國(guó)內(nèi)外鋪管方法與鋪管船研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1、國(guó)內(nèi)外鋪管方法與鋪管船研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)一、鋪管方法隨著世界海洋石油的大面積開發(fā)，對(duì)深水起重鋪管船的需求垣越來越大。隨著世界海洋石油不斷向深水發(fā)展，對(duì)深水起蘑鋪管船的性能要求也越來越高。世界海洋石油工業(yè)的高速發(fā)展推動(dòng)了深水起霞鋪管船的快速發(fā)展，也帶動(dòng)了起重鋪管船裝備的快速發(fā)展。我國(guó)的深水油氣開發(fā)雖然起步較晚，但發(fā)展勢(shì)頭之猛、發(fā)展速度之快，令世人矚目。但我國(guó)的深水油氣田開發(fā)的施工裝備與國(guó)外仍有一定的差距。近年來，國(guó)家加大了研發(fā)投入力度，相關(guān)的企業(yè)也加快了市場(chǎng)開發(fā)步伐，希望能夠?yàn)榇颂峁┮恍┯幸娴膮⒖?。鋪管方法主要有拖管法、S形鋪管法(S-lay)、J形鋪管法(J1ay)、卷簡(jiǎn)式鋪管法(Reel l

2、ay and Carousel lay)以及垂直鋪管法：(vertical lay)1、拖管法在近海淺水區(qū)鋪設(shè)海底管道時(shí)，通常采用拖管法，拖管法中的管道一般在路上組裝場(chǎng)地或在淺水避風(fēng)水域中的鋪管船上組裝成規(guī)定的長(zhǎng)度，然后用起吊裝置將管道吊到發(fā)送軌道上，再綁上浮筒和托管頭，用拖船將管道拖下水，按預(yù)定航線將管道就位、下沉，最后將各管道對(duì)接，完成管道鋪設(shè)全過程。目前拖管法已經(jīng)發(fā)展為4種方式：浮拖、水面下拖行、離地拖和底托。1.1 浮拖浮拖是利用浮筒調(diào)節(jié)管道浮力使其漂浮在水面上，然后再用大馬力主拖牽引管道首段延既定航線航行，尾拖輪牽引管道尾端控制其橫向漂移以保證管道安全。浮拖法主要應(yīng)用于海面風(fēng)浪較小的

3、海域，受管道尺寸、海水流速、拖輪大小等因素限制，每次浮拖的管道長(zhǎng)度從幾百米到幾千米不等。1.2水面下拖行水面下拖行與浮拖法相似，只是將管道位置調(diào)整到水面下一定深度進(jìn)行拖行。與浮拖法相比，水面下拖行的管道受風(fēng)、波浪等環(huán)境載荷的直接作用較小，管道更安全。1.3 離底托離底托是利用浮筒和拖鏈將管道懸浮在海床以上一定高度，再由水面拖輪進(jìn)行牽引前進(jìn)，既減小了海面風(fēng)浪的影響，又避開了海底障礙和地形起伏，因而適應(yīng)范圍較廣。離底托法中需要根據(jù)管道尺寸、允許及還留等環(huán)境條件計(jì)算浮筒、拖鏈的個(gè)數(shù)和間距，施工工藝比較復(fù)雜。1.4 底托在底托中，管道直接放置在海底由水面拖輪牽引至安放場(chǎng)地。這種方法施工簡(jiǎn)單，但是受海底

4、地形起伏和海床土壤類型等影響較大，需要馬力較大的拖輪，一般只適用于海底平坦的海域，管道長(zhǎng)度和拖航距離也較短。圖1 拖管法的四種方式2、S型托管法S-lay鋪管時(shí)，管線在甲板或船艙內(nèi)完成焊接和焊縫的防腐保溫層混凝土重力層施工，然后經(jīng)過懸掛在船體外的托管架入水，形成一條S形曲線。托管架上的管線稱為上弓段，托管架末端至海底的管線稱為懸垂段。上弓段的曲線形狀是受托管架的形狀控制的，因此，是位移控制的。而懸垂段的曲線形狀是張力和彎矩控制的，因此，是荷載控制的。上弓段和懸垂段的應(yīng)變(應(yīng)力)是S-lay的關(guān)鍵控制參數(shù)。因此，S-lay鋪管船的托管架和張緊器決定了鋪管能力直徑和水深。由于上弓段的張力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于懸

5、垂段，因此，上弓段的應(yīng)變是S-1ay控制的關(guān)鍵，它取決于托管架形狀和控制懸垂段應(yīng)變所需的張力。深水鋪管時(shí)，上弓段的應(yīng)變通常大于彈性應(yīng)變，產(chǎn)生一定的塑性應(yīng)變，因此，現(xiàn)行規(guī)范要求將累計(jì)塑性應(yīng)變控制在03以下。圖2 S型鋪管法 圖3 J型鋪管法3、J型鋪管法J-1av鋪管法是為解決S-lay的上弓段大應(yīng)變問題而發(fā)展起來的一種深水鋪管法，它將管線的接長(zhǎng)作業(yè)由S-lay的水平位置調(diào)整為豎直位置，在豎直的J-lay塔上完成管線連接后直接入水，形成一條J形曲線。通過調(diào)整J-1ay塔的傾角，使管線的連接作業(yè)姿態(tài)與人水姿態(tài)相同，從而消除了S-lay的上弓段。由于受到J-lay塔高度的限制，J-1ay鋪管時(shí)，管線

6、在甲板上接長(zhǎng)至J-1ay塔可以容納的長(zhǎng)度，然后吊至J-lay塔完成與已鋪設(shè)段的連接，因此，J-lay法的鋪管速度較慢。圖4 Reel lay 鋪管示意圖 圖5 Carousel lay 鋪管示意圖4、卷筒鋪管法卷筒鋪管法是柔性管鋪設(shè)方法的直接拓展，它采用陸地上一次完成管線接長(zhǎng)并纏繞到卷筒上，然后在海上展開并拉直后連續(xù)鋪人海底。根據(jù)卷筒在鋪管船上的放置方式，卷筒鋪管法分為垂直Reel lay和水平Carousel lay。Reel lay的卷簡(jiǎn)立式放置。Carousel lay的卷簡(jiǎn)臥式放置。由于沒有管線接長(zhǎng)作業(yè)，從而鋪管船不需要錨泊，因此，Reel lay法的鋪管速度快。同時(shí)，陸地的管線接長(zhǎng)作

7、業(yè)也大大提高了焊接質(zhì)量。但是，由于管線的纏繞和拉直引起塑性變形，因此，Reel lay法對(duì)管線的損傷較大，必須經(jīng)過大量的計(jì)算來確保管線的塑性應(yīng)變和橢圓變形滿足規(guī)范要求。Reel lay法的鋪管長(zhǎng)度和直徑均受到卷簡(jiǎn)尺寸的限制，鋪管長(zhǎng)度是卷筒的可纏繞管線長(zhǎng)度，直徑則必須滿足彎曲應(yīng)變和橢圓變形要求。5、其他方法 上述四種鋪管方法主要用于剛性管(rigid pipe)的鋪設(shè)，其中Reel lay也可用于柔性管鋪設(shè)。對(duì)于柔性管和臍帶纜的鋪設(shè)，還有Carousel lay(見圖4)和Vertical lay(見圖5)兩種方法，其中，Carousel lay也可用于剛性管鋪設(shè)。Carousel lay和Ve

8、rtical lay鋪管法與Reel lay鋪管法相似，管線展開后經(jīng)過一個(gè)矯直機(jī)構(gòu)入水。Carousel lay的入水方式與Slay相似，管線矯直后經(jīng)托管架入水。Vertical lay的入水方式與Reel lay相似，但矯直機(jī)構(gòu)是垂直的，且管線是通過鋪管船中部的月池入水的。6、發(fā)展趨勢(shì)基于目前的鋪管船，S-lay的鋪管直徑最大，Reel lay的鋪管直徑最小。Reel lay的鋪管速度最快，J-1ay的鋪管速度最慢。鋪管速度的快慢主要取決于管線的接長(zhǎng)方式，S-Lay的管線接長(zhǎng)是水平位置施工的，因此，可同時(shí)進(jìn)行多條焊縫的焊接，且不同連接段的焊接和防腐保溫層混凝土重力層施工可同時(shí)進(jìn)行。J-lay

9、的管線連接是在J-lay塔上完成的，同時(shí)只能進(jìn)行一條焊縫的焊接，而Reel lay法在海上沒有焊接作業(yè)。為解決海洋工程在深水油氣開發(fā)所面臨的眾多技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海底管道鋪設(shè)技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，提出了很多有效地計(jì)算方法，今后的研究方向主要有以下幾方面：（1）綜合利用多種計(jì)算方法求解管道鋪設(shè)問題，根據(jù)不同鋪管條件選擇最優(yōu)方法，在滿足計(jì)算精度的前提下，是計(jì)算更有效率，適用范圍更廣。（2）進(jìn)一步研究海流、波浪、內(nèi)波及鋪管船運(yùn)動(dòng)等環(huán)境載荷作用下管道的動(dòng)力響應(yīng)，以及管道與鋪管船之間的動(dòng)力耦合問題。（3）隨著鋪管水深越來越大，管道承受的靜水壓力迅速增加，有必要研究鋪管過程中管道局部彎曲，彎曲傳播現(xiàn)象及

10、管道止屈器的優(yōu)化選型。（4）為保證管道安全和鋪管精度，需要研究穩(wěn)定、高效的鋪管監(jiān)測(cè)技術(shù)及相應(yīng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道結(jié)構(gòu)和鋪管設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，為工作人員調(diào)整鋪管參數(shù)提供參考。二、國(guó)內(nèi)外鋪管船現(xiàn)狀隨著海洋石油天然氣開發(fā)的不斷深入, 海洋管道的作用顯得越來越重要, 而對(duì)于海洋管道鋪設(shè)的專用設(shè)備鋪管船的關(guān)注程度也在不斷提高。目前, 鋪管船更新?lián)Q代的速度明顯加快, 專業(yè)化程度越來越高。國(guó)內(nèi)外海洋石油開發(fā)的程度不同, 鋪管船的區(qū)別也比較大。特別是國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家, 海洋石油開發(fā)時(shí)間早, 技術(shù)先進(jìn), 不斷向深海發(fā)展, 鋪管能力已接近 3 000 m。深水鋪管船是深水油氣田開發(fā)的主要施工裝備它擔(dān)負(fù)著浮式生產(chǎn)平

11、臺(tái)的安裝、海底管線的鋪設(shè)以及立管系統(tǒng)安裝任務(wù)。1、S-lay鋪管船由于S-Lay鋪管法的鋪管直徑大、鋪管速度快，因而得到了廣泛的應(yīng)用。目前，世界上最多的鋪管船是S-lay鋪管船。S-lay鋪管船有船型和半潛式兩種類型，分別如圖6和圖7所示。船型S-lay鋪管船多為商船改裝而成，如Allseas公司的Audacia系由Geeview號(hào)散貨船改裝。表1列出了國(guó)外主要深水S-lay鋪管船的技術(shù)參數(shù)。根據(jù) 圖6 船型S-lay鋪管船 圖7 半潛式S-lay鋪管船艙容的大小，深水S-lay鋪管船上一般設(shè)有712個(gè)工作站(work station)，包括焊接、檢測(cè)和焊縫的混凝土重力層作業(yè)工作站。工作站中最

12、多的是焊接站，如Audaeia的12個(gè)工作站中，焊接站多達(dá)8個(gè)。最少的為5個(gè)，如Allseas公司的Solitaire(10個(gè)工作站)和Saipem公司的Crawler(7個(gè)工作站)。工作站中最少的是檢測(cè)站，一般為1個(gè)，最多也只有2個(gè)，如Saipem公司的Castoro Otto號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)接頭的防腐保溫涂敷層混凝土重力層工作站一般為1個(gè)，大型鋪管船最多為4個(gè)，如Solitaire號(hào)的10個(gè)工作站中就有4個(gè)混凝土重力層工作站。工作站的數(shù)量是鋪管船的一個(gè)重要指標(biāo)，它決定了鋪管船的鋪管速度。管線接長(zhǎng)作業(yè)中，焊接作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，因此鋪管船上焊接站的數(shù)量最多。表1 國(guó)外主要深水S-lay鋪管船技術(shù)參數(shù)S-l

13、ay鋪管船的關(guān)鍵設(shè)備是托管架和張緊器，如圖8和圖9所示。它們決定了S-lay鋪管船的作業(yè)水深和鋪管直徑。為了適應(yīng)不同水深的作業(yè)需要，托管架必須能夠調(diào)整曲率半徑，以調(diào)整管線的入水角。因此，托管架一般由三段組成。在調(diào)整托管架的同時(shí)，也必須調(diào)整托管架上的滾軸高度和間距，使管線的上弓段曲率保持一致。張緊器是保持鋪管曲線形狀的主要設(shè)備，它提供平衡管線重力和控制懸垂段曲率所需的張力。因此，張緊器的能力代表了鋪管船的鋪管能力。 圖8 S-lay鋪管船的托管架 圖9 400t張緊器2、J-lay鋪管船 J1ay鋪管船也有船型和半潛式兩種船型，如圖l0和圖11所示。其工作站位于J-Lay塔上，J一蛔塔的傾斜角度

14、可根據(jù)水深和張力條件調(diào)整，以確保管線的入水角與懸垂段在J-lay塔末端的切線保持一致，形成一條光滑的J形曲線，從而滿足懸垂段應(yīng)變控制要求。目前，具有最大Jlay塔傾角可調(diào)整范圍的鋪管船是Coflexip Stena Offshore公司的CSO Deep Blue鋪管船，這是一條J-1av和Reel lay兩用船型鋪管船，其J-lay塔傾角可調(diào)整范圍為；Heerem公司的Balder半潛式鋪管船的J-1ay塔傾角可調(diào)整范圍為 ；而Saipem公司的Saipem7000半潛式鋪管船的J-蛔塔傾角可調(diào)整范圍為 。表2列出了國(guó)外主要J-lay鋪管船的技術(shù)參數(shù)。J-1ay鋪管船的甲板和J-lay塔上均

15、設(shè)有焊接站，管線在甲板上接長(zhǎng)至J-lay塔的長(zhǎng)度，然后由專用吊架將管線放人J-1ay塔，并由J-lay塔上的焊接站完成管線的整體接長(zhǎng)后鋪設(shè)入水。 圖10 船型J-lay鋪管船 圖11 半潛式J-lay鋪管船表2 國(guó)外主要J-lay鋪管船技術(shù)參數(shù)3、Reel lay鋪管船Reel lay鋪管法的連續(xù)移動(dòng)性質(zhì)要求鋪管船的移動(dòng)性好，因此Reel hy鋪管船均采用船型結(jié)構(gòu)，如圖14. Reel lay鋪管船的鋪管能力主要取決于卷筒的尺寸和管線矯直機(jī)構(gòu)(ramp)，卷筒軸的直徑?jīng)Q定了最大鋪管直徑，卷簡(jiǎn)翼緣的直徑?jīng)Q定了鋪管長(zhǎng)度。Reel lay鋪管船上沒有焊接站，因此，鋪設(shè)剛性(鋼)管時(shí)，最大鋪管長(zhǎng)度為卷

16、筒儲(chǔ)管能力。而鋪設(shè)柔性管 圖14 Reel lay鋪管船或臍帶纜時(shí)，通?？刹捎脙蓚€(gè)卷筒。管線矯直機(jī)構(gòu)的能力取決于矯直機(jī)(straightener)的噸位。Reel lay鋪管船分為剛性管鋪管船和柔性管鋪管船，一般的鋼性管鋪管船也可鋪設(shè)柔性管或臍帶纜，但柔性管鋪管船則不能鋪設(shè)剛性管，一般的柔性管鋪管船均裝載兩個(gè)以上的卷筒。表3列出了國(guó)外主要Reel lay鋪管船的技術(shù)參數(shù)。表3 國(guó)外主要Reel lay鋪管船技術(shù)參數(shù)4、其他鋪管船其它鋪管船主要包括Carousel lay鋪管船和Vertical lay鋪管船，如圖15和圖16所示。圖15是Sealion公司的Toisa Perseus號(hào)多功能工

17、程船，它配有2個(gè)Carousel lay卷筒和5個(gè)Vertical lay卷筒，因此，具有Carousel lay和Vertical lay鋪管能力。表4列出了國(guó)外主要的Carousel lay和Vertical lay鋪管船。 圖16 Carousel lay鋪管船 圖17 Vertical lay鋪管船表4 國(guó)外主要Carousel lay/Vertical lay鋪管船技術(shù)參數(shù)5、發(fā)展趨勢(shì)深水鋪管技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)足提高鋪鋝速度，縮短海上施工周期，因此，應(yīng)發(fā)展新的鋪管方法和開發(fā)多功能的大型鋪管船。其主要發(fā)展趨勢(shì)是增大卷筒鋪管的直徑，發(fā)揮卷筒鋪管速度快的優(yōu)勢(shì)，且一條船具有多種方法的鋪管功能。圖

18、17是未來幾年可能工程化的鋪管方法新概念；圖18是Acergy集團(tuán)2012年即將投入使用的Acergy Borealis號(hào)S-lay和J-lay多功能鋪管船，它的作業(yè)線上配有11個(gè)單接頭作業(yè)站、6個(gè)雙接頭作業(yè)站，J-lay塔上配有2個(gè)工作站。圖19是Allseas公司2013年即將投入使用的超大型多功能工程船Pieter Schehe，它可以從事S-lay鋪管作業(yè)。該船長(zhǎng)382 m、寬117 m、托管架長(zhǎng)170m、張緊器為2000 t，鋪管直徑為0152 1727 m，主作業(yè)線配有6個(gè)雙接頭焊接站、1個(gè)無(wú)損檢測(cè)站和6個(gè)現(xiàn)場(chǎng)接頭的防腐保溫層混凝土重力層作業(yè)站。除此之外還有1個(gè)雙接頭接管車間，車間

19、內(nèi)設(shè)有5個(gè)對(duì)管作業(yè)站和2個(gè)內(nèi)外組合焊接作業(yè)站。這些鋪管船不僅鋪管能力強(qiáng)，而且可以在更惡劣的海況下作業(yè)。圖20是Technip公司新建的Reel lay鋪管船Deep Energy，作業(yè)水深為3000m，卷筒的載管能力達(dá)到了2 800 t，剛性管的最大鋪管直徑為0457 m，柔性管的鋪管直徑為0051 0610 m。因此，隨著這些鋪管船的服役，鋪管速度將得到大幅度提高，海上施工周期將大大縮短。 圖17 新的深水鋪管概念 圖18 S-lay和J-lay鋪管船 圖19 Pieter Schelte號(hào)S-lay多功能工程船 圖20 Deep Energy號(hào)Reel lay鋪管船三、總結(jié)1987 年, 我國(guó)引進(jìn)了一條小型鋪管船, 結(jié)