海底管道及膨胀弯海上安装效率分析研究

冯爱民，张 璐，董兆佳，韩延波，左 胜

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.深圳海洋工程技术服务有限公司，广东 深圳 518067)

0 引言

海上石油和天然气的开采，以海上固定或浮式平台为开采和处理设施，以海底管道为传输载体，将海底开采的石油和天然气资源源源不断地送至陆地终端。海底管道是海上油气田开发生产系统的主要组成部分，也是最快捷、最安全和经济可靠的海上油气运输方式[1]。除海底管道登陆段、浅滩和极浅海域外，一般采用铺管船法进行海底管道的铺设。以钢制海底管道为例，在铺设之前，海底管道在陆地经过涂敷、配重后，用驳船运输至铺管船上；进行海底管道铺设过程中，先将分段海底管道在铺管船上进行逐段地组装、焊接，待检验合格后，在铺管船向前移动时，从船尾部的托管架上滑入海中，在靠近平台侧，安装膨胀弯以连接海底管道和平台立管；同时，为增加在位坐底稳定性，减少渔业活动对裸露海底管道的影响，还要进行挖沟填埋处理。

在一般海域中铺设一条海底管道需要一支由铺管船、挖沟船和多条辅助作业的拖船，如海底管道运输船、交通船、物料补给船等组成庞大的专业船队。船队的费用是海底管道施工中的主要费用，由于这一费用较高，使海底管道施工费用比陆上同类管道要高2倍左右。因此，针对海管铺设的各项影响因素提出改进措施，提高海底管道的铺设效率，缩短铺设船天，成为降低海底管道投资建设的主要途径。

1 效率影响因素及应对措施

1.1 效率影响因素

海管铺设及膨胀弯安装的效率影响因素主要包括天气和海况因素、人员和返修因素、船舶和设备因素、设计和方案因素。

(1)天气和海况因素包括因季节气候所带来的涌浪和短时天气产生的大风、大雾等。涌、浪、风等导致船舶在海上施工期间失去稳性并有可能对海管的完整性产生破坏，同时人员晕船也导致焊接难度增加，直接降低施工效率[2-3]。大雾降低了能见度，影响了海上施工人员的视野范围，一些海面以上的大型施工作业需要待机等待雾散。

(2)人员和返修因素，包括施工人员的技术水平和熟练程度。技术水平不仅关系到施工效率，还影响到施工合格率。技术水平较低的人员，不仅速度慢，而且会因为返工导致重复作业，增加施工周期。长时间和重复性的作业，会让施工人员产生倦怠心理，这种心理逐渐地让施工人员无法专注投入施工作业中，从而降低施工效率[4]。

(3)船舶和设备因素，其中船舶待机，比如因为管理沟通不善，施工船舶在进入施工现场时，其他船舶还未完成作业，使工作不能按期开展，因受到其他船舶的干涉产生待机。而设备待机指位于铺管船上的施工作业线出现故障，其中出现故障率最大的为对中器和坡口机，一旦设备出现故障，使生产线某个环节暂停，会导致海管焊接作业线整体停滞。

(4)设计和方案是施工的前提，直接关系到工作量和施工难度。施工方案是在原有开发建设方提供的基础资料和数据下，根据既定的输入条件，如船舶、海管参数等，进行研讨和设计。不同的方案下，施工量会有较大差异，例如海管路由的选择，不同的路由方案直接影响到海管的总长度。

1.2 应对措施

以上因素中，天气和海况是自然客观条件，尤其是可命名的台风，属于不可抗力，一般可以得到工期补偿，而12级风以下的恶劣天气，应对的方式是在施工计划编制时预留浮时和根据天气预报择机施工以减少待机影响。其余因素，可以通过采取针对性措施减少工期影响。例如，人员的技术水平可以通过培训来提高，建立人员筛选机制，优胜劣汰，如果能将铺管船上施工的焊接人员固定化，这样施工人员对施工环境、船舶特点、设备性能等了解更深，对施工效率是有极大提高的；对于故障率较高的设备应在项目前期准备好充足的备件及备用设备，并在平时多进行设备的维修保养，使其在铺管过程中具备良好的状态[5]；设计和方案，可以选择具有丰富经验的设计团队，对方案进行优化，降低工作量或施工难度，达到节约工期和成本的目的。

2 项目实例

2.1 项目概况

涠洲11-2油田二期开发工程项目位于南海北部湾海域内，水深40 m，年平均气温23 ℃，每年5—11月为台风季节，其余月份为季风季节。项目海底管道设施包含一条直径20 cm(6寸)的4.0 km注水海底管道和一条直径33.3 cm(10寸)的4.0 km海底油水混输管道。海管铺设及膨胀弯安装原计划采用海洋石油202船(以下简称“HYSY202”)，因船舶档期问题，调整为滨海109船(以下简称“BH109”)。

2.2 施工准备及平管铺设

BH109船3月24日开始在涠洲锚地进行海管倒驳及焊接、检验、潜水和定位等设备的安装调试等准备工作，3月26日现场抛锚就位后开始注水管线的起始铺设，4月2日完成注水管线铺设，4月3日移锚就位后开始混输管线的起始铺设，4月16日完成混输管线铺设。

施工计划中天气待机6 d，实际发生3.5 d(含1 d故障待机)，计划施工时间19.5 d，实际施工时间17.5 d，最终早于计划4.5 d完成平管铺设工作，如表1所示。剔除掉天气待机之后的正常铺设(不包含起终止)效率分别为注水管线593 m/d，混输管线452 m/d，作为比较计划中目标设置为注水管线800 m/d，混输管线400 m/d。

表1 海管铺设计划与实际工期偏差对比

导致实际施工效率低于计划施工效率(工期增加)的原因有：(1)施工前期人员磨合阶段所占时间较长，焊接出现多次返修，合格率低。先铺设的直径20 cm(6寸)注水海底管线实际效率低于计划效率，平均每天比计划少铺设207 m。(2)BH109一般在渤海海域施工作业，此前从未到过南海西部海域作业，船舶抗风能力不足，施工海域又持续受西南风及暗涌影响，船舶随涌浪摇摆幅度较大，施工作业经常中断，导致整体作业效率降低。(3)BH109服役已超过40 a，船上施工设施和设备老旧、维护保养不足，设备出现故障待机，直接导致施工中断，需要停工对设备进行检查维修。

导致实际施工效率高于计划施工效率(工期节约)的原因有：(1)BH109在前往作业现场之前的施工准备工作做得非常充分，将4.5 d的设备调试等施工准备工作，由4.5 d缩短至2.0 d。(2)先铺设的注水海底管线因施工人员对工艺和环境陌生而效率降低。而后铺设的混输海底管线，施工人员经过长达一周的对施工工艺的磨合，已经逐渐熟悉作业环境和施工机具，并增加团队协作默契，使返修率逐渐降低，使得混输海底管线铺设实际效率高于计划效率，平均每天比计划多铺设52 m。(3)项目组向气象权威机构订阅中期(未来15 d)专业海洋天气预报，通过展望和评估天气和海况，选择风、浪在一段时间内较为平稳的时机开始施工，降低海上天气待机率。(4)制定激励机制，根据项目机械完工的里程碑点，每提前一天，给于一定的奖励以提升施工人员的积极性。

2.3 主作业船模式转换及膨胀弯安装

BH109船4月16日完成混输管线铺设后开始人员动复员、机具设备倒驳、托管架拆除等施工转换工作，4月19日开始注水管线膨胀弯尺寸测量至5月19日全部膨胀弯安装完成，包含施工准备和天气待机影响，计划工期28.5 d，实际工期30.5 d，影响因素及工期如表2所示。

表2 膨胀弯安装计划与实际工期偏差对比 单位：d

导致实际施工效率低于计划施工效率(工期增加)的原因有：(1)膨胀弯施工区域水深超过40 m,对于空气潜水作业已接近较深的潜水深度，潜水人员入水时间受限，同时出水减压时间过长，影响测量效率，膨胀弯实际测量天数超过计划1.5 d。(2)受天气影响较大，作业窗口短且不连续。同时，膨胀弯焊接为船舶甲板作业，风雨天气及高温给施工环境带来的影响较大，施工人员效率受到影响，频繁中断施工，使膨胀弯预制周期超出计划周期2.5 d。(3)膨胀弯安装大部分时间为潜水作业，对施工区域的潮水、附近船舶等均有较严格的要求，施工期间多次发生等待潮水的情况，因天气和海况原因出现了待机，相比计划待机天数多2.5 d。

导致实际施工效率高于计划施工效率(工期节约)的原因主要是膨胀弯路由的方案优化。涠洲11-2项目2条海管原设计方案，路由位置在平台同侧，并且两条海底管道设计间距50 m，前期计划使用HYSY202船完成两条海底管道的铺设，由于HYSY202船体较宽，并且作业线在船体右舷，弃管的时候为了躲避已在位的平台，外侧混输海管设计路由偏离平台超过100 m，采用4节膨胀弯连接，注水海管采用3节膨胀弯连接。当海管铺设船由HYSY202换成了BH109，由于BH109船船体较窄，设计团队具有了方案优化的空间，BH109船在弃管作业时在保证安全的前提下尽量靠近平台铺设，并且采用BH109船在经过平台后移船到海管设计路由侧，采用加大张力将平管牵引回设计路由的方式，将注水海管原设计路由的3节优化为1节(见图1)，将混输海管原设计的4节优化为2节(见图2)。经过此次方案优化，大幅降低了海上膨胀弯安装工作量、压块采办量、压块摆放施工工作量，减少了4对法兰的设计用量和连接工作量，降低了海管泄露及被锚缆和渔网拖挂的风险。

图1 注水海管膨胀弯优化前(左)后(右)方案对比

图2 混输海管膨胀弯优化前(左)后(右)方案对比

2.4 小结

在涠洲11-2项目海管铺设和膨胀弯海上安装过程中，通过海管和膨胀弯安装实际工期与计划工期对比分析得出，人员返修因素和天气海况因素对工期的负面影响较大，分别为5.7 d和2.5 d，造成工期延误较多。而设计方案因素和天气海况因素对工期的正面影响较大，节约工期较多，分别为4.5 d和3.5 d。项目总工期共节约2.5 d，各因素对工期影响分布，如图3所示。

图3 各因素对工期延误和节约影响统计

项目整个施工周期约2个月，而中期天气预报是进行15 d的滚动预测，对于15 d后的天气情况，预报的准确率逐步降低。即便在施工开始时选择了较为理想的开工时机，但后续仍会出现较长天气待机的情况。

除去天气和海况的客观因素，在工期节约方面，设计方案优化的贡献最大，但仅限于膨胀弯的施工部分，且方案的优化是在船舶更换后，即基础输入条件发生后所实施的。在工期延误方面，人员返修的贡献最大，由于海管长度仅4 km，在人员磨合适应了施工环境后，就已经进入了施工中后期，所以对于人员和返修所采取的提升措施和激励并未发挥出较为明显的作用，但在长距离的海管铺设施工中，对于人员和返修的改进措施和激励机制将节省更多的工期。在仅考虑所采取措施对工期节约的贡献时，总节约工期11.7 d，占总工期54 d的21.67%，排除天气和海况的客观因素，节约工期占比为15.19%，节约效果显著。

3 结语

海管铺设和膨胀弯安装效率受到天气和海况因素、人员和返修因素、船舶和设备因素、设计和方案因素的影响，导致施工工期出现节约或延误。涠洲11-2项目对影响因素进行分析，采取针对性措施，有效地节约施工周期。该项目节约工期的措施及方式方法，可以为后续项目提供经验和借鉴。