较深水柔性软管垂直铺设安装模拟

叶永彪，方 霖，石锦坤，檀晓光，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

柔性软管具有可设计、易弯曲、易铺设、可回收、开发更经济、更适应海洋环境等特点,是海洋油气开发工程重要的基础设施之一[1]。柔性软管在国外已广泛用于浅水、深水及超深水油气开发，在国内也已有近30 a的安装应用历史，且国产软管也已实现自主研制并投入使用[2-3]。海底软管的铺设安装可分为水平铺设和垂直铺设两种形式：水平铺设方式主要用于浅水铺设；垂直铺设方式主要用于深水铺设。铺设方式的选取主要取决于铺设装备能力及软管自身抗侧向挤压能力[4]。

随着国内海洋油气开发走向深水，国内一些深水开发项目提上日程，柔性软管垂直铺设技术实现工程应用的需求与日俱增[5]。经过技术攻关，国内在近年的文昌9-2/9-3/10-3气田群开发项目中，成功实施了柔性软管海上垂直铺设。在该柔性软管铺设方案的制定中，安装计算分析发挥着重要的作用，直接计算得出了软管及构件的受力情况，确定适合海上施工作业的天气窗口，并在设备选型、辅助结构设计制造、吊索施工机具选取上提供了关键依据。

1 软管垂直铺设工作概述

软管垂直铺设工作所在的文昌9-2/9-3/10-3气田群开发项目，其气田群水深为110～150 m，位于中国南海西部。软管垂直铺设作业船为国内一艘最大作业水深为3 000 m的多功能工程船舶[6](见图1)。船主甲板以下舱内配备2 500 t卷管盘(见图2)，用以存储软管；主甲板以上月池附近配置325 t垂直铺设系统(Vertical Lay System，VLS)，该系统包括旋转塔轮、服务起重机、垂直张紧器、回收弃置绞车、管槽及压管器等关键设备(见图3)，可实现软管垂直铺设，软管下水采用月池下水方式。船上另配置2台不同规格起重机、2台遥控无人潜水器(Remote Operated Vehicle，ROV)(见图4)及多台不同规格的绞车，这些设备在软管海上垂直铺设中都发挥着关键作用。

图1 软管垂直铺设作业船

图2 作业船舱内卷管盘模型

图3 作业船VLS

图4 作业船ROV

项目共有2根软管需要铺设。一根为6英寸(1英寸=0.025 4 m)软管，铺设水深约120 m，总长为18.25 km，由11个软管分段构成，全部为国产软管。另一根为8英寸软管，铺设水深为117～145 m，总长为20.90 km，由16个软管分段构成。

在铺设方式上，6英寸软管的前8个分段采用水平方式铺设，分段间采用焊接方式连接，后3个分段采用垂直铺设方式铺设，分段间及分段与前8个分段末端采用法兰连接方式或焊接方式连接。8英寸软管分段全部采用垂直铺设，分段间采用法兰连接方式连接。6英寸软管垂直铺设是公司国内首个软管垂直铺设工程，本垂直铺设安装计算分析基于6英寸软管展开。图5为文昌9-2/9-3/10-3项目软管分段及连接示例。

单位：km图5 文昌9-2/9-3/10-3项目软管分段及连接示例

软管垂直铺设的过程主要包括软管首末端甲板处理、首端起始铺设、正常铺设及末端铺设。首末端甲板处理主要是软管分段首末端从舱内卷管盘导出、牵引穿越VLS至月池处进行与其他分段的连接及阳极等附件的安装工作。首端起始铺设工作主要是软管首端入水后铺设至海床的工作。正常铺设工作主要是软管首端及附近一段软管铺设至海床后软管保持一定悬链线形态进行的铺设工作，包括含中间接头的正常铺设及不含中间接头的正常铺设，在正常铺设过程中由于设计存在甩弯路由，因此存在软管甩弯铺设。末端铺设工作主要是软管末端铺设至海底设计位置的工作。软管首末端的回接工作采用饱和潜水作业进行，不在安装计算分析研究范围内。

2 初始参数及模型基础

2.1 软管基本参数

文昌9-2/9-3/10-3气田群开发项目6英寸软管参数如表1所示。软管在铺设过程中内注淡水。

表1 软管参数

2.2 环境参数

在软管安装数值模拟分析中，考虑的环境参数主要有水深、海水密度、海浪、海流、潮汐、海床摩擦力、海床刚度，水深较深时可不考虑潮汐潮位的影响。所采用的环境参数如表2所示。

表2 环境参数

表2中：波浪方向的定义，船舶随浪为0°、迎浪为180°；海流流向的定义，与铺设方向相同为0°、相反为180°，在实际模型中定义方向需结合艏向进行调整。模拟中采用一年一遇海流的结果，对于海上施工偏于保守。

2.3 接受准则

安装数值模拟的一个重要目的是预报适合海上施工作业的天气窗口，由于安装过程中采用一年一遇海流，天气窗口可表征为软管安装不同施工阶段下的允许海上作业的最大波高。确定天气窗口需依据张紧器、绞车、索具、软管力学性能、软管与船舶间隙等因素确定，这些因素的极限就是接受准则。安装分析的接受准则如表3所示。

表3 接受准则

表3中，张紧器、绞车等设备及索具的受力接受准则最终体现于允许的软管安装张力极限。

2.4 模型基础

软管垂直铺设安装计算分析基于OrcaFlex软件，需要用到该软件自带基本模型进行整个铺设系统的建模，基本模型主要有船模型、线模型、浮块模型、绞车模型、连接模型、形状模型等，这些基本模型的特点及作用如表4所示。

表4 OrcaFlex基本模型说明

3 软管垂直铺设安装计算分析

3.1 甲板处理模拟分析

在文昌9-2/9-3/10-3气田群开发项目中，软管甲板处理过程指软管从甲板下方舱室卷管盘倒出，通过VLS倒至月池上方进行阳极等配件安装及测试的过程。安装分析针对软管首末端甲板处理工作进行静态模拟分析，确定软管、起重机、绞车及各索具构件(吊带、卸扣、拖拉网套)的静态受力，在此基础上考虑1.5倍动态效应，进行设备及索具能力评估及选型工作。甲板处理过程模拟部分静态步分析模型如图6所示。

图6 软管垂直铺设甲板处理模型

3.2 首端起始铺设模拟分析

6英寸软管垂直铺设首端起始铺设有多种安装方案，最终施工方案为垂直铺设段首端下放至水平铺设段末端处后，开始垂直段独立铺设。首端经过甲板处理倒至月池盖上方，安装阳极等配件后，连接配重块，VLS张紧器输出软管将软管首端的配重块经月池下放至海床上。张紧器继续输出软管并进行移船操作，使软管首端落至海床上，按照软管首端铺设路由，完成软管首端起始铺设。首端起始铺设过程进行了静态及动态模拟计算分析，如图7所示。

图7 软管垂直铺设首端起始铺设模型

3.3 正常铺设模拟分析

在软管垂直铺设过程中，软管分段需要在月池处连接后再进行铺设，因此正常铺设过程包括含中间接头连接及不含中间接头连接等2种情况。相对于无中间接头的正常铺设，含中间接头的正常铺设难度更高，安装模拟分析也更为复杂，主要原因在于中间接头刚度大且长度较长，软管铺设至海床时中间接头两侧软管管体容易过弯。

对不含中间接头的正常铺设安装进行计算分析，进行30 m、35 m、40 m、45 m、50 m共5种Layback(软管触泥点至月池中心水平间距)的模拟计算。对含中间接头的正常铺设进行40 m、45 m和50 m共3种Layback的静态及动态模拟计算。模拟分析以40 m Layback为研究对象，针对中间接头海底铺设过程，进行多个静态步模拟，根据最小弯曲半径和最大软管顶张力筛选关键静态步，并对45 m、50 m Layback类似的关键静态步进行建模和动态计算。不含中间接头的正常铺设每个Layback模拟一个静态步，每个静态步都是关键静态步。正常铺设分析模型如图8所示。

图8 软管垂直铺设正常铺设模型

3.4 末端铺设模拟分析

软管末端铺设跟随40 m Layback正常铺设进行。为计算下放软管末端的回收弃置绞车最大受力，末端铺设的模拟始于软管末端接头通过VLS张紧器之前。VLS回收弃置绞车在张紧器打开后，将软管末端下放至甲板月池悬挂，进行阳极块安装等工作；回收弃置绞车将软管末端下放一定水深，下放起重机；经过索具连接、起重机及回收弃置绞车操作，将软管末端转移至起重机上；移船及操作起重机，将软管末端沿设计路由铺设至目标平台立管下方软管末端连接法兰附近。末端铺设分析模型如图9所示，对回收弃置绞车受力最大的关键静态步进行动态分析。

图9 软管垂直铺设末端铺设模型

3.5 计算分析结果

根据软管垂直铺设安装计算分析及软管垂直铺设筛选指标，可得到软管各安装阶段计算分析结果，可直接用于施工指导，如表5和表6所示。其中，表5结果可用于作业海况的选取，表6结果可用于设备、与设备连接索具的能力校核及选型。

表5 软管垂直铺设安装允许海况及相应软管受力

4 结 论

文昌9-2/9-3/10-3气田群开发项目成功实施的较深水柔性软管垂直铺设工作中，安装计算分析结合软管垂直铺设船舶及设备，进行了良好的数值模拟，得到软管垂直铺设允许安装作业海况及软管、设备施工机具受力结果，对软管铺设过程的完整性保障及设备施工机具选型提供了有力依据。就计算分析结果而言，可得到以下结论。

(1)在软管垂直铺设整体过程中，在适宜作业条件下，允许作业海况达1.5 m波高。其中，首末端铺设允许作业海况达2.0 m波高，水深45～50 m Layback的正常铺设允许作业海况达1.5 m波高。

(2)在软管不含中间接头铺设过程中，正常铺设允许作业海况最高达3.0 m波高，高于首末端铺设；在含中间接头铺设过程中，正常铺设允许作业海况最高达2.0 m波高，与首末端铺设相同。这说明中间接头的存在降低了正常铺设的允许作业海况波高。

(3)在不同铺设Layback下的软管正常铺设作业中，含中间接头的正常铺设仅在水深45～50 m Layback条件下具备较高允许作业海况，而不含中间接头的正常铺设则在水深30～50 m的范围内仍具有较高允许作业海况。这说明中间接头的存在降低了正常铺设可用Layback的范围。

(4)在软管安装过程中最小弯曲半径及软管与船体间隙为影响允许作业海况的主要因素。随着Layback的增大，软管正常铺设的最小弯曲半径也增大，这对保障铺设过程软管的完整性有利。但随着Layback的增大，软管与船体间隙减小，软管与船体碰撞的风险增大，软管铺设允许的作业海况相应降低。这说明软管垂直铺设所需的Layback须设定在合理范围，过小或过大的Layback均不利于软管垂直铺设工作的实施。

(5)在相同Layback条件下，含中间接头软管正常铺设的最小弯曲半径小于不含中间接头软管正常铺设的最小弯曲半径，允许作业海况也较低。这说明中间接头的存在增加了铺设过程软管过弯的风险，在软管设计中应尽可能不用或少用中间接头。