梁 輝，張 飛，方 偉，邢廣闊

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

深水水下生產(chǎn)設(shè)備的安裝作業(yè)具有高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)的特點(diǎn)。在深水油氣田開(kāi)發(fā)中，很多水下生產(chǎn)設(shè)備的安裝工程項(xiàng)目都高達(dá)上億美元，不僅水下作業(yè)工程支持船、ROV、AUV等作業(yè)裝備價(jià)格昂貴，而且水下安裝作業(yè)專業(yè)技術(shù)人員的人均日費(fèi)率也高達(dá)上千美元。在深水水下生產(chǎn)設(shè)備的安裝施工中，任何一個(gè)失誤都可能造成數(shù)百萬(wàn)美元的損失。國(guó)外海洋工程公司如Technip、Subsea7等壟斷了深水水下設(shè)備的海上安裝作業(yè)市場(chǎng)，已經(jīng)具備了300 t水下設(shè)備在超1 000 m水深的安裝能力。目前國(guó)內(nèi)在超300 m深水環(huán)境的水下設(shè)備安裝工程很少，缺少完備的施工作業(yè)裝備和相關(guān)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)安裝作業(yè)的計(jì)算分析工作也仍然處于探索階段，與國(guó)際先進(jìn)水平差距巨大。因此掌握深水水下設(shè)備安裝技術(shù)對(duì)未來(lái)我國(guó)深水海洋石油水下開(kāi)發(fā)工程具有十分重要的意義。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)的海上安裝作為最復(fù)雜的工況載荷之一，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的影響。對(duì)于采用S-型鋪設(shè)安裝的海底管道，為了節(jié)省船舶資源和海上施工作業(yè)時(shí)間，與海底管道相連的在線水下設(shè)備(In-Line Structure)和管端設(shè)備(Pipeline End Termination)通常采用S-型鋪設(shè)安裝，如中國(guó)南海深水LW3-1氣田和PY35-1/35-2氣田所使用的海底管道在線水下設(shè)備均采用S型鋪設(shè)安裝完成。

文章總結(jié)了水下設(shè)備S型鋪設(shè)安裝所需的裝備資源、水下設(shè)備設(shè)計(jì)特點(diǎn)和計(jì)算方法，并介紹了相關(guān)計(jì)算軟件。

2 水下設(shè)備S型鋪設(shè)安裝技術(shù)

2.1 所需的裝備資源

水下設(shè)備S型鋪設(shè)安裝作業(yè)流程比較復(fù)雜，涉及的設(shè)備資源也很多，主要設(shè)備(圖1)及功能包括[1-2]：

圖1 水下設(shè)備S型鋪設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of S-type laying of underwater equipment

(1) 鋪管作業(yè)線：傳送水下設(shè)備、焊接、涂覆和檢驗(yàn)。

(2) 張緊器：夾緊海管并提供張力。

(3) A&R絞車：在張緊器打開(kāi)通過(guò)水下設(shè)備時(shí)，可提供輔助張力。

(4) 托管架：在海管和水下設(shè)備離開(kāi)船艉后為其提供支撐。

(5) 浮筒：與水下設(shè)備相連，提供浮力和恢復(fù)力矩。

(6) 吊機(jī)：在浮筒入水之前為浮筒提供提升力。

(7) ROV：監(jiān)測(cè)安裝過(guò)程，如有必要可協(xié)助打開(kāi)水下設(shè)備的折疊機(jī)構(gòu)。

2.2 采用S型鋪設(shè)安裝的水下設(shè)備的特點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)的尺寸大小需確保能通過(guò)鋪管作業(yè)線，主要受張緊器張開(kāi)尺寸等限制。因此采用S型鋪設(shè)安裝的水下設(shè)備的整體尺寸較小，或需設(shè)計(jì)為可折疊型機(jī)構(gòu)[2](圖2)。

圖2 可折疊的水下管端設(shè)備Fig.2 Foldable underwater pipe end equipment

(2)需設(shè)計(jì)可懸掛輔助浮筒的吊點(diǎn)：浮筒主要用于抵抗管道鋪設(shè)過(guò)程中的殘余扭轉(zhuǎn)，并為水下設(shè)備提供浮力以避免受載過(guò)大。

(3)如有必要，水下設(shè)備外部需有保護(hù)結(jié)構(gòu)避免與托管架滾輪碰撞造成損壞。

2.3 計(jì)算分析方法

水下設(shè)備S型鋪設(shè)安裝計(jì)算分析通常采用有限元軟件數(shù)值模擬的計(jì)算分析方法，主要計(jì)算流程包括[4-7]：

(1)根據(jù)海底管道鋪設(shè)要求和船舶資源的能力，選擇合適的張緊器張力和托管架曲率半徑。

(2)在計(jì)算軟件中構(gòu)建安裝系統(tǒng)中各個(gè)組成部分的模型，主要包括：船舶、張緊器、托管架、海管、水下設(shè)備、浮筒等。

(3)施加環(huán)境載荷、張緊器張力等載荷條件，計(jì)算海底管道和水下設(shè)備的響應(yīng)情況。

(4)計(jì)算水下設(shè)備在船艉和托管架上不同位置所受的載荷情況。

(5)選取步驟(4)中的最惡劣載荷工況，校核水下設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(6)可進(jìn)行多次計(jì)算，篩選合適的環(huán)境窗口。

(7)提取水下設(shè)備在安裝過(guò)程中所受張力和彎矩，校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

對(duì)于不同的計(jì)算軟件，計(jì)算模型的建立和計(jì)算過(guò)程可能會(huì)略有區(qū)別。

2.4 常用計(jì)算軟件

針對(duì)水下設(shè)備S型鋪設(shè)安裝分析，國(guó)際上常用的計(jì)算軟件主要包括：

(1)OFFPIPE。經(jīng)典的專業(yè)S型鋪設(shè)分析軟件，簡(jiǎn)單快速，沒(méi)有圖形界面。

(2)PipeLay(圖3)。具備圖形界面的專業(yè)S型鋪設(shè)分析軟件，建模、計(jì)算簡(jiǎn)單快速。

圖3 PipeLay軟件計(jì)算界面Fig.3 Calculation interface of pipelay software

(3)OrcaFlex(圖4)。三維動(dòng)態(tài)時(shí)域分析軟件，可建立復(fù)雜模型。

圖4 OrcaFlex軟件的計(jì)算界面Fig.4 Computing interface of OrcaFlex software

(4)ANSYS。通用有限元分析軟件，建模復(fù)雜，靈活性高。

(5)ABAQUS。通用有限元分析軟件，建模復(fù)雜，靈活性高。

每個(gè)軟件的特點(diǎn)各有不同，需要結(jié)合具體項(xiàng)目要求選用。

3 結(jié)束語(yǔ)

在采用S型鋪設(shè)安裝海底管道的項(xiàng)目中，為了能夠節(jié)省時(shí)間和成本，水下在線設(shè)備和管端設(shè)備通常也采用S型鋪設(shè)方法進(jìn)行安裝。水下生產(chǎn)設(shè)備的海上安裝作為最為復(fù)雜的工況載荷之一，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的影響。水下設(shè)備S型鋪設(shè)安裝方法涉及設(shè)備資源較多，安裝流程和計(jì)算分析也較復(fù)雜。國(guó)內(nèi)在S型鋪設(shè)水下設(shè)備方面的經(jīng)驗(yàn)較少。文章總結(jié)了水下設(shè)備S型鋪設(shè)安裝方式的特點(diǎn)以及所需的安裝設(shè)備，并重點(diǎn)介紹了計(jì)算分析技術(shù)和計(jì)算軟件，對(duì)于類似項(xiàng)目具有一定意義。