深水海底管道鋪設技術研究綜述coe中文版

1、深水海底管道鋪設技術研究進展李志剛，王琮，何寧，趙冬巖摘要：海底管道作為最重要的海洋石油天然氣的運輸方式，發(fā)展速度逐步加快，對于海底管 道的鋪設方法和主要鋪設工具一一鋪管船，也提出了更高的要求。本文介紹了目前普遍使用 的幾種鋪管方法以及世界先進的不同類型鋪管船的發(fā)展和使用情況，并作了比較與討論。作 者認為我國在鋪管技術以及鋪管船的研發(fā)及應用方面與國外先進水平相比存在相當大的差 距，特別是在深海鋪管技術方面差距更為明顯，應當充分學習消化已有的成功經(jīng)驗，開展相 關領域的研究工作。關鍵詞：深水，海底管道，鋪管方法，鋪管船An Overview of Deep water Pip eline Layi

2、ng TechnologyLI Zhi-ga ng, WANG Cong, HE Ning, ZHAO Do ng-ya n.(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tanggu, Tianjin )Abstract: The subsea pip eli ne, regarded as the most important transp ortati on way of offshore oil and gas, is deve loping rapi dly. Con seque ntly, the pipe lay ing tech niq ues an

3、d vessels are con sidered as critical and characteristic in its app licati on. In the con text, the latest dee pwater pip eli ne lay ing tech no logies and the various adva need pipe lay ing barges are in troduced and the corres ponding comp aris on and discussi on are p rese nted as well. The autho

4、rs suggest that China should absorb and digest the intern ati on ally adva need pip eli ne lay ing tech niq ues and pipe lay ing facilities to make up for the gap existed in the research and app licati on of pip eli ne lay ing tech no logies, esp ecially in the dee pwater field.+國家863計劃資助課題(2006AA09

5、A105)。Key words: dee pwater; subsea pip eli ne, pipe lay ing method, pipe lay ing barge/vessel隨著科學技術的進步和人類對海洋石油資源認知水平的不斷提高，海洋油氣勘探開發(fā)已 從淺海走向深海，甚至超深海。深水油氣開發(fā)已成為世界石油工業(yè)的熱點和科技創(chuàng)新的前沿。隨著海洋石油、天然氣勘探、開發(fā)，油氣集輸問題成為海上油氣田開發(fā)研究的重要課題之一, 然而無論選用何種集輸形式，海底管道均是其重要的組成部分，海底管道鋪設施工技術就成 為亟需解決的關鍵問題。然而，海底管道技術取決于：油氣田的整體結構布局，輸送產(chǎn)品的 種類

6、和性質，以及管道的長度、直徑和材料，是一個非常復雜的問題。因此，吸收和消化世 界先進的鋪管工藝方法和相關設備，為后續(xù)自行開展設計、建造、安裝提供參考是一項十分 具有現(xiàn)實意義的研究。1海底管道鋪設方法（2）從海一般地，海底管道可以分為：（1）從海底衛(wèi)星井到管匯之間的油氣輸送管道;底管匯到生產(chǎn)平臺之間的油氣輸送管道;（3）生產(chǎn)平臺之間的油氣內(nèi)輸送管道；（4）從生產(chǎn)平臺到陸上的油氣外輸送管道；（5）通過海底注水管匯，從生產(chǎn)平臺到注水井之間的水或其它化學物質的輸送管道，如圖1所示。9 結合國內(nèi)外的鋪管實際工程經(jīng)驗，對于海底管道的鋪設方法主要有：拖曳式鋪管法、卷管式鋪管法、J型鋪管法和S型鋪管法2-9。

7、Hfcer圖1海底管道用途分類.Fig.1 Uses of offshore pip elines.IrthsHFtowlnsalUn bu UUKlad)Sflbtiflv/Tlun rtSnrfnfcl 、ETqnri p昭ineEnsHiginfI Prw IbelWxQ I1.1拖曳式鋪管法拖曳式鋪管法包括以下幾種方法：水面拖行、水面下拖行、近底拖行和海底拖行。所有拖曳方法的管道組裝都是一樣的，可以在陸上組裝場或在淺水避風水域中的鋪管船上完成;在管道組裝完成之后，就可以進行拖行鋪設。2(b)所示，它水面拖行，如圖2(a)所示，采用浮箱使管段漂浮在水面。水面下拖行，如圖 利用漂浮裝置使所

8、鋪設的管段位于波浪作用范圍以下。這兩種拖行方法中，水面拖行鋪設管 道的主要缺點是容易受到水面情況的影響、影響海上交通和需要考慮管子的沉放等。近底拖行，如圖2(c)所示，是近水面拖行技術的一種改進，也需要一條主拖船和一條牽制 拖船。浮箱按規(guī)定的間距系在管段上，每個浮箱上還需要懸掛一段鐵鏈。在拖行時，鐵鏈升 離海床，利用它的重量和浮力平衡而將管道保持在離海床預定的設計高度處。這種鋪設方式 通過設計鐵鏈的長度來保證拖行時提供給管段的穩(wěn)定力，通過牽制張力的大小控制附加高度使管段提升。這種鋪設方法的主要優(yōu)點是拖行的動力要求較低，減少了壞天氣的不利影響。(a)(b)T比血(c)(d)圖2拖曳式鋪管法：(a

9、)水面拖行，(b)水面下拖行；(c)近底拖行，(d)海底拖行.Fig.2 Tow method configuration: (a) surface tow, (b) mid-de pth tow, (c) off-bottom tow, (d) bottom tow.拖行路海底拖行，如圖2(d)所示，是利用拖船的牽引力直接在海床拖行管段至指定位置。線在底拖法中占有十分重要的位置，它影響到按摩損條件所作的涂層設計、拖行期內(nèi)的穩(wěn)定 性、拖船的大小以及所拖管道的最佳長度。這種方法不需要牽制拖船，受天氣的影響是最小 的；但是底拖法對拖船的馬力要求較高，管道的涂裝層有損壞的危險，管道有可能在海底被 障

10、礙物絆住。1.2卷管式鋪管法卷管式鋪管法是20世紀開始發(fā)展起來的一種新型的鋪管法，這種鋪管法是將管道在陸地預制場上接長，然后卷在專用滾筒上，送到海上進行鋪設施工的方法。該方法的優(yōu)點是99.5 %2英寸到12英的焊接工作可以在陸地完成，海上鋪設時間短，成本低，每段管道可連續(xù)鋪設，作業(yè)風險小。每個專用的卷管滾筒都和特定的鋪管船一起搭配使用，普通卷管的管徑可以從寸不等，單層管的最大鋪設管徑可以達到16英寸，最大作業(yè)水深可以達到1800m。這種鋪管法需要的主要設備包括：陸地接長預制場地、卷管滾筒、管道矯直器、鋪管船和其他常規(guī)施圖3卷管式鋪管法：(a)水平式卷管，(b)垂直式卷管.Fig.3 Reel-

11、lay method configuration: (a) horizontal reel, (b) vertical reel.3(a)所示,目前，卷管式鋪管船可以分為水平式和垂直式兩種。水平式卷管鋪管船，如圖其轉動軸垂直于鋪管船甲板，采用S型鋪設，適用于淺水或中等水深作業(yè)；而垂直式卷管鋪管船，如圖3(b)所示，其轉動軸與鋪管船甲板保持水平，采用J型鋪設，適用于中等水深或深水作業(yè)。1.3 J型鋪管法J型鋪管法，如圖4所示，是從20世紀80年代以來為了適應鋪管水深的不斷增加而發(fā)展起來的，是目前最適于深海進行管道鋪設的方法，該方法用于剛性的管道時效果最佳。由于鋪設過程中管道幾乎是垂直進入水中，管

12、道形狀呈現(xiàn)大J型而得名J型鋪管法。該方法在鋪設 過程中借助于調(diào)節(jié)托管架的傾角和管道承受的張力來改善管道的受力狀態(tài)，達到安全作業(yè)的目的。到目前為止，J型鋪設法主要有兩種形式，一種是鉆井船J型鋪設法，還有一種是帶斜型滑道的J型鋪管法。J型鋪管法主要應用于深海區(qū)域的管道鋪設，目前已經(jīng)得到了廣泛應用。Fig.4 J-lay method configuration.Fig.5 S-lay method configuration.J型鋪管設備主要由以下部分組成：（1）管道連接站一一用來將提升的管段的最下端連接到前一次釋放的管段的最上端；（2）管道支撐裝置豎立的鋪管塔，該塔位于管道連接站的上方，它將提升

13、后的管段維持在滿足鋪設路徑的一定的角度，其中管段的最下端對準著管道連接站；（3）靜態(tài)夾具一一用來夾住前一次釋放管段最上端的夾子，同樣夾住使管段對準管道連接站；（4）管道釋放裝置用來在靜態(tài)夾具松開時可控地釋放上述提升的管段。1.4 S型鋪管法S型鋪管法，如圖5所示，是目前鋪設海底管道最為常用的方法。由于是在一個水平線上作業(yè)，不僅安全穩(wěn)定而且效率高。這種鋪管法一般需要安排一艘或者多艘起重拋錨拖輪來支持鋪管作業(yè)。在開始作業(yè)前，需要將一個錨定位在海床上，然后將錨纜引過托管架并系到第根管子的端部。管道在托管架的支撐下，自然地彎曲成S型曲線，通常被劃分為三個部分:（1）上彎段：張力器到管線與托管架分離點之

14、間，即被托管架托起的管線部分;（2）下彎段:管線與托管架分離點到與海底接觸點之間懸起的部分;（3）邊緣段：托管架倒數(shù)第三個滑輪到管線拐點間的受力復雜的部分。另外，也有的將其分成兩個區(qū)域，即拱彎區(qū)和垂彎區(qū)。拱彎 區(qū)一般是從駁船甲板上的張緊裝置開始，沿托管架向下延伸到管道開始脫離托管架支撐的抬升點為止的一段區(qū)域（抬升點一般就是管道彎曲狀態(tài)時的拐點）；垂彎區(qū)是從拐點到海床著地點的一段區(qū)域。管道在垂彎區(qū)的曲率通過沿生產(chǎn)線放置的張緊器產(chǎn)生后拖力來控制，管道在 拱彎區(qū)的曲率和彎曲應力則一般依靠合適的滑道支撐和托管架的曲率來控制。傳統(tǒng)的S型鋪管法的特點是管道的彎曲程度小，整條管道變形都在彈性范圍之內(nèi)，彎曲

15、應變一般小于屈服極限的應變，這樣就可以避免彎曲破壞和過大的殘余變形。因此，管道在水中一般與水平方向的夾角不大，鋪設的深度也不大。 當S型鋪管法的鋪設深度達到 600m以上，技術上就會遇到很多挑戰(zhàn)，即拱彎段要求更大的轉角，垂彎段要求避免壓力帶來的失穩(wěn)。目前大多用加長托管架的長度來滿足拱彎段的轉角要求，用施加軸向拉力的方法來避免垂彎 段失穩(wěn)。在傳統(tǒng)S型鋪管法中，過長的托管架和過大的水平推進力使其在深海領域遇到技術上的瓶頸。為此，新型 S 型鋪管法應運而生，大大縮短了托管架的長度，而且也降低了鋪管船的 水平推進力要求。新型 S型鋪管法的出現(xiàn)，為 S型鋪管法應用于深海開辟了開闊的前景。1.5 不同鋪管

16、方法的比較 8, 9從目前的工程應用來看，不同的鋪管方法都有其一定的特征和適用性。比如：拖曳法主 要應用于近海灘涂鋪設或者鋪設距離較小的工程中；卷管法由于存在較大塑性變形，其可鋪設的管徑一般小于16英寸；深海鋪設時一般選用J型鋪設或者S型鋪設。通過對以上四種鋪管法進行系統(tǒng)的歸納和總結，表 1 中所列出了各種不同鋪設方法的優(yōu)缺點及特征。表1不同鋪管方法的比較.Table 1 Comp arisons among different laying techniques.安裝方法特征優(yōu)點拖拽鋪設缺點管道或立管束在岸上制造，在車間里獲得很好的焊接質量; 可以使用非常廉價的拖船；可以使用各種各樣的拖拽方

17、法。安裝長度有限；對海床的狀況要求比較高；目前只在淺水區(qū)域采用該方法。優(yōu)點卷筒鋪設缺點99.5%的焊接工作在陸地可控環(huán)境中完成； 張力相對減小，效率和成本相對較低； 管道可連續(xù)鋪設，作業(yè)風險小。需要岸上基地的支持；對鋼材的塑性性質要求較高，管徑相對較小; 典型鋪設速度為每小時 600米。優(yōu)點不需要船尾托管架；管道脫離角度非常接近垂直，所以張力較小。J型鋪設缺點由于只有一個焊接站，所以速度慢，效率低；所有操作都在垂直方向上完成，所以穩(wěn)定性是個難題; 鋪設速度慢，典型鋪設速度為1-1.5千米/天OS型鋪設優(yōu)點管道在水平方向采用采用單或雙接頭進行裝配，效率高; 鋪設速率高，典型鋪設速率為3.5千米/

18、天；對海況適應能力和持續(xù)作業(yè)能力較其它鋪設方法強。缺點必須處理非常大的張力；更大水深=更長的托管架=穩(wěn)定性喪失; 更大水深=更高的張力=更大的風險。2鋪管船發(fā)展隨著海洋石油天然氣開發(fā)的不斷深入，海洋管道的作用顯得越來越重要，而對于海洋管 道鋪設的專用設備一一鋪管船的關注程度也在不斷提高。目前，鋪管船更新?lián)Q代的速度明顯10OAllseas 公司,加快，專業(yè)化程度越來越高。鋪管船型式較為多樣，既有純粹的鋪管船，也有起重能力非常 強的起重鋪管船。從船體上，大致可以劃分為普通船型式、駁船式和半潛式2.1國外先進鋪管船概況11-14瑞士在鋪管技術上是世界上最先進的國家之一，它在鋪管技術上的代表是 該公司

19、有著雄厚的鋪管裝備和尖端技術，主要以 Lorelay和Solitaire等大型鋪管船為代表。表2國外鋪管船的主要參數(shù).Table 2 Prine ipal p articulars of pipe laying vessels.名稱船長(m)船寬(m)型深(m)吃水(m)主要性能床位Lorelay18325.815.59最大起重量：300t Mm,管徑:2-36in, S型鋪設.216人(OA)(MLD)(MLD)(MAX)Solitaire36040248.5最大起重量：300t 17m, 管徑:2-60in, S型鋪設.420人(OA)(MLD)(MLD)(MAX)Sai pem19887

20、4510.5最大起重量：7000t 41m,405人7000(OA)(OA)(MLD)(MAX)管徑:4-32in, J型鋪設.Castoro15270.529.89.5最大起重量：600t 50m,管徑：最大60in, S型鋪設.330人Sei(OA)(OA)(MLD)(MAX)Lorelay鋪管船，如圖6所示，是Allseas公司生產(chǎn)的比較有技術性代表的鋪管船，它是世界上第一艘采用動力定位技術和新型動力生產(chǎn)技術的鋪管船。它按照流線型設計，使其在水中航行較快，航行速度為11級，而且具有較大的存儲能力，它具有準確的定位技術和較好的工作能力，1996年時以鋪管水深1646m (5400ft)打破

21、了當時S型鋪管的世界記錄。Lorelay鋪管船采用比較長的固定式船尾托管架，能夠以70°-90。的離船角安裝管線，相當于J形鋪管法的工作能力。V勢圖6 Lorelay鋪管船.圖7 Solitaire鋪管船.Fig.6 Lorelay pip elay vessel.Fig.7 Solitaire pip elay vessel.Lorelay鋪管船的Solitaire鋪管船，如圖7所示，是目前世界上最大型的鋪管船，它基于原理上進行了改進，使其在鋪管能力上較 Lorelay鋪管船有了更優(yōu)秀的能力，載重能力22000t，并于1998年開始進行鋪管作業(yè)。在墨西哥灣的 MC920工程，Sol

22、itaire把8in和10in管道鋪設到水下2750m。 Solitaire的動力定位系統(tǒng)可以在3500m深度水域鋪管保持良好的定位。意大利是世界鋪管技術較先進的國家之一，它開發(fā)了鋪管深水工程構件安裝和管道鋪設 作業(yè)船、用于深水海域生產(chǎn)設備檢修的自激式潛水器以及帶有自動作業(yè)模式的新型挖溝機, 這些設備具有經(jīng)濟高效、深水作業(yè)適應性強和操作簡便等優(yōu)點。1r - 7 r 'J圖8 Saipem 7000半潛式鋪管船.Fig.9 Castoro Sei半潛式鋪管船.Fig.8 Saipem 7000 semi-submersible pip elaying vessel.Fig.9 Casto

23、ro Sei semi-submersible pip elay vessel.Saipem 7000半潛式鋪管船，如圖 8所示,是世界上最大的半潛式塔吊浮動作業(yè)平臺，特點是起重量大，且具有雙起重吊壁的獨特結構。Saipem 7000安裝有目前世界上最大的J管道鋪設塔吊，配備有先進的動力定位設施；能夠在水深超過1980m的海域安裝直徑為 102-810mm的管道。該船原為一動力定位作業(yè)船，在此基礎上改進了動力定位系統(tǒng)和發(fā)電機系統(tǒng)，同時還增加了兩套推進器系統(tǒng)，使其作業(yè)船總推進力達到1607KN。Castoro Sei半潛式鋪管船，如圖9所示，是另一艘非常具有代表性和鮮明特點的大型半潛Castor

24、o Sei 適合大式鋪管船，它裝備齊全，功能強大，可以從事非常復雜管道的安裝與施工。管徑管線鋪設，同時帶有動力定位系統(tǒng)，可在2000米水深鋪管。2.2國內(nèi)鋪管船概況10,佝我國鋪管船多為起重鋪管船，起吊能力大，協(xié)助進行海洋平臺的建設；然而，由于這些 鋪管船的吃水深度普遍較大，限制了其在水深特別淺的灘海作業(yè)。同時，由于技術上的限制, 此類鋪管船又不能用于較深水域的鋪管施工。一 1tz j 上拒iv J,i事嚴圖10濱海106起重鋪管船.圖11濱海109起重鋪管船.Fig.10 Binhai 106 derrick and lay barge.Fig.11 Binhai 109 derrick a

25、nd lay barge.圖10所示為濱海106起重鋪管船，其主要不足之處在于其移位絞車未采用變頻調(diào)速式, 控制性能差，船上配套設備自動化程度低，效率差，工作站數(shù)量偏少，施工速度較慢。圖11所示為濱海109起重鋪管船，其不足之處是定位系統(tǒng)為早期羅經(jīng)式，精度差，吃水 相對較深，不適于水淺且區(qū)域較長的灘海海域施工?！八{疆號”起重鋪管船，如圖12所示，是于2000年進行建造的新型鋪管船，其設備比較先進，可以在惡劣氣候環(huán)境中施工，該起重鋪管船的最大特點是起重能力非常高，起重荷載為3800t，可進行平臺安裝施工。圖12藍疆號起重鋪管船.13Table 3 P rinc ipal p articulars

26、 of domestic derrick and lay barges.Fig.12 Lanjiang derrick and lay barge.表3國內(nèi)起重鋪管船的主要參數(shù).名稱船長(m)船寬(m)型深(m)吃水(m)主要性能床位濱海10680(0A)23(MLD)5(MLD)2.5(MAX)最大起重量：200t t4.2m, 管徑：4-60in, S型鋪設.103人濱海10991.44(OA)28.35(MLD)6.7(MLD)4.025(MAX)最大起重量：318t 24.4m,管徑：4.5-60in, S型鋪設.172人藍疆157.5(OA)48(MLD)12.5(MLD)8(MAX

27、)最大起重量：3800t 30m,管徑：4.5-48in, S型鋪設.278人通過上面的論述，我們不難發(fā)現(xiàn)由于經(jīng)濟和技術方面的原因，國內(nèi)鋪管船總體還比較落后，并且形式較為單一，基本都屬于船型側邊鋪管船，其焊接作業(yè)線設置在鋪管船的一側,起重載荷大，均為起重鋪管船。為此，海洋石油工程股份有限公司正在設計建造能夠適于我國東海、南海和東南亞海域的深水鋪管船。圖13是由上海振華港機制造的適用于水深300m的淺水鋪管船 SPB200總布置圖，圖14是由GUSTO BV開發(fā)設計的適用于水深 2000m的深水鋪管船DPV7500，其主要參數(shù)列于表 4中。一 J i ":廠5 n r 肥？"

28、Lrt rs p圖13 SPB200淺水鋪管船總布置圖. 圖14 DPV7500深水鋪管船示意圖.Fig.13 P rofile of SPB 200 crane pip elay barge.Fig.14 Schematic view of DPV 7500 dee pwater pip elaycrane vessel.表4在建鋪管船主要參數(shù).名稱船長(m)船寬(m)型深(m)吃水(m)主要性能床位SPB 200168.3(OA)46(MLD)13.5(MLD)9(MAX)最大起重量：1200t 33m, 管徑：4-60in, S型鋪設.>300 人DPV7500204.15(OA)

29、39.2(MLD)14(MLD)7-10(MAX)最大起重量：4000t 35m,管徑：12-48in, S型鋪設.>380 人Table 4 P rinc ipal p articulars of pip elay vessels in construction.3結論綜上所述，鋪管船是海底管道鋪設重要的工具，在海洋設施建造方面起著舉足輕重的作用。目前，我們在深水鋪管方法和設備上都與發(fā)達國家存在著很大的差距,幾乎還是空白,需要業(yè)界進行深入研究。正在研究、設計和即將建造的深水鋪管船DPV7500將縮小與國外的差距。因此，應充分學習消化已有的成功經(jīng)驗，開展相關領域的研究工作,提咼海底管道鋪設深度，提高鋪設效率，減少成本等，對努力趕超國際先進水平有重要意義。所有這些工作都應當在充分掌握已有成功經(jīng)驗的基礎上，同時結合中國海域自身的特點開展研究。參考文獻1Guo B.Y., Song S.H.