水下设备安装过程及其影响因素分析

徐亚国

(中海辉固地学服务(深圳)有限公司，广东 深圳 518067)

随着世界范围内海洋油气资源开发力度的不断增大，海洋油气资源开采逐步从浅水走向深水，深水油气开发也逐渐成为石油工业的科技创新前沿，采用水下生产系统是目前深水开发的主要手段，也是目前最经济有效的方式[1-4]。在海上极端恶劣的环境下安装庞大复杂的水下生产系统极具挑战性，笔者作为海洋石油从业者，曾多次在海上参与水下采油树、管汇终端PLEM、跨接管、吸力锚等水下设备的安装作业，对水下设备的安装过程有一定了解，在查阅国内外相关文献的基础上，笔者针对水下设备的安装过程，分析并总结了影响安装过程的主要影响因素，期望为我国在水下设备领域的工程安装提供借鉴。

1 水下设备安装过程

由于水下设备种类繁多，其结构、体积和质量等因素对安装方式均会有一定影响，因此安装过程存在一定的差异，但安装的总体过程基本一致。典型的水下设备安装过程如图1所示。水下设备安装过程大致分为装船固定、提升操作、穿越飞溅区、深水下放、落地坐放5个阶段[5-8]。

1.1 装船固定阶段

装船固定阶段是将水下设备进行装船固定并运输至目的地。由于海上环境恶劣，船舶在航行过程中同时承受着横摇和纵摇运动，船上设备的主要受力等于横摇和纵摇加速度引起的受力之和与重力的合力，并且这种合力的大小和方向都是时刻变化的，因此装船时对设备的固定显得非常重要，多数情况下需要将设备直接焊接在甲板上，到达目的地准备将设备提升下放时再进行切割，防止设备在运输过程中由于颠簸发生移位碰撞情况的发生。

1.2 提升操作阶段

将设备从船舶吊起至入水前为提升操作阶段，该阶段由于水下设备的复杂性，根据水下设备的类型不同，安装差异性相对较大，比较常用的方式是使用船舶吊机直接提升并入水。这种安装方式对船舶的要求较高，一般要求船舶配置动力定位系统，吊机配置升沉补偿系统，另外，船上还需安装2套水下机器人系统以方便设备入水后进行水下监控与辅助安装。由于钢丝绳自重较大，随着作业水深的增加，船舶吊机的有效负载能力会大幅度减小，这给船舶吊机带来极大挑战[9]。另一种常用安装方式是借助钻井平台完成水下设备的安装，即首先将设备从船舶吊装至钻井平台并转运至月池，借助钻杆来下放设备，深水钻井平台一般都配有动力定位系统，钻台配有升沉补偿装置，因而这种方式可以确保设备下放过程安全平稳，但受平台月池空间的限制，只有体积相对较小的设备才可使用这种方式安装。

1.3 穿越飞溅区阶段

穿越飞溅区是整个安装过程最危险阶段，该阶段设备受环境载荷的影响最大，从设备刚入水到完全入水的过程中，海水的动力附加质量和拖曳力极大地影响设备的动态响应，海平面的震荡使设备所受浮力急剧变化，导致缆绳受力大幅度增加，极大地增加了受损风险。水动力对设备的冲击效应极易对设备造成损坏，因此水下设备在最开始的设计阶段就要特别考虑此影响。

1.4 深水下放阶段

深水下放过程相对平稳，随着钢丝绳长度的增加，安装系统的刚性会衰减，而固有周期会增加，当下放到一定深度后，安装系统的固有周期会等于船舶的固有周期，从而发生共振响应，会导致钢丝绳出现松弛现象，发生较大的动态响应，从而对安装系统造成影响，在一定程度上使安装系统的操作性降低。

1.5 落底下放阶段

落底下放也是水下安装过程相对比较危险阶段，设备的升沉运动与海底设施接触时会发生冲击载荷，存在设备损坏的可能，当水下设备坐上海底固定设施或坐到海床后就从自由状态转为固定状态，短暂时间内会使钢丝绳的动态响应增加。为避免对设备造成拖曳移动，应尽可能地缩短此动态响应时间，快速将钢丝绳完全松弛。

2 水下设备安装影响因素分析

从以上水下设备的安装过程来看，对水下设备安装造成负面影响的主要有水深、波浪载荷、水下设备本身的参数等因素，主要的技术难点和挑战体现在吊放系统受载严重、波浪海流的冲击、共振响应、船舶动态响应、精准定位等[10]，深水设备安装的主要难点示意图如图2所示。

图2 水下设备安装难点示意图

2.1 水深的影响

水深对安装过程的影响一方面体现在对吊放系统的影响，采用传统吊机安装方式时，当作业水深增加时，可选用的钢丝绳越来越少，而且由于钢丝绳自重较大，深水作业时，钢丝绳的有效负载能力大幅度减小，使用较长的钢丝绳使得船舶与安装系统产生共振响应的可能性增加，这也增加了钢丝绳过载失效的风险；另一方面的影响是水深的增加使设备产生较大的横向偏移，对精准定位提出了更大挑战，也增加了钢丝绳与水下设施发生缠绕的可能。

2.2 波浪载荷的影响

在设备安装过程中，波浪载荷会一直影响船舶的动态响应，进而影响船舶吊机的运动，吊钩位移、速度的变化对钢丝绳的疲劳损伤增加。另外设备在经历穿越飞溅区阶段时，波浪的冲击载荷可能对设备造成损伤，海平面的震荡使设备所受浮力急剧变化，导致缆绳受力大幅度增加，极大地增加了受损风险[11]。

2.3 水下设备自身参数的影响

水下生产系统是一个庞大复杂的系统，各种水下设备的尺寸、形状、体积、质量都有很大差异，不同水下设备对安装方式及船舶的要求也不尽相同，如小型采油树、吸力锚等尺寸相对较小的设备，在选用安装方式和船舶时就相对宽松；而对于大型的管汇终端、跨接管、水下基盘等，有时要根据设备本身的结构特点专门设计独特的安装方式。

3 总结

对水下设备的安装过程进行了简要论述，由于水下设备的种类繁多，其结构、体积和质量等因素使安装过程存在一定差异，但总体过程大致分为装船固定、提升操作、穿越飞溅区、深水下放、落地坐放5个阶段。针对影响水下设备安装过程的主要因素进行了分析，其中水深主要影响吊放系统和设备在水下的横向偏移；波浪载荷主要影响船舶的动态响应，在设备经历穿越飞溅区阶段时对设备及缆绳造成损伤的风险较大；水下设备自身参数主要影响安装方式和安装船舶的选用。