海底柔性软管敷设方案可行性研究

李晓明， 姜学录， 崔占明， 于银海， 黄志新

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)

0 引 言

柔性软管由金属和聚合物材料制成，在海洋工程中主要适用于立管、跨接管、卸输管、海底管道等[1-4]。与刚管相比，柔性软管具有易弯曲、对海底适用性较强、水下抗腐蚀性好、便于水下敷设和安装等特点。海底柔性软管作为海底输送介质的一种新型管道，在海洋工程中的使用逐年增多[5-7]。由于具有柔性的特点，柔性软管适用于卷管式敷管法，在采用该方法时需要在陆地上将柔性软管接长或直接生产较长的柔性软管，然后将其安装在专用滚筒上，送至海上进行敷设[8]。目前，卷管式敷管法可分为水平式和垂直式两种。水平式敷管法主要采用S形敷设，适用于浅水或中等水深作业，而垂直式敷管法主要采用J形敷设，适用于中等水深或深水作业[9]。本文以渤海某油田8英寸(1英寸=0.025 4 m)柔性软管敷设项目为例，阐述软管敷设方式的选取、分析常用船舶资源的敷设能力并计算柔性软管敷设过程中的各项参数。

1 概 述

渤海某油田位于渤海湾南部区域，东北距渤中35-2油田13.7 km，西北距渤中34-2/4油田19.4 km，西南距垦利10-1油田16.8 km和垦利3-2油田16.8 km。

渤海某油田计划敷设一条8英寸天然气输送柔性软管，总长度约13.7 km，水深为18.1～19.7 m。柔性软管技术参数如表1所示。

表1 柔性软管技术参数

2 软管敷设方式选取

在软管敷设前，需先确定敷设方式，需要考虑船舶起重机能力、甲板承载力和甲板面积等。除施工船舶外，还需要配套软管敷设系统装置，主要包括：软管收放线装置、张紧器、水平托轨和入水桥等[10-11]。目前常用的软管收放线装置有立式滚筒驱动和卧式转盘驱动2种类型，如图1和图2所示。

图1 立式滚筒驱动

图2 卧式转盘驱动

2.1 立式滚筒储管作业方式

在滚筒驱动器上每次放置1个储管滚筒，在滚筒上的软管全部释放后，更换另一个滚筒，将后一个滚筒上的软管与前面的软管现场连接。

(1) 可在起重船上或平板工程船上配备立式滚筒驱动、张紧器和入水桥等，选择性较多，更适合短距离软管敷设作业。

(2) 起重机起重能力需在500 t以上，吊装曲线能够满足软管滚筒倒驳需求。

(3) 甲板承载力在98.0 kN/m2以上，空间满足软管敷设系统、潜水设备、埋缆机摆放和空间布置需求。

(4) 每敷设1卷筒软管，需回收埋缆机，倒驳软管滚筒，然后再放置埋缆机，无法连续作业。

(5) 软管重心高，底部结构与甲板接触少，稳定性差，对海况要求较高。

(6) 立式滚筒是短距离柔性软管供货时常用的存储装置，需配合滚筒驱动器使用。

2.2 卧式转盘储管作业方式

所有软管储存在一个大的卧式转盘上，提前连接接头，在海上敷设过程中可连续不间断敷设，中间无需更换滚筒和现场连接接头。卧式转盘和驱动通常长期固定在特定工程船舶上，与工程船一起专门用于软管/电缆敷设作业。使用该方法99.5%的连接工作可在陆地上完成，在海上连续敷设，海上施工时间短、速度快、成本低、张力相对小，有利于管道安全敷设，作业风险小。该方法对船的要求低，无需专用铺管船，节省大笔敷设费用。

(1) 适合于浅水区域的专业软管敷设船舶在国内数量较少。

(2) 不需要起重能力较强的浮式起重机，可使用门式起重机、船尾起重机、履带起重机，能够吊放埋缆机即可。

(3) 除自带敷设系统外，甲板空间满足潜水设备、埋缆机摆放。

(4) 连续性边敷边挖沟敷设，可不间断作业。

(5) 软管重心不高，底部与船甲板一体，接触面积大、稳定性好。

(6) 转盘外径可达25 m，储管量大，而且盘体自身可旋转，集储管与放管功能于一体，是大直径、长距离柔性软管敷设较为理想的存储装置，但储管盘建造费用昂贵，对铺管船的主尺度要求高。

本项目为浅水区长距离软管敷设，适合采用卧式转盘储管敷管方式，但最终的方案选择需结合可用船舶资源等条件，综合考虑工期和成本等因素。

3 船舶软管敷设能力分析

以船舶滨海108、滨海109、海洋石油295为例进行柔性软管敷设施工能力分析。

3.1 滨海108软管敷设

滨海108船宽35 m，甲板面积充裕，最大载重能力为4 800 t，甲板承载力为49.0 kN/m2。滨海108既可实现卧式滚筒敷设，又可实现立式滚筒敷设。

搭载直径为25 m的卧式滚筒可实现较长距离的软管连续敷设能力。但滨海108船尾有推进器无法下放挖沟机，只能从侧向进行软管敷设和挖沟，软管的敷设效率只能达到正常敷设的50%。滨海108卧式滚筒连续敷设能力如表2所示。

表2 滨海108卧式滚筒连续敷设能力

对其立式滚筒敷设能力进行分析。由于滨海108甲板承载力有限，采用立式软管储存装置需对甲板面积进行评估，考虑甲板承载力不超过49.0 kN/m2，单滚筒软管敷设能力如表3所示。滨海108搭载双滚筒敷设软管，可达双倍敷设能力。滨海108的吊装能力允许其吊装整个卷满软管的滚筒，因此可使用驳船运输多盘软管，尽可能地缩短整个软管敷设工期。

表3 滨海108立式单滚筒连续敷设能力

3.2 滨海109软管敷设

滨海109甲板承载力为5.0 t/m，若采用立式滚筒敷设，可实现与滨海108同样的敷设能力。但受限于其船宽度和有效甲板面积，不能实现双滚筒敷设。若采用卧式滚筒敷设，承揽能力有所减少。考虑甲板最大可利用宽度为14 m，软管连续敷设能力如表4所示。

表4 滨海109卧式滚筒连续敷设能力

3.3 海洋石油295软管敷设

管道挖沟动力定位工程船因配有门式起重机收放系统，甲板承载能力为98.0 kN/m2，在边敷边挖的软管敷设中具有明显优势，甲板面积允许搭载2个立式滚筒，显著增加软管连续敷设能力。但海洋石油295起重机能力不足，只能在敷设之前借助其他起重船吊装2个滚筒，前往现场进行作业。如需进行长距离软管敷设，需返回码头重新吊装滚筒，施工效率大幅降低。因此，海洋石油295更适合非长距离软管敷设。海洋石油295软管连续敷设能力如表5所示。

表5 海洋石油295软管连续敷设能力

按照边敷边挖沟考虑，滨海108、滨海109每天可达1.3 km，海洋石油295依托动力定位系统，不需要重复起抛锚，可实现更高的施工效率，因此本项目优选海洋石油295。

4 海底软管敷设分析

在软管敷设过程中，需始终使软管的弯曲半径大于软管敷设所要求的最小弯曲半径(Minimum Bend Radius，MBR)。由于水下的状态较难实时控制，而弯曲半径与入水角有关，入水角又与张紧器牵引力有关，因此，在敷设分析中，可通过弯曲半径的要求推导牵引力范围。

以8英寸柔性软管为例，分析软管敷设施工中所需最大牵引力。

在本实例中，软管外径为304.1 mm，水深为18 m，软管在空气中的单位重量为1 399.4 N/m，软管在水中的单位重量为670.1 N/m。

在软管敷设施工中所需最大牵引力计算公式为

T=9.8Wd/(1-cosα)

(1)

式中：T为软管张力；W为软管在水中的重量；d为水深；α为入水角。

当软管入水角分别取20°、30°、40°、50°、60°、70°和80°时，柔性空管所受最大牵引力、着泥点、悬链线长度、船尾弯曲半径和着泥点弯曲半径等参数如表6所示。张紧器敷管张力与软管入水角α的关系如图3所示。

表6 不同入水角软管敷设施工中悬链线计算值

图3 张紧器敷管张力与软管入水角关系

由表6和图3可知：在软管敷设过程中，软管入水角基本在50°～80°，则在软管敷设过程中软管所受张力为14.6～33.8 kN。根据悬链线计算公式：当软管入水角为80°时，MBR为3.90 m，小于软管要求的MBR(4.50 m)；当入水角为70°时，MBR为9.51 m>4.50 m。因此，在软管敷设过程中，当入水角为50°～70°时，软管所受拉力较小，同时满足软管MBR的要求[12]。

5 结 语

(1) 在国内具备专业浅水区域卧式敷管能力的动力定位船舶较少，锚系船较多，施工效率较低，带有动力定位的专业软管敷设船效率更高，但价格比较昂贵。

(2) 在软管敷设前，需根据工期和成本等因素初步选定船舶，并根据船舶起重机能力、甲板承载力和甲板面积等因素，选择立式或卧式敷管方式。

(3) 在软管敷设前，应计算在不同的软管入水角下软管所受的张力和MBR等数据，找到张力和MBR都在可接受范围内的入水角范围，并根据计算结果控制敷管时的牵引力。

(4) 在一般情况下，当敷管速度低于船舶速度时，入水角度会变小。当管线入水角度逐渐变小时，最大牵引力逐渐增大，不利于管线敷设，应合理控制船舶速度，保证船舶速度与敷设速度同步。

(5) 卧式铺管船在冬季施工时，常遇到大风天气。短距离软管敷设可以找一个较好的天气窗口完成所有的软管敷设，但当长距离软管敷设遇到大风时只能弃管，天气较好时再回收管头重新连接。弃管的位置特别重要，尽可能选择在接头位置进行切割弃管。如果软管敷设在较软的海床上，应安装一套管道追踪设备，方便在日后对管道路线进行确认。如果软管敷设在较硬的海床上，那么就需要一些袋装沙或类似的方法帮助管道避过一些坚硬锋利的边缘或拐角，防止管道外护层被破坏。