水下设备的S型铺设安装技术

梁 辉，张 飞，方 伟，邢广阔

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

深水水下生产设备的安装作业具有高风险、高回报的特点。在深水油气田开发中，很多水下生产设备的安装工程项目都高达上亿美元，不仅水下作业工程支持船、ROV、AUV等作业装备价格昂贵，而且水下安装作业专业技术人员的人均日费率也高达上千美元。在深水水下生产设备的安装施工中，任何一个失误都可能造成数百万美元的损失。国外海洋工程公司如Technip、Subsea7等垄断了深水水下设备的海上安装作业市场，已经具备了300 t水下设备在超1 000 m水深的安装能力。目前国内在超300 m深水环境的水下设备安装工程很少，缺少完备的施工作业装备和相关作业经验。针对安装作业的计算分析工作也仍然处于探索阶段，与国际先进水平差距巨大。因此掌握深水水下设备安装技术对未来我国深水海洋石油水下开发工程具有十分重要的意义。

水下生产系统的海上安装作为最复杂的工况载荷之一，对其结构设计具有至关重要的影响。对于采用S-型铺设安装的海底管道，为了节省船舶资源和海上施工作业时间，与海底管道相连的在线水下设备(In-Line Structure)和管端设备(Pipeline End Termination)通常采用S-型铺设安装，如中国南海深水LW3-1气田和PY35-1/35-2气田所使用的海底管道在线水下设备均采用S型铺设安装完成。

文章总结了水下设备S型铺设安装所需的装备资源、水下设备设计特点和计算方法，并介绍了相关计算软件。

2 水下设备S型铺设安装技术

2.1 所需的装备资源

水下设备S型铺设安装作业流程比较复杂，涉及的设备资源也很多，主要设备(图1)及功能包括[1-2]：

图1 水下设备S型铺设示意图Fig.1 Schematic diagram of S-type laying of underwater equipment

(1) 铺管作业线：传送水下设备、焊接、涂覆和检验。

(2) 张紧器：夹紧海管并提供张力。

(3) A&R绞车：在张紧器打开通过水下设备时，可提供辅助张力。

(4) 托管架：在海管和水下设备离开船艉后为其提供支撑。

(5) 浮筒：与水下设备相连，提供浮力和恢复力矩。

(6) 吊机：在浮筒入水之前为浮筒提供提升力。

(7) ROV：监测安装过程，如有必要可协助打开水下设备的折叠机构。

2.2 采用S型铺设安装的水下设备的特点

(1)结构的尺寸大小需确保能通过铺管作业线，主要受张紧器张开尺寸等限制。因此采用S型铺设安装的水下设备的整体尺寸较小，或需设计为可折叠型机构[2](图2)。

图2 可折叠的水下管端设备Fig.2 Foldable underwater pipe end equipment

(2)需设计可悬挂辅助浮筒的吊点：浮筒主要用于抵抗管道铺设过程中的残余扭转，并为水下设备提供浮力以避免受载过大。

(3)如有必要，水下设备外部需有保护结构避免与托管架滚轮碰撞造成损坏。

2.3 计算分析方法

水下设备S型铺设安装计算分析通常采用有限元软件数值模拟的计算分析方法，主要计算流程包括[4-7]：

(1)根据海底管道铺设要求和船舶资源的能力，选择合适的张紧器张力和托管架曲率半径。

(2)在计算软件中构建安装系统中各个组成部分的模型，主要包括：船舶、张紧器、托管架、海管、水下设备、浮筒等。

(3)施加环境载荷、张紧器张力等载荷条件，计算海底管道和水下设备的响应情况。

(4)计算水下设备在船艉和托管架上不同位置所受的载荷情况。

(5)选取步骤(4)中的最恶劣载荷工况，校核水下设备结构强度。

(6)可进行多次计算，筛选合适的环境窗口。

(7)提取水下设备在安装过程中所受张力和弯矩，校核结构强度。

对于不同的计算软件，计算模型的建立和计算过程可能会略有区别。

2.4 常用计算软件

针对水下设备S型铺设安装分析，国际上常用的计算软件主要包括：

(1)OFFPIPE。经典的专业S型铺设分析软件，简单快速，没有图形界面。

(2)PipeLay(图3)。具备图形界面的专业S型铺设分析软件，建模、计算简单快速。

图3 PipeLay软件计算界面Fig.3 Calculation interface of pipelay software

(3)OrcaFlex(图4)。三维动态时域分析软件，可建立复杂模型。

图4 OrcaFlex软件的计算界面Fig.4 Computing interface of OrcaFlex software

(4)ANSYS。通用有限元分析软件，建模复杂，灵活性高。

(5)ABAQUS。通用有限元分析软件，建模复杂，灵活性高。

每个软件的特点各有不同，需要结合具体项目要求选用。

3 结束语

在采用S型铺设安装海底管道的项目中，为了能够节省时间和成本，水下在线设备和管端设备通常也采用S型铺设方法进行安装。水下生产设备的海上安装作为最为复杂的工况载荷之一，对其结构设计具有至关重要的影响。水下设备S型铺设安装方法涉及设备资源较多，安装流程和计算分析也较复杂。国内在S型铺设水下设备方面的经验较少。文章总结了水下设备S型铺设安装方式的特点以及所需的安装设备，并重点介绍了计算分析技术和计算软件，对于类似项目具有一定意义。