国外深水铺管方法与铺管船研究现状及发展趋势

黄维平,曹 静,张恩勇

(1.中国海洋大学海洋工程山东省重点实验室,山东 青岛 266100;2.中海油研究总院深水工程重点实验室,北京 100027)

国外深水铺管方法与铺管船研究现状及发展趋势

黄维平1,曹 静2,张恩勇2

(1.中国海洋大学海洋工程山东省重点实验室,山东 青岛 266100;2.中海油研究总院深水工程重点实验室,北京 100027)

深水铺管船是深水油气田开发的主要施工装备,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。通过对国外主要深水铺管船和重点工程项目的分析,简要介绍了国外深水铺管船的基本特征、性能和设备能力;重点阐述了深水铺管船的关键设备及其对施工能力的影响;最后,对国外深水铺管船的发展趋势作了进一步的分析。为我国的深水铺管船研发提供有益的参考。

铺管船;工程船;张紧器;绞车;锚泊系统

Abstract:Deepwater pipelaying vesselsare the essential equipment for deepwateroil&gasexploration.They are used to install floating structures and risers,and to lay subsea pipelines.In thispaper,some deepwater pipelaying vesselsareoutlined to show the capacitiesand performancesof deepwater pipelaying vessels in foreign countries,and the capacitiesof partof the equipments in the vesselsare introduced briefly.The focus isputon key equipmentsand their effectson the pipelaying capacitiesof the vessels.Finally,the trend of pipelaying vessel development ispredicted to provide references for developing pipelaying vessels in China.

Key words:pipelaying vessel;engineering vessel;tensioner;winch;mooring system

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),如图1～图5所示。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目前主要用于柔性管和脐带缆的铺设[1-3]。

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,形成一条S形曲线,如图1所示[4-5]。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。

图1 S型铺管示意Fig.1 Sketh of S-lay pipelaying

图2 J型铺管示意Fig.2 Sketh of J-lay pipelaying

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,形成一条J形曲线,如图2所示[6-7]。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[3]。Reel lay的卷筒立式放置,如图3所示[8-10]。Carousel lay的卷筒卧式放置,如图4所示。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。

图3 Reel lay铺管示意Fig.3 Sketch of Reel lay pipelaying

图4 Carousel lay铺管示意Fig.4 Sketch of Carousel lay pipelaying

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(见图4)和Vertical lay(见图5)两种方法,其中,Carousel lay也可用于刚性管铺设[11]。

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。Carousel lay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(moonpool)入水的。

1.5 铺管方法比较

基于目前的铺管船,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。表1列出了不同铺管方法的比较,这仅仅是依据目前的铺管船性能和操作技术水平给出的综合指标。

图5 垂直铺管示意Fig.5 Sketch of Vertical lay pipelaying

表1 不同铺管方法比较Tab.1 Comparison of pipelayings

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[12-14]。

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。目前,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,分别如图6和图7所示。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。表2列出了国外主要深水S-lay铺管船的技术参数。

图6 船型S-lay铺管船Fig.6 Ship shaped S-lay vessel

图7 半潜式S-lay铺管船Fig.7 Semi-submersible S-lay vessel

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,如图8所示。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。

表2 国外主要深水S-lay铺管船技术参数Tab.2 Parameters of part of deepwater S-lay vessels

图8 Audacia号S-lay铺管船上的工作站Fig.8 Thework station of S-lay vessel Audacia

S-lay铺管船的关键设备是托管架和张紧器,如图9和图10所示,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,如图11和图12所示。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。

目前,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°。表3列出了国外主要J-lay铺管船的技术参数。

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(见图13),然后由专用吊架将管线放入J-lay塔(见图14),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,如图15所示。

图9 S-lay铺管船的托管架Fig.9 The etinger on S-lay vessel Audacia

图10 400 t张紧器Fig.10 400 t tensioner

图11 船型J-lay铺管船Fig.11 Ship shaped J-lay vessel

图12 半潜式J-lay铺管船Fig.12 Semi-submersible J-lay vessel

表3 国外主要J-lay铺管船技术参数Tab.3 Parameters of part of deepwater J-lay vessels

图13 J-lay铺管船的管线接长作业Fig.13 Line up of pipeson J-lay vessel Audacia

图14 J-lay塔管线吊装系统Fig.14 Pipe handling facilitieson J-lay vessel Audacia

图15 Reel lay铺管船Fig.15 Reel lay pipelaying vessel

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。表4列出了国外主要Reel lay铺管船的技术参数。

表4 国外主要Reel lay铺管船技术参数Tab.4 Parameters of part of deepwater Reel lay vessels

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,如图16和图17所示。图16是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。表5列出了国外主要的Carousel lay和Vertical lay铺管船。

图16 Carousel lay铺管船Fig.16 Carousel lay pipelaying vessel

图17 Vertical lay铺管船Fig.17 Vertical lay pipelaying vessel

表5 国外主要Carousel lay/Vertical lay铺管船技术参数Tab.5 Parameters of part of deepwater Carousel lay/Vertical lay vessels

3 发展趋势

深水铺管技术的发展趋势是提高铺管速度,缩短海上施工周期,因此,应发展新的铺管方法和开发多功能的大型铺管船。其主要发展趋势是增大卷筒铺管的直径,发挥卷筒铺管速度快的优势,且一条船具有多种方法的铺管功能。图18是未来几年可能工程化的铺管方法新概念;图19是Acergy集团2012年即将投入使用的Acergy Borealis号S-lay和J-lay多功能铺管船,它的作业线上配有11个单接头作业站、6个双接头作业站,J-lay塔上配有2个工作站。图20是Allseas公司2013年即将投入使用的超大型多功能工程船Pieter Schelte,它可以从事S-lay铺管作业。该船长382 m、宽117 m、托管架长170m、张紧器为2 000 t,铺管直径为0.152～1.727m,主作业线配有6个双接头焊接站、1个无损检测站和6个现场接头的防腐保温层/混凝土重力层作业站。除此之外还有1个双接头接管车间,车间内设有5个对管作业站和2个内外组合焊接作业站。这些铺管船不仅铺管能力强,而且可以在更恶劣的海况下作业。图21是Technip公司新建的Reel lay铺管船Deep Energy,作业水深为3 000m,卷筒的载管能力达到了2 800 t,刚性管的最大铺管直径为0.457m,柔性管的铺管直径为0.051～0.610m。因此,随着这些铺管船的服役,铺管速度将得到大幅度提高,海上施工周期将大大缩短。

图18 新的深水铺管概念Fig.18 New comceptof pipelaying

图19 S-lay和J-lay铺管船Fig.19 Multi-purpose vessel for S-lay&J-lay

图20 Pieter Schelte号S-lay多功能工程船Fig.20 Multi-purpose vesselwith S-lay Pieter Schelte

图21 Deep Energy号Reel lay铺管船Fig.21 Reel lay vessel Deep Energy

4 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,介绍了目前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。

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State of the art and developing trend of deepwater pipelaying and pipelaying vessel abroad

HUANGWei-ping1,CAO Jing2,ZHANG En-yong2
(1.Shandong Key Laboratory of Ocean Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2.Key Laboratory of Deepwater Engineering,CNOOC Research Center,Beijing 100027,China)

P751

A

1005-9865(2011)01-0135-08

2010-07-16

黄维平(1954-),男,浙江人,教授,主要从事海洋工程结构设计与分析的研究。E-mail:wphuang@ouc.edu.cn