究。后文称该工程船为目标工程船。

1 船舶及卷盘分析

目标工程船总长140.75 m，船宽29.0 m，型深12.8 m，为国内近年建造的一艘多功能深水工程船，可进行水下结构物(如基盘、管汇、膨胀弯、跨界管等)的安装作业、柔性管缆铺设作业，其外观见图1。

现有卷盘位于船体靠近中部的主甲板以下的舱室中，肋位37#～67#之间。卷盘由位于下方的底座和上方的缆框组成，并由动力装置驱动实现转动。底座为上方的缆框提供结构支撑，通过环形及辐射状骨架与船体双层底的上底相连，通过滚轮装置实现上方缆框灵活旋转，通过中间柱状结构延伸至上方缆框实现上方缆框的径向定位并提供旋转轴。上方的缆框为柔性管缆存储区域。图2是现有卷盘模型。

对该工程船及国外一些大小接近的软管铺设船进行船舶及卷盘基本参数及信息统计，参见表1。由表1可见，与目标工程船尺寸相近的船舶，管缆最大装载量基本都大于目标工程船，偏差在700 t以上。与目标工程船主尺度较为接近的Seven Wave船，管缆最大载重量比目标工程船多1 500 t。Seven Seas、Lewek Connector船具有2个或2个以上卷盘，甲板以下及甲板以上均有布置，且甲板上卷盘管缆最大载重量均达3 000 t，为目标工程船在甲板上新增卷盘提供一定参考。

表1 软管铺设船及卷盘信息统计

2 新增卷盘的选型设计

卷盘的主要规格参数有转盘内径、外径、总高度、有效高度和最大装载量。目标工程船现有卷盘内径为6～10 m(可调内径)，外径为20.6 m，总高度为4 m，有效高度为3.6 m、最大装载量为2 500 t。

新增卷盘选型设计中，需初步确定新增卷盘的主要规格尺寸、管缆载重量、甲板上的位置，并进行船舶浮态验证、管缆铺设甲板布置合理性验证。由于海缆直径一般较小，卷盘装载量容易达到要求，在确定卷盘管缆载重量时，仅以软管为研究对象，分析标的取为5 in及10 in软管。

2.1 新增卷盘甲板位置

目标工程船木质主甲板艏部为直升机平台，接着为船舶桥楼，桥楼以后才是可放置货物及设备的可用甲板区域，约-5#～100#。在此甲板区，布置有2台吊机，位于接近舷侧的位置，左右舷各1台。主吊机基座接近船中位置，现有卷盘位于37#～67#之间，且甲板中间布置有月池，只能将新增卷盘布置在具有较大空间的船尾甲板区域。

经分析，在5#～35#肋位之间可布置一外径与现有卷盘相当的新增卷盘，新增卷盘重心位于甲板中心线21#。初步假设新增卷盘内径6 m、外径20 m、总高度4.5 m、有效高度4 m。这样规格尺寸的新增卷盘及现有卷盘在甲板上的位置见图3。由图3可见，新增卷盘尺寸基本达到最大，合理地避开了吊机基座，但与一些较小构件存在布置冲突。实际安装中，可将这些较小构件位置进行调整。

2.2 卷盘管缆载重量

根据国外NKT、WELLSTREAM、FLEXIFRANCE公司供应软管的资料，计算不同外径软管单位长度质量，绘制软管单位长度质量随软管外径变化的曲线，并采用二阶多项式拟合，可得到软管单位长度质量随外径变化的计算公式y=0.874x2-1.855 4x+29.441(式中：x为软管外径；y为单位长度重量)，拟合过程见图4。

假设卷盘内卷管时每卷软管1圈保留0.5倍软管直径的间隙，在卷盘内径6 m和有效高度4 m的基础上，分别取外径18 m、19 m、20 m、21 m，根据容积关系可计算得出卷盘可装载软管的总长度。根据“总装载重量=总长度×单位长度”的关系，可得到不同卷盘外径下卷盘总装载重量随软管直径的变化曲线，见图5。

根据图5，并结合图4拟合所得的软管单位长度质量随外径变化的计算公式，可计算得到卷盘外径18 m、19 m及20 m下，5 in软管及10 in软管的最大装载量及相应长度，见表2。可以得出，新增卷盘外径为20 m时，5 in软管的最大装载量为2 900 t(69 km)，10 in软管的最大装载量为1 600 t(16.3 km)；当减小卷盘外径，卷盘的最大装载量迅速下降，卷盘外径减小至19 m时，5 in软管最大装载量减少至2 600 t(61.9 km)，10 in软管最大装载量减少至1 450 t(14.8 km)。增加这样的装载量，与国外一些船舶能力相一致。且在不过多降低新增卷盘管缆装载量的前提下，适当减小新增卷盘的外径，对于新增卷盘在目标工程船上的布置是有利的。

表2 不同外径新增卷盘5 inch及10 inch软管装载能力

2.3 船舶装载验证

目标工程船有多种装载工况，考虑到该工程船未来进行深水管缆铺设中会安装垂直铺设系统(VLS)，选取了“卷盘装货出港”的工况。该工况下，目标工程船的满载排水量为24 460.6 t，暂不考虑船舶压载水和新增卷盘装载，目标船舶的载重见表3。

表3 目标工程船“卷盘装货出港”工况载重组成

因此，新增卷盘管缆载重及船舶压载水的质量约为3 570 t。若设计新增卷盘最大装载量为2 500 t，则压载水的重量约可分配1 000 t，用于调整船舶浮态。

2.4 管缆铺设时的甲板布置

根据柔性管缆铺设船的设计和作业水深，柔性管缆的铺设方法可分为S-lay，J-lay，vertical-lay。也有根据柔性管缆存储方式，提出卷筒铺管法，分为垂直Reel-lay和水平carousel-lay[5-6]。对于目标工程船，采用卷盘存储(carousel lay)，有水平铺设下水(S-lay，采用下水桥)和垂直下水(vertica-lay，采用垂直铺设系统)2种方式。新增卷盘后，采用水平铺设方式，柔性管缆倒缆及铺设时的甲板布置见图6。

新增卷盘后，采用垂直铺设方式，柔性管缆倒缆时的甲板布置同水平铺设方式，见图6；铺设时的甲板布置见图7。由图6、7可见，2种铺设方式下的管缆铺设路由均能良好布置。

3 结论

对目标工程船进行新增管缆卷盘的研究，在选型阶段，进行了新增卷盘尺寸、管缆装载量、甲板布置、管缆铺设路由方面的研究。结果显示，新增卷盘具有较好的可行性,可较大增加该工程船装载柔性管缆的能力。

1)在接近船尾的甲板区域，可布置内径6 m、外径20 m、总高度4.5 m、有效高度4 m的新增转盘。

2)新增卷盘外径为20 m时，5 in软管的最大装载量为2 900 t(69 km)，10 in软管的最大装载量为1 600 t(16.3 km)。增加这样的装载量，与国外一些船舶能力相一致。在不过多降低新增卷盘管缆装载量的前提下，适当减小新增卷盘的外径，对于新增卷盘在目标工程船上的布置是有利的。

3)在目标工程船“卷盘装货出港”的工况下，新增卷盘管缆载重及船舶压载水的质量约为3 570 t。若设计新增卷盘最大装载量为2 500 t，则压载水的重量约可分配1 000 t，用于调整船舶浮态。

4)新增卷盘后，目标工程船进行管缆铺设有水平铺设和垂直铺设2种方式，2种铺设方式下的管缆铺设路由均能良好布置。

在目标工程船上新增卷盘，选型分析取得了较好的结果。但对于卷盘这样的大型设备，还应考虑船舶稳性及结构强度方面的限制，有待后期进一步研究。

[1] 孙晶晶，刘培林，段梦兰，等.深水脐带缆安装技术发展现状与趋势[J].石油矿场机械,2011，40(12)：1-5.

[2] 潜凌,李培江,张文艳.海洋复合柔性管发展及应用[J].石油矿场机械,2012,41(2):90-92.

[3] 冒家友，冯丽梅，原庆东.流花4-1电缆和脐带缆安装技术及应用[J].船海工程,2014,43(2):109-113.

[4] 原庆东，冯丽梅，冒家友,等.流花4-1油田海缆铺设安装关键技术研究及应用[J].中国海上油气,2014,26(2):88-99.

[5] 汪智峰，黄海龙，黄佳瀚.中国科技纵横[J].柔性软管铺设方法及设备探讨，2011(5):324-325.

[6] 黄维平，曹静，张恩勇.海洋工程[J].国外深水铺管方法与铺管船研究现状及发展趋势，2011,29(1)：135-142.

Design Analysis of a New Carousel to be Installed on a Domestic Engineering Vessel

FANG Lin, ZHANG Ren-gong, SUN Kun, CHEN Xiao-dong, YUE Jian-feng, LIN Xiao-jie

(COOEC Subsea Technology Co.,Ltd., Shenzhen Guangzhou 518067, China)

A preliminary design analysis was performed on a domestic multipurpose vessel which can support the laying operation of subsea cable and flexible pipeline. The dimension of the new carousel, the loading capability of the new carousel, the deck arrangement and the laying route of cable and pipeline were investigated. It was shown that installing a new carousel on the engineering vessel relatively has good practicability, so as to largely enhance the vessel’s loading capability of subsea cable and flexible pipeline.

subsea cable and flexible pipeline; laying operation vessel; carousel; carousel storage capacity; design analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.045

2016-07-20

方霖(1988—)，男，硕士，助理工程师

U674.3

A

1671-7953(2017)02-0192-05

修回日期：2016-08-26

研究方向:船舶与海洋结构物水动力及海洋油气开发水下工程技术