海管终端的铺管船舷侧安装海试技术研究

原庆东，王火平，董耀锋，刘 浩

1.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳 518067

2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

对于海上油气田开发项目，在海水深度达到250m以下时，受潜水作业水深限制，传统的海底管道膨胀弯设计及安装不再适用[1]，因而采用ROV作业的海管终端（PLET）及防沉板设计及安装模式。

PLET（包括防沉板）尺寸较小时，可与海管一起在线安装[2]，但在尺寸较大或较重时，受作业线空间限制，PLET及防沉板不能在线安装，这时需要PLET和防沉板分体设计和安装，一般采用防沉板先行安装就位，再将PLET与海管一起铺设安装就位在防沉板上[3]。

在某些特殊情况下，即使PLET与防沉板分体设计与安装[4]，PLET本身的尺寸和重量也无法满足在线安装要求，此时可采用PLET在铺管船舷侧与海管连接的方式实现PLET的安装。

由于PLET在舷侧安装在国内尚属首次，能否成功存在很大不确定性，因此非常有必要首先进行PLET假体及海管的海上实际模拟测试，以确保后期海上PLET及海管的安装能够顺利实施。

1 PL ET及防沉板

南海某油田群开发项目共有4条深水海底管道，其中2条直径14 in（1 in=25.4 mm），另外2条直径10 in，油田平均水深420 m。为满足水下ROV连接作业的需要，每条海管设计有2个PLET。综合考虑PLET的形式、大小及安装资源的能力，PLET和其防沉板采用了分体设计方案。由于此项目PLET尺寸、重量较大，无法在铺管船生产线上在线安装下放就位，因此考虑采用在铺管船舷侧下放安装的方法[5]。

此项目中每条管道的2个PLET及防沉板分别位于海底管道的井口侧和FPSO单点侧，考虑防止渔网拖挂、海上安装、流动性保障等各方面因素，井口侧和单点侧的PLET及防沉板设计有所不同。

（1） FPSO单点侧PLET及防沉板。FPSO单点侧PLET与FPSO立管相连，PLET管端设计有立式连接器端口（HUB）和工艺隔离阀门。单点侧PLET防沉板与PLET本体为分体设计，防沉板结构采用防渔网设计，并设计有左右两个导轨，当海管因流体温度变化膨胀或收缩时PLET可在防沉板导轨上纵向前后滑动，PLET与防沉板的初始相对位置见图1。

图1 单点侧PLET与防沉板

防沉板需要预先安装到海底预定位置，再将PLET连同海管一同精准安装到防沉板内，PLET应安装在防沉板导轨上大约中间位置。

（2）井口侧PLET及防沉板。井口侧PLET通过跨接软管与水下中心管汇相连，管端采用水平式连接器[5]，设计有安装旋转门架及A/R缆连接钩头。

井口侧防沉板结构设计与单点侧防沉板类似，也设计有PELT纵向滑动导轨，但形体大小尺寸稍有不同，PLET与防沉板的初始相对位置见图2。

图2 井口侧PLET与防沉板

PLET和防沉板安装有明确的安装精度，见表1。

表1 PLET和防沉板安装精度

2 海管终端（PL ET）舷侧下放海试技术研究

PLET舷侧海试模拟工作除了铺管船外，还需要在铺管船主甲板上安装PLET舷侧下放系统，并根据PLET舷侧下放安装系统的功能进行海试模拟方案及工艺研究。

2.1 PLET舷侧下放系统（PLS）

PLET舷侧下放装置是海管铺设与PLET安装的关键设备，由意大利REMAZEL公司制造，包括：A支架和PLET存放平台、连接平台和悬挂管卡、导向滑轮及AR缆、液压动力站等，此装置通过导向滑轮和船上AR绞车系统相连，形成整个舷侧PLET下放系统，如图3所示。

图3 PLET舷侧下放装置

A支架上设有液压系统，它可使PLET进行X、Y、Z三个方向上的调整以便PLET精准对中，下部设有连接工作平台，用于PLET与海管的焊接、检验等。在连接工作平台的下方设有夹持型悬挂管卡，如图4所示，通过液压驱动方式打开或闭合悬挂管卡以悬挂和释放海管，另外，悬挂管卡能够沿轴向旋转一定的角度。

为确保适合不同尺寸和形式的PLET，PLET和下放装置中间还专门设计了一个PLET底座支架，如图5所示。

该套系统的工作原理是将PLET放置在A支架上并呈倒立状态，回收海管并将管头固定在管卡上，连接PLET与回收海管头，将其一同下放到已预先在海底安装就位的防沉板上。利用导向滑轮将铺管船上的AR缆与PLET相连，通过底座支架下放PLET。

图4 PLET连接平台和海管悬挂管卡

图5 PLET底座支架

PLET舷侧下放作业主要由A支架和悬挂卡具来完成。

A支架性能参数主要有：A支架最大荷载为4 000 kN，允许下放的PLET最大质量100 t，最快外移时间小于5 min，允许PLET最大纵移、横移、上下移动距离分别为±250、±150、±65 mm，允许PLET最大纵轴转角±1.5°，PLET管段和HOC卡子最小距离4 m，PLET弃置时A架滑轮最大逃离角度1.5°。

悬挂卡具性能参数主要有：悬挂卡子最大荷载为6 000 kN，工作荷载为3 000 kN，最大横向荷载为600 kN，适用管径6～24 in。

2.2 PLET舷侧下放安装海试方案及工艺研究

PLET下放安装模拟测试的目的主要是通过预演整个PLET连接、下放和安装就位过程，验证舷侧海管的回收、PLET焊接、检验和涂敷方案的可行性，评估各个工序安排的合理性以及关键路径的作业时间，检验计算参数的有效性，整合并磨合联合作业的合理性，给后期PLET安装方案提供必要的经验和技术支持，减少并解决实际安装作业过程中可能出现的问题。

海试模拟的基本方案是使用一段南海某油田开发项目的长约70 m、直径14 in的管段，再连接约1 500 m长的起始缆，模拟平管段的铺设和回收作业；使用PLET假体模拟在PLS上的安装就位；然后进行直径14 in管段及起始缆的舷侧回收模拟作业；再进行PLET与回收管段的模拟对口、焊接、涂敷作业，最后进行连接完成后的PLET和海管的整体舷侧下放就位模拟作业。图6为海试模拟的总体示意。

图6 海试模拟总体示意

海试模拟现场选择在该油田群FPSO附近的某一油田管缆路由北侧约1 km处，和油田管缆路由方向平行，海试区域为2.5 km×1 km长方形范围（见图7）。

图7 海试模拟现场

海试作业海况至少有3天天气窗口（有义波高低于2.0 m，风速低于20节）；PLET下放装置工作平台需要进行防风雨保护，以保证焊接质量。

海试模拟需要准备相应的材料和工具设备，如PLET假体、J-Collar假体及保护器、PHS临时底座、A/R缆头、抓力锚、起始缆、14 in海管等；管道焊接用外对口器、水溶纸、切割设备、坡口机、消磁机、焊机、API625材料焊条、300 mm长CRA管短接等；检验用外射线机；涂覆作业用喷砂设备、中频加热设备、真空检测设备、热缩带、底漆和溶胶等。

PLET与海管之间的焊接工作是连接工作的关键一步，由于PLET上的海管与回收海管必须垂直连接，常规气坝封堵的方案无法满足焊接要求，经过讨论和陆地试验，决定采用吸水纸方案，并在此次海试期间进行验证。

经过讨论研究，海试模拟PLET下放工艺步骤如下：第一，安装准备工作就绪。第二，铺设起始缆。第三，铺管船回收起始缆，并按正常铺管方式将长70 m、直径14 in管段及起始缆下放到海底预定位置。第四，将PLET假体安装在PLET下放装置底座支架上。第五，使用PLET下放装置及AR缆进行该管段舷侧回收。第六，在PLET下放系统工作平台上进行PLET假体和该管段对口、焊接和涂敷作业。第七，下放PLET假体及该管段到海底，模拟下放及就位作业过程。第八，回收PLET假体及该管段海管，海试模拟作业结束。

2.3 PLET舷侧下放作业海试模拟与效果

根据PLET舷侧下放安装海试方案和工艺步骤，在经过充分陆地准备后，铺管船于2019年3月末到达海上指定区域开始海试作业。

长70 m、直径14 in测试海管由4根共48 m的管道、J-Collar假体及保护罩和两端吊耳管焊接在一起组成，如图8所示。PLET假体见图9。

图8 长70 m、直径14 in测试海管

铺管船于2019年3月27日中午从锚地出发，28日中午到达海试现场。在进行完托管架、抗内波流、AR绞车测试、起始缆预铺等准备工作后，于3月30日开始进行PLET与海管连接、下放模拟测试，但由于天气原因，在测试管段回收到下放装置平台并悬挂在管卡上后，海管不得不再次下放到海底，3月31日铺管船返回锚地躲避恶劣天气。4月5日上午7点铺管船返回模拟作业现场后，重新开始PLET下放模拟试验工作，4月6日完成PLET假体的模拟下放，4月7日返航锚地，详细作业日程见表2。

图9 PLET假体

通过舷侧下放作业海试模拟试验得出如下结论：

（1）此次海试模拟预演了一次PLET舷侧下放过程，对后续PLET下放安装工作提供了有力的技术支持和经验，尤其是对PLET与海管的对口、焊接和涂敷过程，有了更清晰的时间概念。

（2）模拟试验期间进行了船体DP状态下抗内波流模拟试验，证明铺管船对内波流有比较高的抗冲击能力。

（3） 由于PLET假体是另外某项目提供的PLET防沉板假体，其设计为PLET和防沉板一体设计，因此此次模拟试验未能完全模拟该油田群开发项目PLET的下放作业，该油田群开发项目在后期PLET实际下放过程中所存在的问题（如可能的反转）仍应给予重视和进一步研究探讨。

（4）由于海底没有防沉板假体，该项目的PLET下放在防沉板的就位作业未能模拟。

（5）在管汇端PLET连接下放时，由于防沉板已经就位，而管道路由调整比较困难，因此防沉板安装就位的方位角与管道路由的一致性非常重要，通过此次模拟海试和讨论，对这一问题的重要性有了更充分的认识。

（6） 由于海管是悬挂而不是固定在管卡上，海管在对口和焊接过程中存在移动或摆动现象，尽管此次海试使用了外对中器并在管外焊接固定铁块来协助对中，但对中焊接后的海管仍存在手摸感触到的错边现象，不满足焊接质量要求，需要通过改进外对中器等方式继续提升对中水平。

表2 PLET安装海试模拟日程

（7） 此次海试PLET假体在刚开始脱离A架时出现一些左右摇摆，未出现大幅摇摆现象，总体可控，为后期PLET下放安装作业的安全实施提振了信心。

（8）此次海试收尾阶段进行PLET带海管回收作业时，出现J-Collar进入管卡困难的现象。需要进行PLET及海管下放安装后万一需要回收的安装分析及相应对策。

（9）此次海试PLET与海管连接时的管口打底焊接质量未达到要求，焊接过程中出现氩气密封不严、氩气纯度下降快等现象，这个问题解决不好将严重影响施工质量和作业工期，需要引起足够的重视并采取有效措施。

3 结论

对于海上作业新技术的应用和实施，海试模拟是解决技术问题、减少施工安全事故、提高作业效率的有效措施。按照本文研究的方案进行的海上海试模拟作业，解决了诸如PLET在舷侧下放过程中是否会发生翻转、PLET下放到海底时是否能够平稳就位、PLET就位安装精度能否能够保证、PLET和海管的最后一道焊口焊接质量保证等一系列问题，为后期实际PLET舷侧下放安装的顺利实施奠定了基础。