深水钢悬链线立管安装回接技术国内外现状

2022-01-05石锦坤段立志

中国海洋平台 2021年6期

方霖，高原，石锦坤，杨盛，段立志

(深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518054)

0 引言

钢悬链线立管(Steel Catenary Riser，SCR)在国外应用于海洋油气开发已有超过20年的历史[1]。SCR具有结构简单、安装建造成本较低、对浮体运动有较大适应性、适应高温高压工作环境等特点，广泛应用于墨西哥、西非等地深海油气田开发，适用于各类型平台，适用水深达3 000 m[2]。

国内对深水SCR技术的研究起步较晚，尚无实际工程应用记录[3]，但有望于近年在陵水17-2气田开发中得到实际应用。国内研究涉及SCR设计及安装的诸多方面，如尺寸设计、结构强度、涡激振动、疲劳分析、安装技术等。

通过文献研究，对国内SCR安装回接相关工作进行介绍和分析，并结合国内SCR发展趋势，提出几点建议。

1 SCR构成及安装回接概述

SCR的结构构成随设计的不同而不同，主要包括柔性接头(或应力接头)、柔性接头延伸管、SCR管体等。其中，柔性接头上端为法兰，在SCR安装及拆卸时可连接SCR拖拉头，在SCR回接至悬挂结构后可连接其他管线。柔性接头及其延伸管组装在一起，一般由专业厂家制造提供；SCR管体为多段钢管焊接，管段一般由工厂预制后运至现场，为防止涡激振动，SCR管体上需安装螺旋列板。图1和图2分别为典型SCR构成示例和实物照片。

图1 SCR整体构成示例

图2 SCR实物(柔性接头端)

SCR安装回接主要包括铺设过程和回接过程。其中：铺设过程基本与常规钢制硬管的铺设相同，不同之处在于存在SCR首末端安装差异及增加螺旋列板安装；回接过程则涉及SCR最终安装至各类型目标平台。根据安装方法的不同，铺设过程可能涉及铺设后的海底湿存，从而相应地涉及回接之前海底的回收工作。

根据海洋环境特点、回接平台类型等因素的不同，SCR安装回接后的设计形态也有多种类型，包括简单悬链线立管、缓波形立管、陡波形立管和L形立管等4种基本形式，如图3所示。

图3 SCR基本形式示例

2 国外SCR近年安装回接技术概述

Heerema Marine Contractors公司在2008年采用起重船进行某张力腿平台8根SCR的回收安装，油田位于墨西哥湾，水深为1 350 m[4]。8根SCR外径范围为6～16英寸(1英寸=0.025 4 m)。在安装过程中，SCR预铺设、水下传递、悬挂回接等过程采用创新技术：使用焊接马眼连接钢丝绳(见图4)；采用液压卸扣等新工艺；设备选型和索具设计均有借鉴意义。

图4 焊接马眼连接钢丝绳

Genesis Oil and Gas公司在2014年对钢质缓波形立管(Steel Lasy Wave Riser，SLWR)及常规型SCR进行基于强度及疲劳性能的对比分析[5]。对SLWR还进行基于安装步骤的模拟分析，提出适合墨西哥湾的一种SLWR安装方案。方案中，SLWR和常规型SCR回接在2个Spar平台的I形套管上，水深均约1 500 m。SLWR和常规型SCR有2种安装方式，一种是首端安装回接，另一种是末端安装回接。在首端安装回接中，SCR首端连接牵引缆，通过牵引缆回接至平台后，开始进行SCR铺设。在末端安装回接中，首端连接静态海管进行铺设，末端湿存海底后，回收安装回接。

Subsea 7公司在SCR安装方面有着丰富的施工经验，对S-Lay、J-Lay和Reel-Lay等3种方式的SCR安装技术均较为成熟。Subsea 7公司的J-Lay和Reel-Lay技术最早可追溯到2000年的巴西Roncador项目。在2009年的BC-10项目中，Subsea 7公司安装了钢质缓波形立管，提出改善SCR疲劳问题的一种新构型。在2014年Santos盆地的超深水项目Sapinhoa和Lula NE项目中，Subsea 7安装了27根SCR，并将普通SCR形式升级为浮体支撑立管(Buoy Supporting Riser，BSR)形式(见图5)，从而克服超深水SCR安装的挑战[6]。在2016年的Coulomb项目中，Subsea 7公司安装1根SCR，在平台悬挂模块上采用1套卡子系统，该卡子系统为对称式结构，内部有齿状构造，通过这种齿状构造克服SCR悬挂张力，这与传统的SCR悬挂卡子有明显不同[7]。

图5 Sapinhoa和Lula NE项目BSR模型

3 国内SCR安装回接方法

3.1 SCR安装回接方法分类

国内学者提出SCR常用的安装方法主要有预铺设法(pre-lay)、后铺设法(post-lay)和后建造法(post-construct)[8]。其中：预铺设法与后铺设法的区别在于平台安装与SCR铺设的先后顺序；后铺设法与后建造法的区别在于SCR铺设相对于平台的起始方向。预铺设法：SCR铺设湿存于海底后再进行平台安装，最后将SCR回收并回接至平台。后铺设法和后建造法：平台安装就位后再进行SCR安装回接，后铺设法SCR自平台远端开始铺设，后建造法SCR自平台近端开始铺设。

3.2 SCR安装回接过程划分

国内学者对SCR安装各阶段的叫法不尽相同，但内涵一致；在安装过程中，索具的叫法也不尽相同，有吊缆、A&R缆、索具等，均可理解为SCR安装回接索具或其构成部分。

对于预铺设法，SCR安装回接过程一般分为铺管、末端弃放、海底提升、穿越拖拉、悬挂等5个步骤。SCR海底提升过程分为移船和收缆同步进行的耦合方案，以及移船和收缆不同步的非耦合方案。在这5个步骤中，铺管和末端弃放可理解为SCR铺设湿存于海底的过程，海地提升、穿越拖拉和悬挂可理解为SCR回收回接的过程。

也有学者将SCR整个安装过程分为铺设阶段、提管阶段和移管阶段[9-10]。其中：铺设阶段为SCR铺设湿存在海底的过程；在提管阶段，SCR端部与吊缆相连，通过移船和收缆从海底回收；移管阶段为SCR从安装船转移至平台回接悬挂的过程。这种安装过程的划分与预铺设法5个阶段的划分一致。相对而言，前者划分方法较后者更为具体。

3.3 SCR安装回接总体安装方案

SCR铺管过程中，管体与常规海管起始铺设过程不同，起始铺设后的流线段管体铺设与常规海管相同。SCR安装回接的一种铺管方法为直接铺管法[11]。SCR与生产管道相连，安装船在一端下放安装管道终端至海底目标位置后，铺管船进行生产管道和SCR的铺设安装。直接铺管法连接过程划分为4个步骤，包括：立管在铺管船上与管汇连接；管汇安装船与铺管船协调工作，铺管船驶离安装船，铺出立管；立管与管汇同时下放至海底；管汇与海底基座连接。直接铺管法可用于预铺设法和后铺设法的SCR管体铺设，可作为后建造法的参考。

SCR回接过程中，一种形式是穿越平台完成安装回接工作，是SCR安装回接技术的难点。国内有基于Spar平台的SCR穿越转移方法的研究，可总结Spar平台SCR穿越转移方法的步骤如下：SCR柔性接头回接至安装船作业平台上临时悬挂，拆除柔性接头保护罩，安装拖拉头等穿越转移工具，并移船靠近平台；安装船下放SCR拖拉头至一定水深，遥控无人潜水器(Remote Operated Vehicle，ROV)水下连接Spar平台拉入缆与SCR拖拉头；安装船继续下放SCR拖拉头至一定水深，SCR载荷主要由安装船SCR索具承担；回收平台拉入缆，SCR载荷逐渐由安装船SCR索具转移至平台拉入缆；ROV解除安装船SCR索具连接，完成SCR穿越转移工作[12]。

SCR回接过程中，另一种形式是直接在平台同侧进行悬挂回接，完成安装回接工作。回接悬挂的研究基于桁架式Spar平台，有两种方式：(1)通过拖拉管将SCR拉入，在Spar甲板上采用法兰将SCR与平台上的硬管相连接；(2)将SCR接头与Spar上的接头座相连接。也有研究基于半潜式平台，采用起重机配合绞车牵拉直接将SCR接头安装于接头座[13]。

3.4 SCR安装回接设备

有学者对SCR采用S-Lay铺管方式，在安装过程中对托管架的受力进行研究，建立托管架与SCR相互作用的局部有限元模型，分析轴向张力、托管架曲率、辊轴夹角对立管应力和辊轴反力的影响，对托管架滚轴受力、立管受力、托管架滚轴夹角设置、托管架曲率设置得出具有参考意义的结论[14]。

比较深入的一项研究是对国内采用S-Lay铺管方式的铺管船进行新增舷侧SCR安装系统的设计研究[15]。将SCR的安装方法、作业船和南海海况相结合，论证舷侧SCR安装系统的可行性。系统由主塔架、快速连接器、SCR固定系统、A&R绞车缆控制系统、导向滑轮等模块组成。针对这套舷侧系统进行SCR预铺设、后铺设法安装回接方案的设计，并进行水池缩尺比模型试验，论证该系统进行SCR安装回接工作的能力。

4 国内SCR安装回接分析

4.1 国内SCR安装分析概述

国内SCR安装回接分析主要针对SCR安装的某些过程进行，如SCR铺设过程、从安装船转移至目标平台过程、弃管回收过程，这些大多属于整体层面上的研究。研究对象以管径为10英寸的SCR居多，最大达14英寸。分析的铺管方式有S-Lay和J-Lay两种，研究水深为1 000～3 000 m，其中，1 500 m水深的研究较多。

安装回接影响因素有SCR自身参数(如管径壁厚)、注水状态、环境参数(水深、波浪和海流)，安装回接过程中SCR自身及索具的受力，适宜SCR安装回接作业的天气窗口，以及涉及的设备选型工作等。

4.2 SCR安装强度分析

在基于S-Lay的SCR安装强度分析中，有学者[16]基于Spar平台和S-Lay铺管船，进行SCR安装的静态及动态模拟，模拟水深为1 500 m，研究SCR安装回接过程中的应力、张力及疲劳问题。研究结果表明：在铺设阶段，最大等效应力峰值出现在托管架区域；在提管阶段，最大等效应力峰值出现在立管顶端与吊缆相连位置；在移管阶段，最大等效应力峰值出现在SCR触地点区域。

基于J-Lay的SCR安装强度分析的文献[17-21]则较多，研究水深最深达3 000 m。研究结果表明：在铺设阶段，立管最大等效应力峰值出现在立管顶部和触地点附近位置，触地点之前及之后的最大等效应力都急剧减小；在移管阶段，立管最大等效应力峰值在立管触地点附近位置。在SCR下放过程中，有效张力逐渐增大，在SCR末端到达井口时达到最大值，在SCR继续下放至海床上时明显减小，最大有效张力出现在SCR顶端。外径为355.6 mm(14英寸)、壁厚为25.4 mm、材质为API 5L X65的SCR，在模拟水深为 1 200 m的条件下，SCR焊点处允许疲劳时间达5 d。

4.3 作业天气窗口及其他影响因素分析

SCR铺设安装作业窗口可通过安装分析确定，而确定的依据归结于特定作业天气窗口下SCR自身及设备索具的受力问题,如SCR管线的最大弯曲应变和最大等效应力，以及安装船上用于作业的绞车受力、平台上的穿越钢丝绳及牵引缆等设备索具承受的张力，进而可进行设备选型校核。

国内学者研究发现，在SCR安装回接过程中，水深、波浪、海流、铺管船运动和注水状态均是SCR铺设的影响因素。在水深越大的情况下，SCR在水中悬链线长度越长、质量越大，SCR顶部应力和张力也就越大。在SCR铺设及穿越平台转移过程中，注水工况的管体弯曲应变在整体上大于空管工况。海流对空管工况下SCR穿越转移的影响大于注水工况。波浪载荷会显著增加SCR最大弯曲应变，波浪波高、周期及浪向均对SCR安装回接过程的受力产生影响。迎浪及随浪的影响较小，适宜作业天气窗口较高，横浪影响较大，适宜作业天气窗口较低。波浪谱峰周期在一定范围时，适宜作业天气窗口较低；作业窗口与安装船运动特征有关，安装船垂向运动越显著，作业窗口越低。SCR弃管回收时，注水工况下的弯曲应变大于空管空况。随着SCR逐步回收，SCR弯曲应变会逐渐增加。

5 国内SCR安装回接技术工作建议

国内SCR海上安装回接技术的实际应用离国外先进技术仍有一定差距。安装回接设备的开发研究较少。后续可针对薄弱环节展开相关研究工作。比如：(1)SCR安装回接关键环节方案研究，包括海上施工关键环节详细方案的研究、相应细节处理方案优化、实际海上施工设计和计算分析工作等；(2)安装回接辅助构件的研制，包括深水SCR面临安装船舷侧临时悬挂问题、SCR柔性接头回收至悬挂平台问题等；(3)SCR安装回接索具设计，包括SCR载荷在安装船索具和平台索具之间的传递问题；(4)深水SCR索具采用ROV实际操作难度较大等问题；(5)SCR安装回接成套设备研发配置，包括船舶资源、ROV资源、不同铺管方式的SCR安装铺设系统等。