动态海缆海底湿存技术研究及应用
2020-02-23
(深圳海油工程水下技术有限公司,广东 深圳 518000)
0 引言
中国南海某油田群的浮式生产储油船FPSO达到设计使用寿命,需要进坞维修。坞修期间对其内转塔式单点浮筒进行更换,需要提前在海上对动态海缆进行解脱和湿存工作。
受FPSO坞修和单点浮筒更换周期的影响,海缆动态段需要临时存放在100 m水深的海底长达4个月。该海缆已服役达15年之久,根据以往项目案例[1-2],该海缆接近设计使用寿命,存在材质老化、机械强度弱化和阻水功能退化等较为严重的问题,一旦受损或进水将会影响整个油田的复产计划。
针对以上特点,该工程自主设计并制造了海缆索节式牵引头等一批结构件,对海缆密封、下放和湿存方案进行设计和研究,并在实际施工作业中取得了良好效果。该关键技术的成功应用可为今后其他工程项目的安装设计及实施提供借鉴和参考。
1 动态海缆端部密封工艺
动态海缆的永久锚固由外壳和内核组成,其中内核与海缆铠装钢丝浇筑成一体,作为承受海缆重量的关键部件。内核至端头部分的海缆由于剥离铠装层、内层护套、外层护套及填充,不具备受力能力,阻水能力较差。为保证动态海缆在水下的设计状态,该段海缆需要保留并在回接时重新接入接线箱内。因此内核以上的海缆防水密封和机械防护至关重要。
图1 海缆锚固外壳移除、内核提升和新锚固内核安装
如图1所示,海缆密封和湿存前需要首先将其电单元、光单元缆芯的端头从接线箱内分离,拆除海缆锚固件外壳。由于锚固内核以上海缆已将内、外层护套剥离,无法安装用于密封的热缩三指套,需要使用内核提升件将海缆向上提升少量距离,为海缆在浮筒顶部安装临时固定卡具,最后拆除旧锚固内核,安装新锚固内核。
如图2所示,将新、旧锚固内核间统包海缆外层聚乙烯护套及铠装少部分剥离,漏出内护套。将遇水变色试剂分散涂在各缆芯上,用于鉴定是否进水。将3根电单元分别套入热缩三指套的每个手指,光单元插入附近电单元的手指内,并使三指套主管套入统包海缆内护套上。加热热缩,使三指套紧密结合在统包海缆内护套及光电单元缆芯上,避免内部残存空气。
使用整根热缩中壁护套管套在缆芯上,一端与三指套手指搭接重叠,一端与缆芯端头重合,加热热缩。使用热缩封帽外套在光电单元缆芯端头,加热热缩,在热缩封帽与热缩中壁护套管搭接处使用防水胶带缠绕数圈,加强密封效果。
使用强力胶带将密封的光、电单元缆芯收紧、捆扎。使用金属帽套在光电单元缆芯端头外部,用于对缆芯端头进行机械防护。使用双组分聚氨酯灌入金属帽与缆芯间的空隙内,进行硫化处理,为保证硫化效果,建议硫化时间不少于24 h。使用热缩封帽套在金属帽外层,加热热缩。在热缩封帽外层及三指套主管上各缠绕1圈密封胶条。
将热缩中壁护套管套从热缩封帽末端一直套到统包海缆内护套上,使热缩封帽及三指套主管均置于该热缩中壁护套管内部,从该热缩中壁护套管中间向两端均匀加热,避免内部残存空气。将一圈密封胶条套在上层热缩中壁护套管外层端头附近,使用一热缩封帽套在上层热缩中壁护套管外层,加热热缩。使用防水胶带在热缩封帽、海缆内护套与其内层热缩中壁护套管重合处,缠绕数圈。然后使用一层热缩中壁护套管套热缩在上一层热缩中壁护套管套外层及动态海缆外层护套上,避免海水从海缆外层护套和内层护套之间进入。至此,动态海缆端头完成防水密封。
2 多节互锁式索节牵引头设计
完成海缆端头防水密封后,需要为该段海缆安装多节互锁式索节牵引头。牵引头设计主要考虑以下5点:1)密封段海缆已剥离铠装层,牵引头结构设计时需考虑包覆在海缆的外部,起到机械防护的作用。2)密封段海缆已剥离铠装层,无法直接承受动态段海缆重量的牵引力,需要将牵引头末端与海缆的锚固内核进行连接,作为动态海缆向上牵引的受力点,牵引头首端可通过索具连接绞车进行牵引。3)海缆在下放和回收时需要通过单点浮筒内的护管,并且需要保证在与海床接触时不能过度弯曲,因此将其设计成索节式,兼具柔性同时限制海缆的弯曲半径。4)设计结构的外径应能使海缆牵引头顺利通过护管,在端头位置和靠近锚固内核位置的海缆相对外径较大,结构设计时需要重点考虑。5)牵引头首端吊耳的强度在设计时,需要充分考虑动态海缆在湿存和回接过程中所需的最大牵引力。
基于上述因素设计,牵引头主要由拖拉头、首端索节、主体索节、尾端索节、短节、悬挂挡板和悬挂圆钢等结构组成。拖拉头与首端索节通过法兰螺栓连接,首端索节与主体索节,主体索节与主体索节,主体索节与尾端索节之间通过球形结构互锁,连接成一个整体。尾端索节与短节之间通过法兰螺栓连接,短节连接至海缆的锚固内核法兰上,如图3所示。
将悬挂挡板置于单点浮筒顶部的法兰上,两者通过螺栓紧固连接。当完成密封段海缆的索节牵引头装配工作后,通过索具提拉或下放索节头,使其穿过单点浮筒内的护管。当首端索节提拉至悬挂挡板的位置时,将悬挂圆钢横向穿过首端索节,两端置于悬挂挡板上,索节头整体结构悬挂于浮筒顶部。
多节互锁式索节牵引头设计精巧,可以分片预制,组装时通过相邻索节头圆弧板和球形体的互锁,使整个索节头连成1个整体。主体结构均为普通钢材加工焊接而成,制作简单,成本低。通过增减主体索节的数量,能够调整索节头的长度,可以重复利用。
3 动态海缆湿存设计
在单点舱内进行海缆终端拆除和密封前,需要空气潜水船靠泊在FPSO 1侧,对海缆限弯器进行水下拆除,在该空潜作业期间需要对FPSO进行限位作业。
动态海缆限弯器通常为套入式设计,无法在水下将其保护性回收,如果计划在海缆回接后继续使用,需要通过空气潜水员将其与浮筒分离后临时固定在海缆上,待回接时再次固定至浮筒上。
图2 海缆端头防水密封过程
图3 多节互锁式索节牵引头设计图
如图4所示,潜水员下潜至单点浮筒底部,拆除原海缆限弯器下方的限位止滑器。利用高压水枪从单点浮筒底部向下对海缆及其附件上的海生物进行清理,包括弯头、限弯器及海缆,清理限弯器以下需要向上提拉并密封的海缆段。
在限弯器上捆绑吊带,通过倒链葫芦等索具与浮筒底部的吊耳连接并收紧。在FPSO单点舱内进行海缆提拉作业,海缆将通过限弯器向上移动。
单点内部完成海缆提拉后,潜水员在海缆限弯器下方安装新的限位止滑器。将限弯器与弯头间的螺栓拆除。放松链条葫芦,限弯器缓慢下沉,重量逐渐落到限位止滑器上。链条葫芦不受力时,拆除葫芦及吊带。利用紧固带将限弯器固定在限位止滑器上。
动态海缆限弯器水下拆除和固定后,FPSO与单点系泊系统完成解脱,施工主作业船即可进场开始进行动态海缆的海底湿存工作。
动态海缆端头完成防水密封并安装多节互锁式索节牵引头后,下放至单点浮筒顶部临时悬挂。当FPSO离开单点系泊系统后,施工主作业船进场进行动态海缆海底湿存工作。
通过计算分析得知单点浮筒解脱后将下潜一定深度,施工主作业船搭载饱和潜水设备及人员到达现场,饱和潜水员入水至浮筒顶部位置。如图5所示,作业船甲板绞车下放钢丝绳,将其与海缆首端连接,拆除临时固定卡具。
甲板绞车下放海缆首端通过护管到达浮筒底部。将海缆首端通过长索具悬挂在浮筒底部,拆除绞车钢丝绳并回收至甲板。
主作业船移船至设计位置,甲板绞车入水再次与海缆牵引头进行连接。注意如果海缆下放过程中与其他软管、海缆或锚缆存在交叉,应调整绞车钢丝绳并在其下方绕过避免接触。
如图6所示,通过移船并调节绞车钢丝绳长度,使与浮筒底部连接的悬挂索具松弛后,断开连接。
主作业船调整船舶艏向,并继续沿设计路由进行移船,同时操控甲板绞车下放海缆,直至海缆末端到达海底。如图7所示,吊机下放配重块至海底,水下机器人ROV在水下将其与海缆末端进行连接,增加海缆在海底的稳定性,防止湿存期间海缆移位。至此,动态海缆海底湿存完成。
4 结语
单点系泊系统已广泛应用于我国南海海域的多个油气田区。其中部分FPSO及单点生产系统中的关键部件(如单点浮筒等)近些年将陆续达到设计使用寿命,需要根据要求进行维修和更换。该次动态海缆解脱及海底湿存技术的成功应用,为项目的顺利完成奠定了基础,同时为以后其他的类似项目提供了借鉴和参考。
图4 限弯器海生物清理、固定及止滑器安装
图5 牵引头从单点浮筒顶部下放并临时悬挂于浮筒底部
图6 海缆水下传递
图7 海缆牵引头与配重块连接