國外深水鋪管船的發(fā)展及關(guān)鍵設(shè)備

國外深水鋪管船的發(fā)展及關(guān)鍵設(shè)備

深水船是深水氣田開發(fā)建設(shè)的主要設(shè)備。它負(fù)責(zé)浮式生產(chǎn)平臺(tái)的安裝、海上管的鋪設(shè)和管道系統(tǒng)的安裝。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量越來越大。隨著世界海洋石油不斷向深水發(fā)展,對(duì)深水起重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)了深水起重鋪管船的快速發(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。但我國的深水油氣田開發(fā)的施工裝備與國外仍有一定的差距。近年來,國家加大了研發(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肌?llay及垂直鋪管法深水鋪管方法主要有S形鋪管法(S-lay)、J形鋪管法(J-lay)、卷筒式鋪管法(ReellayandCarousellay)以及垂直鋪管法(verticallay),如圖1~圖5所示。其中,S-lay是淺水鋪管法的延伸,J-lay和Reellay則是專為深水開發(fā)的兩種新的鋪管方法,而Verticallay和Carousellay目前主要用于柔性管和臍帶纜的鋪設(shè)1.1張力對(duì)上弓段應(yīng)變的影響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,如圖1所示由于上弓段的張力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于懸垂段,因此,上弓段的應(yīng)變是S-lay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0.3%以下。1.2j-lay鋪管J-lay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,如圖2所示由于受到J-lay塔高度的限制,J-lay鋪管時(shí),管線在甲板上接長(zhǎng)至J-lay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。1.3接長(zhǎng)與拉直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)鋪入海底。根據(jù)卷筒在鋪管船上的放置方式,卷筒鋪管法分為垂直Reellay和水平Carousellay1.4lay鋪管法與reellay鋪管法上述三種鋪管方法主要用于剛性管(rigidpipe)的鋪設(shè),其中Reellay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Carousellay(見圖4)和Verticallay(見圖5)兩種方法,其中,Carousellay也可用于剛性管鋪設(shè)Carousellay和Verticallay鋪管法與Reellay鋪管法相似,管線展開后經(jīng)過一個(gè)矯直機(jī)構(gòu)入水。Carousellay的入水方式與S-lay相似,管線矯直后經(jīng)托管架入水。Verticallay的入水方式與Reellay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(moonpool)入水的。1.5鋪管速度的慢基于目前的鋪管船,S-lay的鋪管直徑最大,Reellay的鋪管直徑最小。Reellay的鋪管速度最快,J-lay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Reellay法在海上沒有焊接作業(yè)。表1列出了不同鋪管方法的比較,這僅僅是依據(jù)目前的鋪管船性能和操作技術(shù)水平給出的綜合指標(biāo)。2lay鋪管船按照鋪管方法分類,深水鋪管船可分為S-lay鋪管船、J-lay鋪管船和Reellay鋪管船三種類型。其中,Reellay包括了Verticallay和Carousellay。如果按照船型分類,則可分為船型和半潛式兩種類型2.1混凝土重力層標(biāo)準(zhǔn)站單站組成由于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2列出了國外主要深水S-lay鋪管船的技術(shù)參數(shù)。根據(jù)艙容的大小,深水S-lay鋪管船上一般設(shè)有7~12個(gè)工作站(workstation),包括焊接、檢測(cè)和焊縫的混凝土重力層作業(yè)工作站,如圖8所示。工作站中最多的是焊接站,如Audacia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CastoroOtto號(hào)?，F(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。S-lay鋪管船的關(guān)鍵設(shè)備是托管架和張緊器,如圖9和圖10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。2.2基于j-lay的采船更新J-lay鋪管船也有船型和半潛式兩種船型,如圖11和圖12所示。其工作站位于J-lay塔上,J-lay塔的傾斜角度可根據(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J-lay塔傾角可調(diào)整范圍的鋪管船是CoflexipStenaOffshore公司的CSODeepBlue鋪管船,這是一條J-lay和Reellay兩用船型鋪管船,其J-lay塔傾角可調(diào)整范圍為30°~90°;Heerem公司的Balder半潛式鋪管船的J-lay塔傾角可調(diào)整范圍為50°~90°;而Saipem公司的Saipem7000半潛式鋪管船的J-lay塔傾角可調(diào)整范圍為90°~110°。表3列出了國外主要J-lay鋪管船的技術(shù)參數(shù)。J-lay鋪管船的甲板和J-lay塔上均設(shè)有焊接站,管線在甲板上接長(zhǎng)至J-lay塔的長(zhǎng)度(見圖13),然后由專用吊架將管線放入J-lay塔(見圖14),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。2.3矯直機(jī)構(gòu)的能力Reellay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,Reellay鋪管船均采用船型結(jié)構(gòu),如圖15示。Reellay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,卷筒翼緣的直徑?jīng)Q定了鋪管長(zhǎng)度。Reellay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)度為卷筒儲(chǔ)管能力。而鋪設(shè)柔性管或臍帶纜時(shí),通常可采用兩個(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。Reellay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4列出了國外主要Reellay鋪管船的技術(shù)參數(shù)。2.4兩組carwelllay和充放電lay鋪管能力比較其它鋪管船主要包括Carousellay鋪管船和Verticallay鋪管船,如圖16和圖17所示。圖16是Sealion公司的ToisaPerseus號(hào)多功能工程船,它配有2個(gè)Carousellay卷筒和5個(gè)Verticallay卷筒,因此,具有Carousellay和Verticallay鋪管能力。表5列出了國外主要的Carousellay和Verticallay鋪管船。3多功能鋪管船深水鋪管技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是提高鋪管速度,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是未來幾年可能工程化的鋪管方法新概念;圖19是Acergy集團(tuán)2012年即將投入使用的AcergyBorealis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20是Allseas公司2013年即將投入使用的超大型多功能工程船PieterSchelte,它可以從事S-lay鋪管作業(yè)。該船長(zhǎng)382m、寬117m、托管架長(zhǎng)170m、張緊器為2000t,鋪管直徑為0.152~1.727m,主作業(yè)線配有6個(gè)雙接頭焊接站、1個(gè)無損檢測(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21是Technip公司新建的Reellay鋪管船DeepEnergy,作業(yè)水深為3000m,卷筒的載管能力達(dá)到了2800t,剛性管的最大鋪管直徑為0.457m,柔性管的鋪管直徑為0.051~0.610m。因此,隨著這些鋪管