深水柔性管缆竖直铺设工艺

赵秀美，樊 磊，刘 敏，由培蕾

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

1 柔性管缆简介

我国海洋油气工业不断向深水挺进，柔性管缆已成为经济高效地开发深水油气田的不可或缺的重要设施。柔性管缆主要包括柔性软管、脐带缆以及电缆。柔性软管通常由多层聚合物层和金属加强层组成，用于输送油、气和水等流体，将水下生产设施与水面生产平台相连接，构成一套完整的采输系统。脐带缆是一根综合管线，通常由以下几部分构成：用于注入化学药剂的具有强抗压溃性能的软管，用于液压控制水下阀门的热塑性软管，用于传输信号的光纤，用于传输电力的电缆，抗拉力铠甲层以及聚合物外包覆层[1]。其上端连接上部生产控制模块，下端连接水下生产设施，以实现水面设施对生产过程的监测和控制[2]。海底电缆则为海洋装备的主要电力来源，为水下设施提供持续供电[3]。相比于钢质管线，柔性管缆具有柔韧性好、安装方便、抗腐蚀性强和可回收等诸多优点，具有更好的经济性[2，4]。

柔性管缆在铺设安装过程中需要考虑的施工细节繁多。对于柔性软管而言，安装过程中操作不当可能会导致其骨架层压溃或管体过度弯曲，对软管造成机械损伤[5]。安装过程中，可能导致脐带缆损伤的载荷主要考虑拉压和扭转。应严格控制脐带缆弯曲半径和轴向载荷，并且由于脐带缆对扭转载荷较为敏感，也应严格控制其扭转角度。

根据柔性管缆在甲板上的路由不同，其铺设安装通常有水平铺设和竖直铺设2种方式。水平铺设中，柔性管缆通过水平张紧器、导向弧板等设备，经安装在作业船舶舷侧或船尾的下水桥下水，甲板上铺设路由在水平方向上，多用于浅水海域。竖直铺设是为了解决水平铺设过程中管缆上端承受较大弯曲和挤压力的问题而发展出来的铺设方法。竖直铺设最大特点是作业船舶需要具备一套集成了张紧器、定位器等设备的竖直铺设系统，柔性管缆经由托辊、导向弧板进入竖直铺设系统，由船内月池或者船舷以近乎竖直的方向下水。柔性管缆铺设示意图如图1所示。通过竖直铺设系统的应用，管缆在定位器处只承受弯曲载荷，在张紧器处只承受拉伸载荷，避免了水平铺设过程中柔性管缆在下水桥处承受较大的拉弯组合荷载，实现了管缆拉弯组合荷载的解耦，有效地改善了管缆的受力状态，可有效提高海上作业天气窗口，在深水铺设安装中具有独特优势[2-4]。

图1 柔性管缆铺设示意图

2 竖直铺设关键装备

较水平铺设而言，柔性管缆的竖直铺设过程更为复杂，需要多种特殊设备协调配合，所涉及的几种关键装备介绍如下。

2.1 作业船舶

作业船舶是管缆铺设相关装备及其铺设设备的载体。目前国内外用于较深水柔性管缆铺设的作业船舶多为带有动力定位能力的多功能支持船。这类船舶的普遍特点是：①甲板面积通常在1 000 m2以上；②动力定位等级在DP 2或以上；③配备工作级水下机器人(ROV)系统。

2.2 竖直铺设系统

竖直铺设系统(VLS)是竖直铺设作业中最为关键的装备。该系统为一座由2根立柱支撑固定的竖直塔架，通常安装在舷侧、船尾或者船中月池的上方。塔架上通常集成了塔顶吊机、塔顶导向轮、收放绞车、管缆定位器、张紧器、悬挂夹具、塔底梁吊、甲板绞车以及工作平台等设备，以实现管缆经由甲板绞车和塔顶吊机牵引进入垂直铺设系统后，整个铺设过程均在塔架上完成，竖直铺设系统模型图如图2所示。

图2 竖直铺设系统模型图

2.3 ROV

ROV是由水面操作人员远程控制的潜水式机器人系统，用来替代潜水员进行水下考察或作业，具有部署方便、作业时间长、安全可靠以及经济性好等诸多优势。柔性管缆铺设船配备的是大型工作级ROV，通常配备水下影像记录设备、大型机械臂以及各种操作工具，能够到达潜水员无法潜至的水深，进行施工监测、设备安装以及检修等工作，在海洋油气开发中使用广泛。

2.4 管缆存储设备

滚筒和卷管盘是对柔性管缆在运输和安装期间进行存储的主要设备。滚筒是短距离管缆在运输和安装时存储的常用设备，滚筒实物图如图3所示。由于其具有方便转运的优势，因此产品到货时，可以直接由吊机将码头或者运输船舶上的滚筒吊装于管缆铺设船，方便快捷，但是因为滚筒装载容量低，一般仅作为短距离管缆的存储设备。卷管盘位于一个主销上，主销集成在基座结构中，将自重和船舶运动产生的荷载传递到甲板上，可以保证柔性管缆在运输和安装过程中的稳定，卷管盘模型图如图4所示。卷管盘上方通常都配有装载臂，用以辅助盘缆和导向。相较于滚筒，卷管盘具有更大的管缆容量，可以储存长距离管缆，通常设置于铺设船主甲板下，部分铺设船也会配备2个卷管盘，提升作业能力。

图3 滚筒实物图

图4 卷管盘模型图

3 柔性管缆铺设装备国内外发展情况

1972年，柔性软管首次在石油工业中得到了应用。至今，柔性软管在全球海洋油气产业的应用已有50年的历史[5]。柔性管缆的水平铺设方式始于上世纪40年代，经过长时间的发展，已在全球海洋油气产业得到了广泛的应用[3]。随着海洋油气开发向深水的延伸，以TechnipFMC和Subsea7为代表的国外主流管缆安装公司逐渐发展出竖直铺设技术及配套装备。

我国柔性管缆的铺设安装技术发展相对滞后，设计和施工水平与国外尚存在一定的差距[6]。在发展初期，我国自主完成的柔性管缆铺设安装工作多在300 m水深以内，且主要采用水平铺设方式[6-7]。但随着我国首艘具备竖直铺设能力的柔性管缆铺设船“海洋石油286”的建成，我国真正具备了独立自主的柔性管缆竖直铺设能力，“海洋石油286”先后完成了我国南海文昌9-2/9-3/10-3项目柔性软管的铺设，流花29-1、流花16-2以及陵水17-2等项目的柔性软管和脐带缆的铺设，标志着我国成功掌握柔性管缆竖直铺设技术，并不断刷新国内铺设记录。表1为全球典型柔性管缆竖直铺设船及其主要参数。

表1 全球典型柔性管缆竖直铺设船及主要参数

4 柔性管缆竖直铺设典型方案

尽管柔性软管、脐带缆和海底电缆的功能、产品参数以及辅助附件各不相同，但是3种管缆的竖直铺设流程都可大致分为5个主要步骤：倒缆作业、开始铺设、正常铺设、终止铺设和水下回接。开始铺设前和完成铺设后还会分别进行铺设预调查和后调查环节。现以深水软管铺设实际工程方案为例，对柔性管缆竖直铺设安装的流程进行详细介绍。

1)软管首端出舱。连接甲板绞车与预先安装在软管上的拖拉网套，使用甲板绞车将软管牵引出舱，并固定在管槽上，软管首端出舱模型图如图5所示。

图5 软管首端出舱模型图

2)软管首端过垂直铺设系统。下放服务吊机并连接软管接头。初始化绞车提供软管前进动力并将其提起，吊机辅助提升软管接头，保证接头不会刮蹭旋转导向轮。

待软管拖拉网套完全通过甲板补偿器，关闭甲板补偿器。当软管接头到达旋转导向轮入口处时，停止提升软管，在甲板上连接甲板绞车与预装的第二个拖拉网套，使用初始化绞车和服务吊机将软管接头旋转通过旋转导向轮，甲板绞车不带力仅跟随，在软管接头通过旋转导向轮后，服务吊机保持松弛状态，拆除软管接头，关闭软管对中器之后关闭张紧器，拆除拖拉网套，拆除绞车。软管接头到达月池后，开吊机，关紧张紧器，拆除绞车，排出软管垂直段中的乙二醇(主要用于抑制天然气水合物的产生)，以便打开拖拉头连接鹅脖。

3)软管首端鹅颈管连接。将高压法兰卡具连接软管接头和鹅脖，完成背试压测试后，移出翻转支架上部，回收软管，使鹅脖脱离支架，再移出翻转支架下部，进行鹅脖通过月池校核。

4)软管首端回接。搭设临时平台，安装限弯器和阳极，然后下放鹅脖和软管，当鹅脖下放至水深200 m(距海面)时，下放吊机将鹅脖翻转成回接面朝下，鹅脖翻转过程示意图如图6所示。ROV监控吊机与软管同步下放，当鹅脖离海底15 m时停止 ，拆除鹅脖与结构物上的保护帽，将鹅脖移到结构物上方进行回接操作。

图6 鹅脖翻转过程

5)软管末端出舱。末端拖拉头放置在挡板，将软管末端垂直段乙二醇排出，将末端25 t拖拉头拆除、安装300 t拖拉头。

6)软管末端过VLS。绞车连接拖拉网套，吊机连接软管接头。绞车提供背张力，吊机保证接头不会刮蹭旋转导向轮，张紧器下放软管，VLS吊机与绞车跟随。VLS吊机与绞车辅助软管接头过导向轮，软管接头到达旋转导向轮后，将索具转移到A&R绞车，打开张紧器，下放接头至月池，安装悬挂卡子将软管悬挂于月池。

7)2段软管连接。将下一条软管首端按照前述方式传递至月池处，进行软管中间接头法兰连接。法兰螺栓连接后进行螺栓液压拉伸、背试压测试。连接完成后，进行正常铺设。

8)软管末端限弯器与阳极安装。软管末端下放至月池，开始安装限弯器。提升软管，并逐个安装限弯器与阳极。限弯器与阳极安装完成后，下放软管接头并悬挂在月池处补充软管末端乙二醇。

9)软管末端试铺。不装鹅脖，通过月池试铺软管，A&R绞车通过月池下放软管末端。软管距离结构物2 m时停止，ROV记录软管铺设至海底后的旋转角度，为末端鹅脖提供连接角度。

10)软管末端鹅脖连接。使用吊机与倒链起吊鹅脖，将鹅脖调平并按试铺标记的方向与软管对接，安装钢臂索具与鹅脖连接。

11)软管末端鹅脖下放。通过吊机和A&R绞车下放软管末端鹅脖。

12)软管末端回接。当鹅脖下放至离海底15 m时，暂停下放。拆除鹅脖与结构物上的保护帽，下放快速绞车连接至预装的驼峰索具，最后，将鹅脖移到结构物上方进行回接。

5 结束语

随着我国海洋油气产业的不断发展，南海油气田的开发不断推进，柔性管缆及其铺设安装技术的应用前景广阔，我国独立自主的铺设安装装备及技术日渐成熟，不断拉近与国外先进水平的差距。发展柔性管缆竖直铺设装备与技术，对于我国海洋油气开发与能源安全保障具有现实和长远意义。