南海深水钢悬链立管S型铺设关键技术研究

王晓飞，李 斌，赵福臣，吴仕鹏，王 佳

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

为充分发挥我国现有深水S型铺管船“海洋石油201”的作业能力，以中国南海陵水17-2项目的一条6 in（1 in=25.4 mm） SCR为例，针对SCR焊接、超深水管道起始铺设、涡激抑制减缓装置安装以及柔性接头应变控制等关键技术进行研究，并给出技术方案[1-8]。

1 SCR铺设关键技术

1.1 焊接工艺设计

为了满足严苛的疲劳寿命要求，SCR的焊接工艺设计是关键。在陵水17-2项目中，首次开发了机械式熔化极气体保护焊冷金属过渡（mGMAW-CMT）的封底工艺和机械式熔化极气体保护焊脉冲模式（mGMAW-P） 的填充盖面工艺，坡口形式设计为窄间隙J型坡口。管道焊缝组对错边量（Hi-Lo）控制在0.5 mm以内。为达到这一标准，SCR管道两端必须进行内镗孔，并根据管端测量数据进行分类和配对。SCR焊缝需打磨抛光形成圆滑过渡，并将余高控制在0.75 mm以内，以降低焊缝位置应力集中系数。通过机械性能和全尺度疲劳试验，证明所开发的焊接工艺满足规格书要求。SCR焊缝不允许返修，如果焊缝缺陷值超出标准则需要切口重新焊接。因此为了达到较高的焊接效率，必须控制切口数量。设计过程中对比了不同作业站点布置对施工效率的影响，以ϕ6 in的SCR为例，施工作业效率评估如表1所示。

表1 施工作业效率评估

从上述分析中得知，对于每个双节点管道而言，方案一较方案二虽然在关键路径上平均节省5.5 min，但由于切口耗时更长，在效率上方案二更高，因此，海上施工时建议使用方案二。

1.2 超深水SCR起始铺设技术

对于超深水管道S型铺设，其与J型铺设类似，通常将管道的分离角设计为近90°，使托管架尾滚轮与管道成切线状态。S型铺设依靠船艉托管架将管道从水平转变为竖直形态，即管道与托管架分离后成J型状态。因此，托管架的曲率设计应尽可能接近竖直状态，同时应将管道的应变控制在规范要求内。根据管道基本参数，设计了针对超深水管道安装的托管架曲率，如表2所示。

表2 托管架曲率设计数据

陵水17-2项目的SCR（ϕ6 in）起始铺设方法为超深水管道悬垂下放连接重力锚法，作业水深为1 430 m。此方法是以一个重力锚作为系固点，当管段悬垂下放至接近海床后，将管头通过一小段起始缆与重力锚连接到一起。与常规大抓力锚相比，重力锚可以在长基线（LBL）阵列中精确就位，并具备较高承载力和稳定性，能够保证起始端落在目标区域的安装精度。

重力锚上预留一段起始缆短索具，可以在起始铺设前由支持船预先安装完毕。管头起始端连接另一段起始缆，其长度根据实际重力锚的安装位置确定。对超深水SCR起始铺设，两段起始缆的总长度一般为50～100 m。管头端的起始缆应进行绑扎，以防止在通过托管架时与滚轮搅缠。超深水SCR起始铺设的基本步骤如图1所示。

图1 超深水SCR起始悬垂下放工艺

1.3 涡激抑制装置安装设计

VIVstrake在SCR悬空段的覆盖率为75%，设计使用年限为30年。VIV strake制造材料有PE/PU/PP等。相关试验研究表明，适用于S-lay的材质主要为PU，这是因为S型铺设在管道通过托管架滚轮时承受较大的支反力。绑扎带材质设计为高耐海水腐蚀的镍625合金。VIV strake在使用前要根据铺设时滚轮支反力在陆地进行测试，以模拟通过托管架后涡激抑制列版的恢复状态及损坏率。

对于单个双节点管道，VIVstrake安装作业处于SCR铺设关键路径，施工效率高低取决于绑扎作业面的范围。设计时尽量选择一个比较大的作业区域进行，在释放管道过程中进行绑扎作业。安装过程中可能出现滚轮碾压滑脱现象，应检查滚轮的转动状态，可在VIVstrake初始位置安装楔形木块以帮助平滑通过滚轮，过渡形式设计效果如图2所示。

图2 VIV减缓装置初始安装过渡设计

1.4 SCR铺设长度的精确控制

SCR安装精度应满足立管悬挂角度误差范围，安装允许的悬挂角度误差一般为±0.5°。为了满足最终安装精度要求，在SCR铺设阶段需要将柔性接头管焊接在正确位置上，即通过精确控制SCR的长度误差来保证悬挂角度的正确。基于SCR（ϕ6 in）特性和所在水深，经分析SCR铺设长度的精度应控制为±6 m以内。考虑到海床起伏、定位设备精度、管道测量误差等因素影响，应将SCR铺设长度的精度控制在±3 m内，这在1 500m水深（悬链线超过2 000 m） 的范围控制难度较大。为达到所要求的铺设精度，制订了铺设长度精度控制的方案，如图3所示。首先，制订了采用长基线阵列的方式，对标记点进行水下定位，得到所需铺设管道的长度；然后，对后续待焊接的每根管道测量实际长度，对铺管长度数据进行动态控制；最后，确定所需安装的调整管长度。

图3 终止铺设精度控制模型

1.5 柔性接头终止铺设技术

SCR终止铺设于柔性接头侧。由于柔性接头是SCR的关键构件，起到悬挂立管、承受平台运动荷载的作用，对其进行保护非常重要。柔性接头的外径（1100mm） 是管道外径（168.3 mm） 的6.6倍，在通过“海洋石油201”托管架时，由于应力集中而产生较大弯矩，从而引起塑性变形而导致柔性接头弹性体损坏。为将柔性接头局部应变控制在0.24%以内，以满足设计要求，为此专门设计了过渡装置，其一端为ROV钩，另一端为吊耳，如图4所示。

图4 柔性接头安装应力过渡装置

2 SCR海上铺设效果

2020年8月，“海洋石油201”用时10 d完成了1条ϕ6 in的SCR铺设作业，铺设总长度的精度误差控制在±1.5 m内。累计焊接365道焊缝，切口3道，一次合格率为99.2%，切口率为0.8%，远低于国际SCR铺设过程中的切口率。海上施工实践表明，“海洋石油201”采用S型铺设方式可以用于安装SCR。

3 结束语

通过对钢悬链立管铺设关键技术的研究，解决了采用S型铺管船安装SCR的技术难点，并应用在国内首个钢悬链立管安装项目中。在后续SCR铺设项目的设计时，建议重点关注以下几点：第一，通过设计选用适合的S型铺管船进行深水SCR铺设；第二，对于SCR焊接，作业站点设置可以减少切口率；第三，VIV减缓装置应选用聚氨酯材料，应设计过渡段辅助通过滚轮；第四，通过控制SCR铺设长度精度，可以实现对SCR悬挂角度误差的控制；第五，柔性接头若作为末端安装时，通过设计过渡装置可以有效控制局部应变，从而降低风险。