概述

深水铺管船(pipelaying vessel)是深水油气田开发建设的主要施工装备, 它担负着浮式生产平台的安装、海底管线的铺设以及立管系统安装任务。随着世界海洋石油的大面积开发,对深水起重铺管船的需求量越来越大。随着世界海洋石油不断向深水发展,对深水起重铺管船的性能要求也越来越高。世界海洋石油工业的高速发展推动了深水起重铺管船的快速发展,也带动了起重铺管船装备的快速发展。

我国的深水油气开发虽然起步较晚,但发展势头之猛、发展速度之快, 令世人瞩目。但我国的深水油气田开发的施工装备与国外仍有一定的差距。近年来,国家加大了研发投入力度,相关的企业也加快了市场开发步伐,希望能够为此提供一些有益的参考。

1深水铺管方法

深水铺管方法主要有S 形铺管法(S-lay)、J 形铺管法(J-lay)、卷筒式铺管法(Reel lay and Carousel lay)以及垂直铺管法(vertical lay)。其中,S-lay是浅水铺管法的延伸, J-lay和Reel lay则是专为深水开发的两种新的铺管方法 ,而 Vertical lay 和Carousel lay 主要用于柔性管和脐带缆的铺设。

1 .1 S 型铺管法

S-lay 铺管时,管线在甲板或船舱内完成焊接和焊缝的防腐保温层/混凝土重力层施工,然后经过悬挂在船体外的托管架入水。托管架上的管线称为上弓段(overbend), 托管架末端至海底的管线称为悬垂段(sagbend)。上弓段的曲线形状是受托管架的形状控制的, 因此, 是位移控制的。而悬垂段的曲线形状是张力和弯矩控制的, 因此, 是荷载控制的。上弓段和悬垂段的应变(应力)是S-lay 的关键控制参数。因此,S-lay 铺管船的托管架和张紧器决定了铺管能力———直径和水深。

由于上弓段的张力远远大于悬垂段,因此,上弓段的应变是S-lay控制的关键, 它取决于托管架形状和控制悬垂段应变所需的张力。深水铺管时,上弓段的应变通常大于弹性应变,产生一定的塑性应变, 因此, 现行规范要求将累计塑性应变控制在0 .3%以下。

1 .2 J 型铺管法

J-lay 铺管法是为解决S-lay 的上弓段大应变问题而发展起来的一种深水铺管法,它将管线的接长作业由S-lay 的水平位置调整为竖直位置,在竖直的J-lay 塔上完成管线连接后直接入水。通过调整J-lay 塔的倾角,使管线的连接作业姿态与入水姿态相同,从而消除了S-lay 的上弓段。由于受到J-lay 塔高度的限制,J-lay 铺管时,管线在甲板上接长至J-lay 塔可以容纳的长度,然后吊至J-lay 塔完成与已铺设段的连接,因此,J-lay 法的铺管速度较慢。

1 .3 卷筒铺管法

卷筒铺管法是柔性管铺设方法的直接拓展,它采用陆地上一次完成管线接长并缠绕到卷筒上,然后在海上展开并拉直后连续铺入海底。根据卷筒在铺管船上的放置方式, 卷筒铺管法分为垂直Reel lay和水平Carousel lay。Reel lay 的卷筒立式放置 。Carousel lay 的卷筒卧式放置。由于没有管线接长作业, 从而铺管船不需要锚泊, 因此,Reel lay法的铺管速度快。同时,陆地的管线接长作业也大大提高了焊接质量。但是, 由于管线的缠绕和拉直引起塑性变形, 因此, Reel lay法对管线的损伤较大,必须经过大量的计算来确保管线的塑性应变和椭圆变形满足规范要求。Reel lay 法的铺管长度和直径均受到卷筒尺寸的限制,铺管长度是卷筒的可缠绕管线长度, 直径则必须满足弯曲应变和椭圆变形要求。

1 .4 其他方法

上述三种铺管方法主要用于刚性管(rigid pipe)的铺设, 其中Reel lay也可用于柔性管铺设。对于柔性管和脐带缆的铺设, 还有Carousel lay和Verti-cal lay两种方法,其中,Carousel lay 也可用于刚性管铺设。Carousel lay 和Vertical lay 铺管法与Reel lay 铺管法相似,管线展开后经过一个矫直机构入水。Carousellay 的入水方式与S-lay 相似,管线矫直后经托管架入水。Vertical lay 的入水方式与Reel lay 相似,但矫直机构是垂直的,且管线是通过铺管船中部的月池(moon-pool)入水的。

1 .5 铺管方法比较

基于铺管船,S-lay的铺管直径最大,Reel lay的铺管直径最小。Reel lay的铺管速度最快,J-lay的铺管速度最慢。铺管速度的快慢主要取决于管线的接长方式,S-lay的管线接长是水平位置施工的,因此,可同时进行多条焊缝的焊接,且不同连接段的焊接和防腐保温层/混凝土重力层施工可同时进行。J-lay的管线连接是在J-lay 塔上完成的,同时只能进行一条焊缝的焊接,而Reel lay 法在海上没有焊接作业。

2深水铺管船

按照铺管方法分类,深水铺管船可分为S-lay铺管船、J-lay铺管船和Reel lay铺管船三种类型。其中, Reel lay 包括了Vertical lay 和Carousel lay 。如果按照船型分类,则可分为船型和半潜式两种类型。

2 .1 S-lay 铺管船

由于S-lay 铺管法的铺管直径大、铺管速度快,因而得到了广泛的应用。世界上最多的铺管船是S-lay铺管船。S-lay 铺管船有船型和半潜式两种类型。船型S-lay 铺管船多为商船改装而成,如Allseas公司的Audacia系由Geeview号散货船改装。根据舱容的大小,深水S-lay铺管船上一般设有7～12个工作站(work station), 包括焊接、检测和焊缝的混凝土重力层作业工作站 。工作站中最多的是焊接站, 如Audacia的12个工作站中, 焊接站多达8 个。最少的为5 个,如Allseas 公司的Solitaire(10 个工作站)和Saipem 公司的Crawler(7 个工作站)。工作站中最少的是检测站,一般为1个,最多也只有2个, 如Saipem公司的Castoro Otto号。

现场接头的防腐保温涂敷层/混凝土重力层工作站一般为1个,大型铺管船最多为4个, 如Solitaire号的10个工作站中就有4个混凝土重力层工作站。工作站的数量是铺管船的一个重要指标, 它决定了铺管船的铺管速度。管线接长作业中,焊接作业时间较长,因此,铺管船上焊接站的数量最多。S-lay 铺管船的关键设备是托管架和张紧器,它们决定了S-lay 铺管船的作业水深和铺管直径。为了适应不同水深的作业需要, 托管架必须能够调整曲率半径,以调整管线的入水角。因此,托管架一般由三段组成。在调整托管架的同时,也必须调整托管架上的滚轴高度和间距, 使管线的上弓段曲率保持一致。张紧器是保持铺管曲线形状的主要设备,它提供平衡管线重力和控制悬垂段曲率所需的张力。因此,张紧器的能力代表了铺管船的铺管能力。

2 .2 J-lay 铺管船

J-lay 铺管船也有船型和半潜式两种船型 。其工作站位于J-lay 塔上,J-lay 塔的倾斜角度可根据水深和张力条件调整,以确保管线的入水角与悬垂段在J-lay塔末端的切线保持一致, 形成一条光滑的J 形曲线,从而满足悬垂段应变控制要求。具有最大J-lay塔倾角可调整范围的铺管船是Coflexip Stena Offshore公司的CSO Deep Blue铺管船,这是一条J-lay 和Reel lay 两用船型铺管船,其J-lay 塔倾角可调整范围为30°～90°;Heerem 公司的Balder 半潜式铺管船的J-lay 塔倾角可调整范围为50°～90°;而Saipem 公司的Saipem7000 半潜式铺管船的J-lay 塔倾角可调整范围为90°～110°。J-lay 铺管船的甲板和J-lay 塔上均设有焊接站,管线在甲板上接长至J-lay 塔的长度,然后由专用吊架将管线放入J-lay 塔，并由J-lay 塔上的焊接站完成管线的整体接长后铺设入水。

2 .3 Reel lay 铺管船

Reel lay铺管法的连续移动性质要求铺管船的移动性好,因此,Reel lay铺管船均采用船型结构,Reel lay 铺管船的铺管能力主要取决于卷筒的尺寸和管线矫直机构(ramp), 卷筒轴的直径决定了最大铺管直径, 卷筒翼缘的直径决定了铺管长度。Reel lay铺管船上没有焊接站, 因此, 铺设刚性(钢)管时,最大铺管长度为卷筒储管能力。而铺设柔性管或脐带缆时,通常可采用两个卷筒。管线矫直机构的能力取决于矫直机(straightener)的吨位。Reel lay 铺管船分为刚性管铺管船和柔性管铺管船,一般的钢性管铺管船也可铺设柔性管或脐带缆,但柔性管铺管船则不能铺设刚性管, 一般的柔性管铺管船均装载两个以上的卷筒。

2 .4 其它铺管船

其它铺管船主要包括Carousel lay 铺管船和Vertical lay 铺管船。 Sealion 公司的Toisa Perseus 号多功能工程船,它配有2 个Carousel lay 卷筒和5 个Vertical lay 卷筒,因此,具有Carousel lay 和Vertical lay 铺管能力。

3 结 语

基于对深水铺管方法和国外深水铺管船及其装备的分析, 介绍了国外深水铺管技术和铺管船的研究现状及其发展趋势,分析了不同铺管方法的铺管种类和适用范围, 比较了不同铺管方法的特点和用途。在对深水铺管方法分析比较的基础上,通过对国外的深水铺管船及其部分装备进行了较详细的介绍。希望能够对我国的海洋工程,特别是深水海底管线和立管工程的研究与工程应用提供借鉴和参考。