深水刚性跨接管安装操控作业及风险研究

周　礼，段梦兰，张　康，邱　盼，刘秉奇

深水刚性跨接管安装操控作业及风险研究

周礼，段梦兰，张康，邱盼，刘秉奇

（中国石油大学海洋油气研究中心，北京102249）①

在深水油气田开发模式中，跨接管作为重要的连接元件用于连接管线与采油树、管线与管汇、管汇与采油树、管汇与立管等水下生产设施，其安装技术是构建水下生产系统的重要内容。以某深水气田M型跨接管安装过程为例，介绍了跨接管下放安装作业方法及要求，利用事故树分析方法对其进行风险研究，找出安装过程中的关键环节，并提出控制措施，旨在为我国深水跨接管下放安装提供参考。

刚性跨接管；下放安装；事故树

当前，海洋油气勘探开发已由浅海走向深海，水下生产系统由于其在开发深水油气田时具有明显的综合经济优势，已经被世界上很多国家作为油气田开发的一种重要方式广泛研究和应用［1］。水下生产系统主要由油井、采油树、井口、脐带缆、立管、管汇、控制系统、搭配出油管、跨接管组成。跨接管是水下生产系统中重要的近距离连接设备，用于连接管线与采油树、管线与管汇、管汇与采油树、管汇与立管等水下生产设施［2］。

随着世界各大石油公司在深海领域不断增加投入，海洋石油水下装备的需求也将日趋增大，但国内对于深水装备的安装操作仍主要由国外公司完成，还不能完全自主掌握如深水跨接管这样的大型水下结构物安装操控作业技术［3］。本文以某1500m深水气田为例，详细阐述深水跨接管的安装作业，并用FTA法对作业过程进行风险研究以期完善整个安装过程。

1　深水刚性跨接管

1.1结构形式

如图1所示，跨接管可以按照其连接方式的不同分为垂直跨接管和水平跨接管。其中，垂直跨接管按其具体形状又可分为M形（弯管）、M形（肘弯）、倒U形［4-5］。可以根据水下系统的具体情况选择相应形式的跨接管。

图1　常见的刚性跨接管

1.2功能实现

水下跨接管主要通过跨接管两端的连接器与其他水下结构的毂座相连，连接器根据跨接管形式的不同分为垂直连接器和水平连接器。M形跨接管所使用的垂直连接器［6-8］如图2所示。

图2　跨接管连接器与毂座连接示意

连接器的工作原理为：在连接器及安装工具整体与毂座完成对中后，启动液压缸推动驱动环使其沿轴向向下运动的同时，卡爪向内回收将跨接管末端与其他水下设备上的毂座锁紧，进行密封测试后即实现了跨接管的连接功能。

2　跨接管安装作业过程

2.1总体流程

刚性跨接管的总体提升结构如图3所示，在跨接管驶离陆地之前，首先要做好相关准备工作，包括：检测和布置分布梁吊点、索具等；随后将分布梁和跨接管放置在运输支架上由拖船运往目标海域。到达目标海域后，再次进行相关检查工作，确保安装船吊机的相关索具安装可靠，连接器安装工具已锁定在连接器上，然后借助ROV对水下毂座进行检查，确认水下相关标识和有无障碍物等。

图3　跨接管提升总体结构

在完成一系列准备工作后，可借助安装船进行下放作业，首先被下放的是ROV工作篮，它可携带相关工具到水下对毂座进行一些前期处理，例如移除压力帽、对毂座进行清洁、安装岩屑帽等。在所有前期工作完成后，可进行跨接管下放安装工作。总体安装流程如图4所示。

图4　总体安装流程

2.2具体步骤

受篇幅所限，本小节将仅对整个安装过程的核心部分——即图4中所述跨接管安装部分进行详细阐述。

2.2.1整体下放过程

1）进行完相关准备工作后，使安装船停泊至预先设定的安全作业海域，然后为主吊机和绞车安装上部索具，将装载有跨接管的驳船停泊至与安装船平行的位置。

2）连接主吊机上部索具和分布梁上部索具，为分布梁和跨接管安装操控绳，然后启动绞车使其索具进入水中待命。

3）首先启动主吊机，开始提升分布梁，使其脱离运输支架，借助操控绳控制分布梁，继续提升，直至分布梁整体完全处于跨接管正上方且与其平行的位置。

4）提升跨接管使其离开运输支架至足够高度，使其不因安装船和驳船的升沉运动而发生碰撞，之后驳船驶离安装船，如图5。将绞车索具下放至50 m水深处，在此等候后续进行的载荷转移操作。

图5　整体下放过程

5）下放跨接管进入水中，并解除跨接管操控绳，将跨接管下放至水深约50 m处，停止下放，准备与绞车进行载荷转移。

6）将在主吊机上部索具上的自由索环连接至绞车索具的挂钩上，主吊机缓慢下放，由于所承受的载荷逐渐转移至绞车上，其连接索具逐渐松弛，由ROV将主吊机上的索环卸下，由此完成了由主吊机向绞车的载荷转移，如图6。

图6　载荷转移操作

7）继续通过绞车下放跨接管，至距离海床25 m处时停车，此时可将主吊机索具回收至水面。

8）按照既定路径，调整安装船位置至目标安装海域，启动安装船的AHC（升沉补偿系统）；然后由ROV移除毂座上的岩屑帽，2个ROV分别各自调节控制1个位于跨接管两端的连接器安装工具，以协助跨接管进行着陆操作。

9）借助ROV控制跨接管两端的安装工具与水下设施的毂座对中，严格控制绞车下放速度，使其不超过规定极限速度（0.6 m／s），借助安装工具进行软着陆，并使跨接管上部索具逐渐松弛。

在连接分布梁下部索具时，可通过控制不同吊点索具的长度来使跨接管整体与水平线呈一定角度（约1～2°），这样可以使跨接管先在一端着陆，然后经绕一端旋转后再进行另一端着陆。

2.2.2分布梁回收及连接器锁紧过程

1）ROV解除分布梁下部索具，使其与跨接管分离，绞车提升分布梁至距离海床25 m处，ROV通过一系列操作将跨接管连接器和毂座进行锁紧（如图7），对连接器进行密封测试后，将安装船移动至安全操作海域。

图7　水下跨接管连接器锁紧过程

2）回收分布梁至距离水面50 m处，将主吊机索具同样下放至距离水面50 m处，二者进行载荷转移，同2.2.1中第6步，使绞车索具完全回收至安装船。

3）将操控绳连接至分布梁后，继续由主吊机回收分布梁，并穿越飞溅区，然后将驳船停泊至与安装船平行的位置，在操控绳的控制下，下放分布梁至驳船上的运输支架上，解除相关索具及操控绳的连接。

2.2.3安装工具回收过程

1）将安装工具回收索具连接至绞车，绞车下放至距离海床25 m处；同时，为辅助吊机（起重量较低）安装回收索具，并下放至距离水面50m处等待进行载荷转移操作。

2）将安装船驶至目标海域，绞车继续下放。借助ROV将安装工具上的索具（可在浮力模块的作用下处于竖直浮起状态）与回收索具相连，ROV操作使安装工具与跨接管连接器解锁，在绞车对绳索施加轻微张力后，检查索具是否处于竖直状态。缓慢提升连接器安装工具至距离海床25m处，停车。

3）移动安装船至安全作业区域，继续回收至距离水面50m处，进行载荷转移操作（具体见第6步），将载荷转移至辅助吊机（安装船上起重量较轻的吊机）。

4）通过ROV释放安装工具底部的操控绳，辅助吊机继续回收安装工具，同时将绞车回收。

5）将驳船停泊至与安装船平行的位置，将安装工具提升至足够高度，由工作人员控制安装工具操控绳使安装工具缓慢地着陆于驳船；进行同样的操作以回收另一安装工具。安装工具回收过程如图8。

图8　安装工具回收过程

3　基于FTA的跨接管安装过程风险研究

3.1FTA构建

事故树分析又称故障树分析，是从结果到原因找出与事故有关的各种因素之间因果关系和逻辑关系的作图分析法。该方法把系统可能发生的事故放在图的最上面（顶上事件Top event），按系统构成要素之间的关系，分析与事故有关的原因。具体过程是通过顶上事件进行逐层逻辑推导直至找出基本原因事件（Basic event），找出导致事故发生的基本原因组合，通过定性与定量分析，找出事先未能预测到的原因事件［9-10］。跨接管安装过程事故树如图9。

图9　跨接管安装过程事故树

3.2跨接管安装过程事故树分析

在事故树中凡是能导致顶上事件发生的基本事件的集合称为割集；凡能导致顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合（也可以说不包含其他割集的割集）称为最小割集。事故树中最小割集越多，顶上事件发生的可能性就越大，系统就越危险。相反地，在事故树中，有1组基本事件不发生，顶上事件就不发生，这一基本事件的集合称为径集。凡是不能导致顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合（也可以说不包含其他任何径集的径集）叫最小径集。最小径集越多，顶上事件不发生的途径就越多，系统也就越安全。结构重要度分析是分析基本事件对顶上事件的影响程度，可以从中找出影响事故的主要原因，从而采取有效措施应对事故的发生，制定应急预案。

3.2.1本事故树最小割集

借助中国矿业大学孟现飞老师编制的FTA分析软件，可以得出本事故树共有10个最小割集：

1）｛X1｝，吊耳焊点失效。

2）｛X10｝，安装工具故障。

3）｛X11｝，连接器卡爪锁紧不到位。

4）｛X2X3｝，开口度变形过大 & 检查不到位。

5）｛X4｝，吊点布置不合理。

6）｛X5｝，下放速度过快。

7）｛X6｝，制动过猛。

8）｛X7｝，极端海况。

9）｛X8｝，下放速度过快。

10）｛X9｝，未开启升沉补偿系统。

则结构重要度排序为：I（X11）=I（X10）=I（X9）= I（X8）=I（X7）=I（X6）=I（X5）=I（X4）=I（X1）＞I（X3）=I（X2）

3.2.2分析结论

1）从事故树的逻辑关系看，有6个逻辑或门和1个逻辑与门，最小割集有10个，最小径集有2个，最小割集数量较多，说明造成事故的途径很多，而控制事故的途径略少，且需要控制的事件多而面广，因此系统的危险性较大

2）由结构重要度排序来看，各个基本事件结构重要度趋于平均，由于结构重要度体现的是基本事件在事故树中结构上的重要程度，因此它本身具有局限性。同时又由于缺乏各个基本事件的发生概率，所以无法进一步评估其重要度。这里需要指出的是，根据相关资料，基本事件X11发生的概率较大，这里应特别提出。

3）本次分析着重找出安装过程失效逻辑关系和导致失效的基本事件，确定出导致失效事件的发展途径，借此找出阻止其发生的方法，以此作为现场施工作业的参考。

3.2.3控制措施

1）严格制定并执行各项规章和管理制度，例如操作人员应按照标准执行作业程序，做好对于天气海况的预测，制定合理的与之对应的作业计划。加强岗位责任制的落实，做好安全自控与互控，保证现场作业安全有序。

2）提高作业人员业务素质。对吊车司机要加强应急处置技能训练；合理布置吊点，下放前要做好定位工作。

3）确保绳索、分布梁、吊耳等材料组装合格，在作业前要检查到位，保证作业过程中不出问题。

4）做好碰撞试验，使之具备良好的抗碰撞能力。

5）做好应急预案。

4　结论

深水跨接管作为水下生产系统中一种重要的连接元件，结构庞大，安装难度大，目前国内不具有独立对其进行安装的能力。本文结合一种典型刚性跨接管，详细介绍了其独特的安装过程。为了能进一步突出安装过程中的重点环节，利用FTA分析方法，找出了整个安装过程中需注意的关键环节，针对其列出了相关控制措施，对于我国今后能独立进行大型水下结构物的下放安装具有一定的指导意义。

［1］王勇，刘军，刘明，等.水下刚性跨接管公差带优化方法研究［J］.机械工程师，2014，36（5）：8-11.

［2］何同，李婷婷，段梦兰，等.深水刚性跨接管设计的主要影响因素分析［J］.中国海洋平台，2012，27（4）：50-56.

［3］杨琥，李旭，何宁，等.M型跨接管设计中敏感性分析的参数化研究［J］.舰船科学与技术，2014，36（3）：125-130.

［4］韩峰，董楠，段梦兰，等.水下跨接管与管道终端测试技术研究［J］.石油矿场机械，2012，41（7）：1-6.

［5］原庆东，冒家友，刘义勇，等.流花11-1油田水下跨接管拆除技术要点分析［J］.船海工程，2014，46（2）：105-106.

［6］李志刚，付剑波，姜英，等.卡爪式水下连接器ROV作业接口技术研究［J］.石油矿场机械，2014，43（12）：35-36.

［7］赵三军，段梦兰，刘亚磊，等.1 500 m水深水平连接器压力帽结构及有限元分析［J］.石油矿场机械，2014，43 （4）：37-40.

［8］付剑波，李志刚，姜瑛，等.水下连接器性能鉴定试验技术研究［J］.石油矿场机械，2014，43（6）：31-37.

［9］臧艳彬，王瑞和，张锐，等.基于事故树的钻柱失效分析方法［J］.石油学报，2011，32（1）：171-172.

［10］王长申.基于事故树分析的煤矿潜在突水危险评价研究［J］.岩土力学与工程，2009，28（2）：298-305.

Research on Installation Control and Risk of Deep water Rigid Jumpers

ZHOU Li，DUANMeng-lan，ZHANG Kang，QIU Pan，LIU Bing-qi

（Of fshore Oil／Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Jump is an important part to connect pipeline and Christmas tree，pipeline and PLEM，PLEM and Christmas tree，PLEM and riser in the development type of deep-water oil and gas field.Therefore，jumps are widely used in subsea production system.It’s important to master the technology of jumper installation.With a kind of M shape jumper as an example，this paper introduces the method and requirements of jumper installation in detail.Then a method based on FTA is used to analyze the important failure modes in the installation period.In order to provide some references for jumper installation in deep-water，some control measures are proposed.

rigid jumper；installation；fault tree analysis

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.002

1001-3482（2015）10-0006-05

①2015-04-05

国家科技重大专项“水下管汇连接器样机研制”（2011ZX05026-003-02）；国家科技重大专项“深水水下生产设施制造、测试装备及技术”（2011ZX05027-004）

周礼（1990-），男，河北邢台人，硕士研究生，主要从事海洋油气工程研究，E-mail：zhouliok＠126.com。