深水海底管道铺设发展综述

黄 钰, 包 佳

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

深水海底管道铺设发展综述

黄 钰, 包 佳

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

从技术和装备两个方面介绍了当今世界深水海底管道铺设领域的发展情况。在铺设技术方面，围绕几种主流的海底管道铺设方法，针对其技术特点、优势劣势展开介绍，提出了制约海底管道铺设能力的关键因素；在铺设装备方面，分别针对施工能力、工程业绩、船舶参数等关键点介绍了当今世界几艘最先进的深水铺管船。描述了先进的深水装备对海底管道铺设发展的重要影响，指出了我国深水铺管装备的发展趋势。

深水; 海底管道; 铺设方法; 铺设装备

0 引 言

随着海洋工程技术的迅猛发展，海洋石油开发已从浅海走向深海。而作为该领域重要组成部分的海底管道铺设，无论是从技术上还是从装备上都已达到了一个较为成熟的阶段。特别是在墨西哥湾、北海、南中国海等环境条件复杂的深水海域，越来越多的铺管船留下了它们的海洋开发足迹。本文重点从铺设技术和铺设装备的角度，对深水海底管道铺设发展进行综述。

1 深水海底管道铺设技术

在深水海域，拖拉法等传统的浅水管道铺设方法已不再适用，通常使用铺管船来进行海底管道的铺设安装。而用铺管船来进行海管铺设又具体包括“S-lay”“J-lay”“Reel-lay”以及其他一些铺设方法。

1.1 S-lay

图1 S-lay托管架Fig.1 S-lay stinger

S-lay依托铺管船，在铺管船的尾部布置可调节旋转角度的托管架，如图1所示。依据铺设能力的不同，托管架的长度也不同。在船中和船尾之间布置张紧器，如图2所示。在管道铺设过程中，张紧器紧紧抓住管道一端，沿着托管架下放管道。通常说来，张紧器张力越大，托管架的尺度越长，则相应的铺管能力越强。

图2 S-lay张紧器Fig.2 S-lay tensioner

在铺管船的尾部以及托管架上，布置可调节高度的滚轮，用来支撑铺设中的管道。通过调整滚轮的高度，可以调节铺设过程中整个管道系统的受力情况。在自身重力和托管架支撑力的作用下，铺设中的管道自然弯曲成“S”形状[1]，如图3所示。在铺设过程中，整个管道系统可分为上弯段和下弯段[2]，在上弯段和下弯段之间的部分通常称为中间段。在管道安装设计时，为提高整个铺管系统的安全性，应尽量将铺设中产生的应力载荷集中在管道的上弯段。

图3 S-lay铺管示意图Fig.3 S-lay pipe laying sketch

与其他铺设方法相比，S-lay具有铺设效率高、在铺设过程中不会产生塑性变形的特点。它也是我国目前应用最为广泛的一种海底管道铺设方法。S-lay可以铺设带有混凝土配重层的管道。不过随着铺设水深的不断增加，S-lay对张紧器和托管架的要求也越来越高。特别是托管架，大尺度的托管架对海管铺设有着极大的帮助。S-lay目前的铺设深度纪录已接近3000m，而其铺设中应用的托管架长度已达到140m。未来，随着铺设深度的继续增加，托管架的长度也必然有所发展。

1.2 J-lay

J-lay是为了应对深水及超深水海底管道铺设而发展起来的一种方法，如图4(a)所示。在深水海底管道铺设中，S-lay对托管架长度以及张紧器张力有着较高的要求，建造这样的铺设装备需要较高的成本，J-lay则在这方面具有一定优势。J-lay在铺管船的船中或者船尾布置有塔架，如图4(b)所示，这些塔架的旋转角度可以调节。在塔架的顶端布置有张紧器，通过调节张紧器的张力以及塔架的倾斜角度，可以控制铺设过程中管道系统的铺设应力分布。

(a) 铺管示意图

(b) 塔架

J-lay铺设便于进行动力定位[3]。除了进行常规的海管铺设，J-lay还可以进行钢悬链线立管(SCR)等深水立管以及管线终端(PLET)等水下装置的安装。

在焊接方面，相比较于S-lay， J-lay的焊接效率较低，这也直接影响了J-lay的铺设速度。通常来说，J-lay每天的铺设速度为1～1.5km。

在受力特性方面，由于J-lay塔架的倾斜角度较小，和S-lay的托管架相比，与船体之间更接近垂直状态，所以J-lay在铺设过程中所需要的张力较小，这是相对于S-lay一个很重要的优势。相对于传统的S-lay， J-lay可以减小控制路线选择的水平半径，同时，对于平整度较差的海床，相对较低的底部残余张力可以减小海床自由悬跨的长度和高度，进而大大减少海床预处理工作量。

由于铺设过程中管道是被直接吊装到塔架上，不存在卷曲，所以J-lay在铺设过程中不会产生塑性弯曲。但是由于塔架的布局旋转以及铺设作业都在垂直方向完成，使得这些操作对船舶的垂向稳性带来了一定风险。

依据以上特点，J-lay主要用于水深较深海域[4]的海底管道铺设。特别是在水深大于1000m的深水海域，例如墨西哥湾，有较多的J-lay工程经验。

1.3 Reel-lay

Reel-lay是21世纪开始发展起来的一种新型的铺管方法，如图5所示。Reel-lay先在陆上把一定长度的预制好的管子连续卷绕在滚筒上，并吊装到铺管船的固定架上，如图6所示。铺管船抵达海上现场后，将管子从滚筒上退卷，经矫直后，通过张紧器、船尾斜滑道铺设到海底。Ree-lay安装所需的设备主要有吊机、铺管船、卷轴、张紧器、校准器和船尾斜滑道。

图5 Reel-lay铺管示意图Fig.5 Reel-lay pipe laying sketch

图6 Reel-lay滚筒Fig.6 Reel-lay reel

Reel-lay和S-lay、 J-lay相比很重要的一个优势体现在它所铺设的管道可以在陆地上完成接长，接长的长度通常可以达到1～2km。 Reel-lay的铺管船在船中布置有滚筒，在陆地上完成接长的管道均匀地卷在滚筒上。在施工期间，由于Reel-lay在船上没有焊接站，可以进行连续铺设，故铺设效率较高。在采用Reel-lay进行海底管道铺设时，也需要在管道的一端施加张力以向铺设方向释放海管，但所需要的张力远小于S-lay。

Reel-lay铺管船的铺设能力主要取决于滚筒的尺寸和管线矫直机的能力，滚筒滚轴的直径决定铺设管道的最大直径，滚筒的卷管能力决定了铺设管道的最大长度。管道矫直机的能力取决于矫直机的吨位。采用Reel-lay铺设柔性管或脐带缆时，通常可以采用两个滚筒。

和S-lay、 J-lay相比，Reel-lay所能铺设的管道管径较小，通常要求管径不超过18英寸(1英寸≈2.54cm)。Reel-lay在铺设过程中相比于S-lay和J-lay受力情况更为复杂，在铺设过程中会使管道产生塑性弯曲[5]。为了尽量减小这种形变，Reel-lay滚筒的直径通常都会建造得比较大。同时，由于要将所铺设管道卷在滚筒上，Reel-lay不能铺设带有混凝土配重层的管道。

1.4 其他铺设方法

除了以上三种最为常见的海底管道铺设方法，还有其他一些铺设方法在工程实践中应用，主要有Carousel-lay和Vertical-lay。

Carousel-lay如图7所示。该铺管方法在铺管船船中布置滚筒，同时在船尾布置托管架，与S-lay和Reel-lay相似。在滚筒和托管架之间布置有张紧器。

图7 Carousel-lay铺管示意图Fig.7 Carousel-lay pipe laying sketch

Carousel-lay的优点是铺设效率高，而且管道可以在陆地上完成管道接长；不过该铺设方法会使管道产生塑性弯曲，而且Carousel-lay需要张紧器能够垂直移动，以便与管道的高度相适应，对于深水铺设它也要求托管架较长。

Vertical-lay如图8所示。此铺管方法与J-lay和Reel-lay相似，在铺管船布置有塔架和滚筒，管道采用垂直铺设。

图8 Vertical-lay铺管示意图Fig.8 Vertical-lay pipe laying sketch

Vertical-lay的优点是管道在张力下不会产生弯曲，设备比较轻便，而且可以放置于船中、船尾或船侧等不同位置；不过Vertical-lay通常用来铺设柔性管，不适用于刚性管的安装。

2 深水海底管道铺设装备

深水海底管道铺设装备是衡量一个国家海洋工程实力的重要标志。随着海洋资源开发活动逐渐从浅海走向深海，一些先进的深水装备在工程中发挥的作用越来越重要。特别是在海底管道铺设领域，许多明星级别的铺管船在一些重要海域创造了辉煌的工程业绩，也是一些著名工程公司展示其自身竞争力的重要渠道。下面针对当今世界6艘主流的深水铺管船从铺设能力、工程业绩、关键船舶参数等方面进行介绍。

2.1 Deep Blue

Deep Blue是Technip公司主要的一艘深水铺管船，也是当今世界最为先进的深水铺管船之一，如图9所示。该船于2001年由韩国现代重工建造完成。Deep Blue可以进行J-lay和Reel-lay的铺设，其最大设计铺设深度可达3000m。

工程业绩方面，Deep Blue具有较多深水管道铺设经验，目前的铺设水深纪录是2009年在Cascade & Chinook项目中在墨西哥湾创下的2900m水深的铺设纪录，该项目采用Reel-lay的铺设方式，铺设管道的管径为6英寸。

图9 Deep BlueFig.9 Deep Blue

Deep Blue铺管船铺管能力关键参数如表1所示。

表1 Deep Blue铺管船参数Table 1 Deep Blue pipelay vessel parameters

2.2 Solitaire

Allseas公司的Solitaire铺管船是目前世界上正在服役的能力最强的S-lay铺管船，有着极其丰富的S-lay深水铺管经验，如图10所示。Solitaire是以Allseas公司的另一艘铺管船Lorlay作为母型船完成设计建造的，1998年开始服役。Solitaire拥有三个350t的张紧器，其最大的输出铺设张力可达1050t，这也是目前的世界之最，为超深水海底管道的铺设提供了有力支撑。

图10 SolitaireFig.10 Solitaire

工程业绩方面，2006年Solitaire 创造了深水采用S-lay方法铺设海底管道的一座里程碑，在墨西哥湾为Enterprise Field Services 安装了2 420m的24英寸Independence Trail 输气管道。

Solitaire铺管船铺管能力关键参数如表2所示。

表2 Solitaire铺管船参数Table 2 Solitaire pipelay vessel parameters

2.3 HYSY201

图11 HYSY201Fig.11 HYSY201

HYSY201是海洋石油工程股份有限公司(COOEC)建造的一艘同时具备深水铺管和起重能力的深水装备，是我国第一艘真正意义上的深水铺管船，如图11所示。它由我国自主研发设计建造完成，是我国海洋工程史上具有划时代意义的装备。HYSY201采用S-lay的铺管方式，具有两个200 t的张紧器，管径铺设范围为6～60英寸，其最大铺设深度可达3000m。

在工程业绩方面，HYSY201铺管船的铺设水深纪录是2013年在中国南海荔湾3-1项目深水段作业中，将78.9km的6英寸海底管道铺设在1405m水深处。经测量，弃管封头所处位置与设计位置的偏差仅为0.431m，远远小于5m的设计要求，这标志着我国正式成为具备深水海底管道铺设能力的国家。对于24英寸及以上的中大管径海底管道，HYSY201的最深铺设水深业绩为700m。

HYSY201铺管船铺管能力关键参数如表3所示。

表3 HYSY201铺管船参数Table 3 HYSY201 pipelay vessel parameters

2.4 Seven Ocean

Seven Ocean建造于2007年，是Subsea 7公司的主力铺管船，也是世界上最先进的Reel-lay铺管船之一，如图12所示。Seven Ocean采用Reel-lay的铺管方式，顶部张紧器张力400t，可以铺设6～16英寸的海底管道，最大铺设水深达到3000m。

图12 Seven OceanFig.12 Seven Ocean

Seven Ocean在许多海域都有非常优秀的工程业绩，其铺设水深纪录是2007年在墨西哥湾创下的2000m。

Seven Ocean铺管船铺管能力关键参数如表4所示。

表4 Seven Ocean铺管船参数Table 4 Seven Ocean pipelay vessel parameters

2.5 Saipem 7000

Saipem 7000建造于1987年，1997年在原有半潜式起重船的基础上加装了J-lay铺管作业系统，如图13所示。Saipem 7000是Saipem公司旗下所拥有的12条铺管船中铺管能力最强的一艘，也是目前世界上最大的深水J-lay铺管船之一。

工程业绩上，2002年Saipem 7000在俄罗斯/土耳其Blue Stream项目铺设24英寸管径钢管时创下了2150m水深的纪录，直到2006年才被Balder铺管船以2220m打破。

图13 Saipem 7000Fig.13 Saipem 7000

Saipem 7000铺管船铺管能力关键参数如表5所示。

表5 Saipem 7000铺管船参数Table 5 Saipem 7000 pipelay vessel parameters

2.6 Balder

Balder是Heerema公司的主力铺管船，建于1978年，如图14所示。Balder为半潜式铺管船，具有两个浮体，每个浮体上有三个立柱，拖航吃水12m。该船配备世界上最大的锚泊线，安全工作载荷为275t。2002年Balder加装J-lay塔，具备3000m水深铺设能力。

图14 BalderFig.14 Balder

工程业绩方面，2006年Balder安装了BP公司的Mardi Gras Atlantis项目的24英寸天然气管道，创造了2220m的铺管水深纪录。2007年，Balder独立锚泊于8000英尺(1英尺≈30.48cm)水深，创造了9000英尺的最深海底管道安装纪录。

Balder铺管船铺管能力关键参数如表6所示。

表6 Balder铺管船参数Table 6 Balder pipelay vessel parameters

3 结 语

我国深水铺管船铺管方式目前以S-lay为主。由于在深水海底管道铺设中S-lay受张紧器能力及托管架长度的制约较大，对铺设装备要求极高，装备的建造成本投入通常较大。在深水海底管道铺设作业中，考虑到作业水深及张紧器能力的影响，在铺管方式的选择上通常采用J-lay进行铺设，以提升张紧器的适用性。这也是我国今后在深水铺设装备建造方面的发展趋势。对于管径较小的钢管及软管、脐带缆等海上安装，多采用Reel-lay进行铺设，以提升铺设速度，节约海上施工成本。对于深水海底管道铺设项目，在铺管方式的选择上，通常需要考虑管道属性、环境条件、施工工期、工程成本等多方面因素，综合评估后确定最终采用的铺管方式。

虽然目前深水海底管道铺设无论是在技术方面还是在装备方面都已经达到了相对成熟的阶段，但仍只是局限于现阶段的海洋开发程度以及工业科技的发展水平。我国海域发育有26个大中型沉积盆地，其中深水盆地占16个，可以说深水区面积较大[6]。随着石油天然气资源的日趋枯竭，人类对这些资源的海洋开发活动必然会向着水深更深、施工环境更加恶劣的超深水海域挺进。海洋工程自身就具备高科技、高投入、高风险的“三高”特点，对海底管道铺设来讲，随着作业水深的增加，对于工程安全性和经济性的要求也会随之提高。这在提出诸多挑战的同时，对于促进相关工业和科技的发展无疑将有着巨大的推动作用。

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Dang Xue-bo, Gong Shun-feng, Jin Wei-liang, et al. Mechanical study on overbend segment of submarine pipeline during S-lay [J]. Journal of Ship Mechanics, 2012,16(8)： 935.

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Dang Xue-bo, Gong Shun-feng, Jin Wei-liang, et al. Research progress on submarine pipeline laying technology [J]. China Offshore Platform, 2010,25(5)： 5.

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Lu Hong-fang, Wu Shi-juan. J-lay stress analysis for subsea pipeline [J]. China Petroleum and Chemical Standard and Quality, 2012(6)： 156.

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Sun Qi-wei. Installation method investigation for subsea pipeline laying [J]. China Petroleum and Chemical Standard and Quality, 2012(7)： 105.

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Niu Hua-wei, Bo Yu-bao. Brief introduction to key equipments for oil & gas exploration and development in deep water [J]. Offshore Oil, 2013,33(1)： 100.

DevelopmentinDeepwaterPipeLaying

HUANG Yu， BAO Jia

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

We introduce the pipe laying development in the world from the aspects of technology and equipment. For pipe laying technology, the main pipe laying methods are introduced according to the technology advantages and disadvantages. The key requirement for pipe laying capacity is also described. For pipe laying equipment, the most advanced pipelay vessels are introduced with their laying capacity, engineering achievements, vessel parameters, etc. The importance and developing trend for deepwater pipelay vessel are described.

deep water; subsea pipeline; laying method; laying equipment

2017-06-22

黄钰(1985—)，男，工程师，主要从事海底管道及深水立管结构设计工作。

U175.5；U615.35

A

2095-7297(2017)05-0281-06