受限海域海底管道搬管技术

田 震,柴昕辰,郝清晏,焦冬梅,李亚南,陈金铭

海洋石油工程股份有限公司,天津 300461

随着海上油气田的逐年开发，油气田密集程度逐渐增加，油气田配套的海底管网布置也更加复杂，留给后续新开发油气田海底管道和电缆的布置空间也越来越小。在设计一条新的管道路由时，由于已存在海底管道和电缆的影响，新设计的路由需充分考虑所申请海域的使用情况，这会导致设计路由的灵活性受限。另外，由于油气田已有设施（如导管架）的存在，铺管船沿设计路由进行海管铺设施工时，起始铺设或终止铺设时铺管船可能与导管架存在干涉。若存在上述施工条件受限的情况，进行实际海底管道铺设施工时一般会先偏铺，即偏离原来设计路由一定角度进行铺设，偏铺完毕后再倒船回来进行搬管，即将海底管道搬回设计路由[1-3]。

相比于南海和东海，我国渤海海域开发较早，海上已有设施如导管架、平台、海底管道和电缆较多，因此新铺海底管道设计路由受限的情况较常见，搬管作业也较多。早期搬管作业通常以经验为主，弃管完毕后船长或施工总监根据弃管封头与设计终止点的距离，调整船位至合适的搬管锚位，由船舷侧的舷吊将海管拖拉至设计路由，或直接由船舷侧的钢丝绳拖拽海管至设计路由，这种由经验主导的方法存在诸多缺陷，如不能拖拉至准确的位置、海管存在屈曲风险等，随着我国海洋石油工程行业的发展，这种方法逐渐被淘汰，目前进行搬管作业前通常会给出具体的搬管方案和理论计算结果，以指导施工[4-6]。本文以渤海某油田海管铺设施工过程中的搬管作业为例，给出整个搬管作业的施工流程和相关计算结果，并分析了施工过程中的关键点与风险点，本研究工作可为以后类似搬管施工项目提供借鉴。

1 主要设备及作业条件

1.1 船舶及设备

搬管作业主要用到的船舶设备为舷吊，汇众301船舷吊布置如图1所示，每个舷吊的有效拉力为200 kN。为应对搬管距离较长的情况，需在海管管头附近位置增加简易绞车以稳定管头，保证海管管头不会插入泥土中，简易绞车的有效拉力为50 kN，结构如图2所示。舷吊主体结构如图3所示，钩头部分通过一个动滑轮和一个定滑轮与搬管的索具相连接，其中动滑轮可360°全旋转，防止海管提升过程中带来额外的扭矩，背拉钢丝绳通过甲板上的导向滑轮与动力绞车相连接，根据需要可成一定角度进行导向，操作空间较为灵活。舷吊的其他受力点通过焊接形式与甲板主体相连接，若有其他特殊情况可随时切割，保证安全性和灵活性。

图1 汇众301船舷吊布置示意

图2 简易绞车结构示意

图3 舷吊主体结构示意

1.2 作业人员与海况条件

搬管作业涉及到船上甲板人员、潜水人员、锚机操控人员的多方协作，对海况及天气窗口要求较高。潜水人员主要负责水下搬管吊带索具等辅助工具的连接和拆除，需等待平潮期下水作业。渤海大多数海域属于半日潮，潜水员一天之内可下水两次，每次最多持续5～6 h。当搬管的距离较长时，一个平潮期无法完成所有连接和拆除工作，在等待下一个平潮期间需保证水下搬管辅助工具的完整性和有效性；同时，若遇到大风天气，主作业船需现场避风或锚地避风，潜水员不具备下水条件，因此潜水作业条件或作业窗口的选择尤其重要。

1.3 作业船舶与海况条件

本次搬管作业的主作业船为汇众301船，其具有12个工作锚，锚缆直径76 mm，具有较强的抗风能力。正常铺设的海况条件为风速V≤13.8 m∕s，有义波高Hs≤2.0 m，波峰周期6.0～12.0 s；现场天气待机的海况条件为风速13.8 m∕s＜V＜ 22.7 m∕s，有义波高2.0 m＜Hs＜4.0 m。渤海海域的涌浪周期一般为6～7 s，不超过8 s，汇众301船在8 s周期、2 m有义波高的海况内能正常进行作业，因此在满足天气条件的情况下，搬管作业的作业条件主要取决于当时的潮汐情况。

2 搬管计算分析

本节以渤海某油田扩建项目为例，先对搬管作业进行计算分析。铺设海管的主要参数如表1所示，作业海域的主要环境参数如表2及表3所示。该海域相对水深（C.D.）为18.6～19.2 m。计算采用Offpipe软件，搬管计算分析参考DNV-OS-F101：2005标准[7]。搬管纵向距离为267 m，横向距离为23 m，如图4所示。由于搬管距离较长，根据试算结果，选用5个3 t浮袋提供额外浮力，浮袋及舷吊位置的侧向图如图5所示。另外，当搬管距离不是很长时，单靠船舶本身的舷吊能力即可将偏铺的海管搬回原设计路由，即不需要浮袋。

表1 海底管道主要参数

表2 波浪、流主要极值

表3 设计水位参数

图4 海管偏铺示意

图5 汇众301船舷吊及浮袋位置的侧向示意

搬管计算分析结果如表4所示。由表4可知，总过程共分20次提升，每个舷吊经过4次提升即可将海管提升到满足横移（横移船位到设计路由上方）的高度。其中1号舷吊提升20 m（6 m+4 m+4 m+4 m+2 m），2号舷吊提升18 m，3号舷吊提升16 m，4号舷吊提升15 m，此时4个舷吊总共将海管提升离开海床的长度为268.03 m，大于偏铺长度267 m，满足需求。海管提升完毕后的侧向图如图5所示。横移到设计路由上方后即可将海管缓慢下放到海床上，下放过程与提升过程完全相反。

表4 搬管计算分析结果

提升过程中4个舷吊的受力情况如表4所示，可以看出每个舷吊的最大受力不超过60 kN，而舷吊的有效能力为200 kN，显然满足要求。整个海管提升过程弯矩最大的步骤为第14步，根据规范，其载荷校核结果如表5所示，满足要求。每次提升过程中海管的轴向力及最大应变均满足规范要求。

表5 海管载荷控制校核结果

3 施工过程及关键点分析

本次搬管作业区域为渤海秦皇岛某油田群，现场实际搬管过程分为以下几个步骤。

（1）准备工作。提前准备好所有搬管施工的物料、机具。

（2）作业船就位。汇众301船按照搬管锚位图进行就位，船舶吃水为7.5 m。

（3）搬管前潜水调查。调整船位至合适的位置，潜水员进行潜水调查，获取已偏铺管道的实际位置及形态。

（4）安装浮袋。在平潮期间，潜水员下水将搬管的浮袋绑扎在设计位置，本次作业的安装位置及数量见图5。

（5）安装起吊索具。调整船位至设计位置，提前在甲板上将舷吊连接海管的索具配置好，潜水员下水将吊带连接到海底管道上（通常绕海底管道一圈，然后用卡环连接）。

（6）搬管。潜水员离开海底管道一定的安全距离。连接舷吊与海底管道的索具，施加10 kN拉力，预紧索具。潜水员检查索具连接的完整情况，符合要求后按照计算报告逐步起吊。船长、大副及舷吊现场工程师需保持良好沟通。

经大副确认后，1号舷吊操作者按计算报告施加相应的提升力，然后2号舷吊操作者依次类似操作。期间各操作者与大副保持良好沟通。每次舷吊提升后，操作者记录钢丝绳卷入滚筒的实际长度及张力，并与计算报告对比。若发生明显差异，应停止操作，逐步下放海底管道至原位置。详细的提升步骤见表4。

海底管道提升完毕后，根据水深及铺设精度，微调卷入滚筒的钢丝绳的长度，以获得适合搬管的高度及角度。

（7）移动及下放。舷吊保持收紧状态，汇众301船移船，移动到设计路由后释放舷吊上的钢丝绳下放海底管道。移动过程中可能会发生应力及应变的变化，现场工程师应根据实际情况调整起吊高度使得其控制在许可范围内，海底管道放到海床后缓慢释放应力。

（8）搬管后调查。搬管完毕后，潜水员下水调查管道的实际位置。通常潜水人员带着信标（一种定位设备）沿着搬完的海底管道进行实际位置复测，以查看搬管精度是否满足要求。潜水员会选择几个有代表性的点进行位置测量，并反馈给现场工程师。若不符合要求则重新进行起吊，微调船位，直至符合设计铺设精度。

（9）移除搬管辅助设备。经调查符合精度要求后，潜水员移除水下所有的搬管辅助工具，包括索具及浮袋等。

本次搬管作业中实际复测与设计路由的对比如图6所示。可以看到，搬管精度满足设计要求（本项目设计阶段的铺设精度为距平台500 m±5 m范围内）。应该明确的是，由于铺设精度、定位精度、操船偏差等因素的影响，搬管作业不可能将海底管道完全复原到设计路由，但能保证整体路由的精度。

图6 搬管后海底管道路由与设计路由对比示意

4 结束语

随着海洋油气资源的不断开发，海上油气设施的密集程度也逐渐加大，这给新建海底管道的铺设带来一定的限制。搬管作业在海域空间受限情况下的应用较多，一个切实可行的搬管方案通常需要多方协作完成，同时还需考虑天气、潮汐等环境条件。本文从理论计算、实际现场施工两方面详细阐述了搬管作业的整个实施流程，并指出了其中的关键点，以期为后续类似项目的施工提供借鉴。