深水大型起重铺管船S型铺管系统铺管能力分析*

涂永彬 赵 洁 李 胜 阮见明

(1武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065；2 武昌船舶重工集团有限公司湖北海洋工程装备研究院有限公司，湖北 武汉 430060)

1. 概述

深水大型起重铺管船主要服务于海工模块整体吊装与深海油气管道铺设，系统复杂，布置密集，自动化操控要求高，作业海况复杂，动力定位能力强，单船造价高，是国际公认的高技术、高附加值船舶。当前国际上主流的深水大型起重铺管船都采用DP3动力定位系统[1]，作业水深超过1000m，船上同时配备大型起重机和S型铺管系统，拥有很好的自航能力，能在比较恶劣的海况下进行铺管作业。

起重铺管船铺管能力，主要包括铺管速度、铺管作业水深、铺设管节外径、长度、重量等性能指标。其中，铺管速度和铺管作业水深为关键性能指标，决定了船舶工作海域和铺管效率，直接影响船舶租金。本文着眼于铺管能力的研究，在对比分析三艘深水大型起重铺管船S型铺管系统的基础上，厘清铺管作业流程，研究主要铺管设备，得出影响铺管速度和铺管作业水深的主要因素，为今后国内该类船舶S型铺管系统的自主设计及设备选型提供有益借鉴。

2. S型铺管系统及主要铺管设备

海洋油气资源开采运输涉及的海底管道用途不一、型式多样，铺管的作业海况和铺管水深也有很大差异，为适应不同需求，而产生多种铺管方式，主要包括S型铺管(S-Lay)、J型铺管(J-Lay)、卷筒式铺管(Reel-Lay)、柔性铺管(Flex-Lay)以及复合铺管(Multi-Lay)等[2]。这些不同的铺管方式，通过选用相应的铺管设备，在船上进行系统集成，形成专用的铺管系统。

如图1所示，S型铺管系统是指在船上将一根一根的管节连接成管线，使用张紧器对管线进行夹持和收放，保持管线姿态，再经由船艉的托管架使管线呈S形姿态落入海底。

1-托管架 2-管线 3-张紧器 4-工作站 5-支撑滚轮组 6-管节(单节管) 7-管节(双节管)图1 典型S型铺管系统布置图

图2 典型S型铺管系统铺管流程图

如图2所示，S型铺管系统采用流水线作业，按照加工工艺将管节与管线的连接细分为多道工序，在连接处设置相应的工作站，主要完成焊接坡口开设、管节对中、管节焊接、焊缝质量检测、管节接头防腐处理等工序。S型铺管系统可以铺设混凝土包敷的刚性管道，不仅适用于浅水作业环境，也可以在深水条件下完成海底油气管道的铺设。

从设备配置角度，深水大型起重铺管船S型铺管系统，根据作业流程，将铺管设备划分为管节传输设备、管线对中装置、管线支撑滚轮、张紧器、可调支撑滚轮以及A&R绞车等。其中，张紧器和A&R绞车为铺管系统的关键设备[3]。

图3 张紧器

图4 A&R绞车(张力绞车)

图5 A&R绞车(储缆绞车)

2.1 张紧器

如图3所示，张紧器(Tensioner)主要由机架(设备底座、两侧支撑结构和顶部结构)、履带轮、升降螺杆、气动夹紧装置、驱动电动机、齿轮箱和电气元件等组成。该张紧器为履带轮上下布置的垂直张紧器，工作时对管线产生垂直方向的夹持力。此外，还有履带轮左右布置的水平张紧器，以及上下左右各布置一套履带轮装置的四履带张紧器。

在S型铺管系统中，管线从托管架到海床之间有比较长的悬空段，悬空段的管线会由于铺管船受到风、浪、流的影响而上下垂荡，使得船尾和海床之间的距离不断变化，在管线内部产生交变应力。如果将管线与铺管船固定在一起，当铺管船受环境因素影响而上升时，悬空段的管线将承受很大的拉力，这个拉力可能会使管线超过许用应力造成破坏。当铺管船受环境因素影响而下降或将管线自由置于船上时，管线在自身重力和浪流的作用下，将承受很大的弯曲应力。当该应力超过材料的屈服极限后，将使管线产生塑性变形[4]。简言之，悬垂于海水中的管线，在受到外界环境因素影响时，既有可能被拉断，也有可能被折断。

S型铺管系统中张紧器的应用，能很好地解决上述问题。铺管作业流水线上的管线经过多道工序后，由固定在船上的张紧器夹持管线并保持一定的张紧力，使管线一直处于张紧状态，并能随着风、浪、流等外界环境的变化实时地调整张紧力的大小，使悬垂于海水中的管线处于受控状态。

2.2 A&R绞车

A&R绞车(Abandon & Recovery Winch)是铺管船上配备的另一类大型专用设备，主要用于管线的回收和弃置[5]。在遇到恶劣天气条件时，铺管海域的作业环境超出铺管船的承受能力，迫使铺管船不得不停止作业。通过操作A&R绞车将悬垂于海水中的管线放置于海底。当风浪过去，再使用A&R绞车将管线从海底拉回至铺管作业线，继续铺管作业。

从拉拽海水中悬垂管线的角度来说，A&R绞车和张紧器的功能基本相似。只是张紧器主要用来保持悬垂管线的姿态，以免管线被拉断或者被折断；A&R绞车则在保持悬垂管线姿态的前提下，通过拉拽将悬垂管线放置海底或者拉到铺管船上。

随着海洋油气开采逐步向深远海进军，铺管水深早已突破2000m，有些大型铺管船的铺管水深甚至可以达到3000m。铺管作业越深，意味着悬垂在海水中的管线更长、重量更大，这就给张紧器和A&R绞车的能力提出了更高的要求。尤其对于A&R绞车来说，不仅要求A&R绞车要有超过3000m的容绳量，还要具备很大的拉力。一般情况下，额定拉力不超过300t的A&R绞车，通常采用单卷筒型式；当额定拉力超过300t时，A&R绞车由一台双卷筒的张力绞车和一台单卷筒的储缆绞车组成，如图4、图5所示。

3. 深水大型起重铺管船S型铺管系统对比分析

近些年来，笔者参与的深水大型起重铺管船项目主要有：美国McDermott公司的DLV6000(Derrick Pipe-Lay Vessel)起重铺管船，新加坡Swiber公司的DCV5000(Deepwater Construction Vessel)起重铺管船，以及Swiber公司的KAIZEN4000起重铺管船改装项目。

3.1 船舶主要技术参数对比分析

从船舶主尺度、定位方式、推进器数量及能力等几个方面，对DLV6000、DCV5000和KAIZEN4000等三型起重铺管船进行对比分析，具体参数如表1所示。

表1 三型起重铺管船主要技术参数

从船舶主尺度方面进行分析，这三型起重铺管船的显著特点是型宽很大、总长较长、甲板面积大。这三型船均配备有大型海洋工程起重机：KAIZEN4000的最大起重能力为3800t @ 30m，DCV5000的最大起重能力为5000t @ 34m，DLV6000的最大起重能力为5500t @ 39m。一方面，船舶主尺度需满足起重稳定性的要求；另一方面，S型铺管系统需要在甲板上安装数十台套铺管设备，各工作站也需要足够的作业空间，较大的甲板面积，也是为了满足S型铺管系统的要求。

对于深水大型起重铺管船，除装备有锚泊定位系统外，还必须配备一定数量的推进器，形成DP3动力定位能力，满足深水作业需要。KAIZEN4000全船共安装8台推进器，在船艉左、右舷各安装一台5500 kW的全回转式推进器，在船舶中部两舷及艏部共配备5台2200 kW的可伸缩式全回转推进器，此外，还安装一台功率为1950 kW的艏侧推。DCV5000和DLV6000则分别配备了8台和9台推进器。

3.2 S型铺管系统主要参数对比分析

从铺管方式、铺管水深、铺设管节规格、主要铺管设备配置等几个方面，对DLV6000、DCV5000和KAIZEN4000等三型起重铺管船进行对比分析，具体参数如表2所示。

表2 三型起重铺管船铺管系统主要参数

根据上表铺管系统主要技术参数，结合总布置图和技术规格书，尤其是对铺管系统设备布置图和主要铺管设备技术规格书进行重点研究，对这三型船S型铺管系统进行对比分析，得到影响铺管速度和铺管作业水深的主要因素，具体如下。

(1)S型铺管系统铺管作业流程大致相同

海底油气管道的铺设，主要是在铺管船上把一根根的管节连接成管线，通过船艉的托管架沉入海底。为了提高铺管效率，通常采用流水线作业，细分每道工序，在管节横向或纵向的传输过程中，设置相应的工位分别完成管节两端焊接坡口的开设，新加管节与已连管节的对中，管节之间的焊接，焊缝质量的检测，焊接接头处的防腐与包敷，将管节连成管线后，再通过张紧器夹持管线、调整管线状态，船舶前进一根管节的距离，管线经由船艉的托管架沉入海底。

(2)铺管作业分为单节管模式和双节管模式

海底油气管道采用英制标准，根据管节长度通常分为单节管(Single Joint)和双节管(Double Joint)[2]。单节管长度为40英尺，约为12.2m；双节管长度为80英尺，约为24.4m。铺管船S型铺管系统至少配备一条主铺管作业流水线，用来铺设单节管或双节管。有些铺管船还专门设置双节管预制流水线，可以在船上把单节管预制成双节管。例如，KAIZEN4000的铺管作业流水线为单节管铺管作业线，DLV6000的铺管作业流水线既可铺设单节管也可铺设双节管，DCV5000可以在船上将单节管预制成双节管，也可以直接铺设单节管或双节管。

1-托管架 2-可调支撑滚轮组3-张紧器 4-支撑滚轮组 5-管节(双节管) 6-管节(单节管)图6 典型S型铺管系统工作站布置图

(3)管节长度和工作站数量是影响铺管速度的主要因素

S型铺管系统在铺管作业流水线上设置有各种工作站，主要包括对中站、焊接站、检测站、返修站、喷涂站、包敷站等。理论上，铺管船铺设管节的长度越长，工作站数量越多，铺管速度就越快。但是，受到船舶主尺度的制约，在流水线长度一定的情况下，铺设管节越长，工作站的数量就越少。如图6所示，在单节管模式下流水线上有WS1、WS2、WS3…… WS11总计11个工作站；而在双节管模式下流水线上可用的工作站只有WS2、WS4、WS6、WS7、WS8、WS9、WS11等7个工作站。因此，管节长度和工作站数量相互制约，在设计铺管系统时需综合考虑铺管模式的选择和工作站的数量。

(4)张紧器与A&R绞车的能力是影响铺管作业水深的重要因素

正常铺管时，托管架至海床之间的悬空段管线，主要依靠张紧器的作用来保持管线的姿态。随着铺管作业水深的增加，悬空段的管线将会更长，承受风浪流的影响更大，对张紧器能力的要求也更高。因此，张紧器的能力直接影响铺管作业水深。

当铺管作业被迫中断和重新开始时，则需要使用A&R绞车对管线进行弃置和回收。因此，要求A&R绞车的能力与张紧器相当，A&R绞车的容绳量与铺管作业水深相适应。对这三型起重铺管船张紧器和A&R绞车性能参数进行对比分析，可以充分印证这一结论。例如，在KAIZEN4000的铺管系统中，张紧器的额定拉力为3×100t，A&R绞车的额定持续拉力为300t；KAIZEN4000的铺管水深为1000m，A&R绞车的容绳量为Φ96×1300m。在DCV5000的铺管系统中，张紧器的额定拉力为3×200t，A&R绞车的额定持续拉力为600t；DCV5000的铺管水深为3000m，A&R绞车的容绳量为Φ138×3500m。因此，A&R绞车的能力也是影响铺管作业水深的重要因素。

(5)托管架长度也是影响铺管作业水深的重要因素

对深水大型起重铺管船而言，船舶主尺度、动力定位能力、张紧器和A&R绞车的能力直接影响铺管作业水深。除此之外，托管架长度也是影响铺管水深的重要因素。管线通过船艉的托管架沉入海底，作业水深越大，悬空段的管线越长，托管架处管线的弯曲半径就越大，托管架的长度就越长。例如，KAIZEN4000总长156m，托管架主要由两节组成，总长为74m，铺管水深1000m；DCV5000总长约200m，托管架由三节组成，第一节长度为40m，第二节长度为30m，第三节长度为20m，铺管水深可达3000m；而DLV6000总长超过200m，托管架总长为98m，铺管水深达到3000m。

4. 结论

通过以上分析，为满足铺管速度和铺管作业水深等设计要求，在对S型铺管系统及主要铺管设备进行设计选型时，除考虑船舶主尺度和动力定位能力外，还需重点考虑铺管作业流水线规划与工作站设置，张紧器、A&R绞车等主要铺管设备配置等问题，具体结论如下。

(1)S型铺管系统铺管速度的影响因素

S型铺管系统采取流水线作业，为了提高铺管速度，应该根据工艺流程，合理利用甲板空间，增加铺管作业线的长度，细化每道工序，合理分配每道工序的时间，设置更多的工作站、平衡每个工作站的作业时间，以提高铺管效率，增加铺管速度。也就是说，铺设相同规格的管节，铺管作业线流水更长，工作站数量越多，每道工序耗时越均衡，铺管速度就越快。

至于单节管铺管作业线与双节管铺管作业线，铺管速度快慢的问题。虽然一次铺设的单节管比双节管短，但是对于相同长度的铺管作业线，铺设单节管时可以设置更多的工作站，每道工序的耗时更少，铺管效率更高。所以，单节管铺管作业线与双节管铺管作业线铺管速度的快慢不能一概而论。

(2)S型铺管系统铺管作业水深的影响因素

对于具备DP3动力定位能力的深水大型起重铺管船来说，张紧器作为S型铺管系统中的关键核心设备，通常被看作是决定铺管作业水深的决定因素。但是，通过研究，尤其是重点分析位于船艉托管架和海床之间悬垂于海水之中的S形管线后，发现船型大小、托管架的长度和弯曲程度也直接影响到船舶对悬垂管线的托附能力，影响着铺管作业水深。

此外，在铺管中止和重新开始时，需要利用A&R绞车对管线进行弃置和回收，要求A&R绞车能够承受悬垂管线产生的载荷，A&R绞车的容绳量要满足铺管水深的要求。因此，A&R绞车的配置也是决定铺管作业水深的一个主要因素。

(3)张紧器与A&R绞车的设备配置

S型铺管系统在作业状态下利用张紧器的夹持来保证悬垂于海水中管线的姿态，在铺管中止和重新开始时利用A&R绞车在保持悬垂管线姿态的前提下，将悬垂管线放置海底或者拉到铺管船上。从拉拽悬垂管线和保持管线姿态的角度来说，张紧器和A&R绞车的功能相似，二者能力也基本相当，在设计选型时须注意张紧器与A&R绞车能力匹配的问题。

综上，铺管速度越快，铺管效率越高，铺管水深越大，作业范围越广，铺管能力越强，船舶租金就越高。但是，对船舶主尺度、动力定位能力、推进器的数量及能力、S型铺管系统的配置及张紧器、A&R绞车等铺管设备的要求就越高，船舶建造成本及运营成本也越高。因此，在S型铺管系统设计及主要设备选型过程中，应综合考虑船舶租金与建造成本及运营成本的关系，铺管作业流水线与船舶主尺度及甲板空间的关系，铺管速度与铺管作业模式及工作站数量的关系，铺管作业水深与动力定位能力及主要铺管设备的关系，张紧器数量及能力与A&R绞车能力及容绳量的关系。