J型鋪設(shè)系統(tǒng)施工工藝研究

康 莊張 立張殿航何 寧

（1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 深海工程技術(shù)研究中心 哈爾濱 150001；2.海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

J型鋪設(shè)系統(tǒng)施工工藝研究

康 莊1張 立1張殿航1何 寧2

（1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 深海工程技術(shù)研究中心 哈爾濱 150001；2.海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

J型鋪設(shè)法被認(rèn)為是最適用于深水和超深水管線鋪設(shè)的方法。文中針對(duì)16 000 t深水半潛式起重鋪管平臺(tái)所采用的鋪管形式及J型鋪設(shè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，將J型鋪設(shè)工藝分為管線初始鋪設(shè)、正常J型鋪設(shè)周期和管線終止鋪設(shè)三個(gè)部分。管線初始鋪設(shè)包括初始準(zhǔn)備、管線初始端PLET的安裝及連接PLET與起始樁；正常鋪設(shè)周期是指在平臺(tái)甲板上進(jìn)行管線裝載開始直至管線從J型塔下放入水的一系列工藝流程；管線終止鋪設(shè)包括收棄管作業(yè)過程。系統(tǒng)研究各部分的工藝流程，提出了適合目標(biāo)平臺(tái)所配備的J型鋪設(shè)系統(tǒng)的鋪管程序，為今后J型鋪設(shè)系統(tǒng)的研究及實(shí)際鋪設(shè)工程作業(yè)提供參考。

J型鋪設(shè)；施工工藝；深水；管線

引 言

J型鋪設(shè)（J-Lay）已有30多年的歷史，伴隨海底鋪管作業(yè)水深的不斷增加而產(chǎn)生。由于管道在鋪設(shè)過程中幾乎是垂直入水，形狀呈現(xiàn)大J形，因而得名J型鋪設(shè)，如下頁圖1所示［1-2］。J型鋪設(shè)實(shí)際屬于張力鋪管法中的一種，為達(dá)到安全作業(yè)的目的［3］，管道在鋪設(shè)過程中的受力狀態(tài)可通過調(diào)節(jié)J型塔的傾角和管道承受的張力進(jìn)行改善。目前，J型鋪設(shè)包括鉆井船J型鋪設(shè)和鋪管塔J型鋪設(shè)兩種形式［4］。鉆井船J型鋪設(shè)法借助鉆井船上配有的井架及輸送裝置將管段通過月池垂直下放到水中；鋪管塔J型鋪設(shè)法則是借助安裝有J型塔及鋪管配套設(shè)備的自航式鋪管船，將管段在J型塔的焊接及涂層工作站進(jìn)行焊接、無損檢測和涂敷等一系列操作后下放，該方法已被廣泛應(yīng)用于國外的大型J型鋪管船上。J型鋪設(shè)法由于具有先天的深水適應(yīng)性，因此已廣泛應(yīng)用于深海水域的管道鋪設(shè)作業(yè)。

J型鋪管船的造價(jià)一般比其他類型的鋪管船高，但在涉及深海鋪設(shè)的某些特定情況下，J型鋪設(shè)是唯一可行的鋪管方法［5］。為更好地融入國際深水海洋工程作業(yè)市場，我國正擬建一艘配備有J型鋪管系統(tǒng)的深水半潛式起重鋪管平臺(tái)，最大起重能力達(dá)16 000 t，如圖2所示。本文即以此平臺(tái)為目標(biāo)平臺(tái)開展J型鋪設(shè)施工工藝研究。

圖1 J型鋪設(shè)

圖2 半潛式起重鋪管船

1 J型鋪設(shè)系統(tǒng)

目標(biāo)鋪管平臺(tái)上的J型鋪設(shè)系統(tǒng)采用2×4節(jié)點(diǎn)張緊器鋪管方式［6-8］，主要包括J型塔、J型塔角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、J型鋪設(shè)管道傳送系統(tǒng)、J型鋪設(shè)關(guān)鍵設(shè)備，如圖3所示。

圖3 J型鋪設(shè)系統(tǒng)總布置圖

J型塔安裝在半潛式鋪管平臺(tái)首部，設(shè)計(jì)高度為120.4 m（含底座高度），可滿足兩段4節(jié)點(diǎn)管同時(shí)位于J型塔上。J型塔底端設(shè)有懸掛平臺(tái)，在連接管道終端時(shí)可用來夾持管道。J型塔角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括A字架、角度調(diào)節(jié)器和液壓缸，見圖4。

圖4 J型塔角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖

J型鋪設(shè)管道傳送系統(tǒng)包括水平傳送系統(tǒng)、裝載臂、管線電梯、轉(zhuǎn)動(dòng)臂和垂向滾輪，見圖5所示。

圖5 J型鋪設(shè)管道傳送系統(tǒng)示意圖

J型鋪設(shè)關(guān)鍵設(shè)備主要包括張緊器、絞車、對(duì)中器、焊接站、無損監(jiān)測站、涂裝站等，其中選擇了兩種不同張緊能力的張緊器。張緊能力較小的張緊器安裝在外部對(duì)中器工作平臺(tái)下方，以夾持由外部對(duì)中器運(yùn)送下來的管段，并將管段傳送到下方的焊接站內(nèi)；其他張緊能力較大的張緊器安裝在焊接站下方，用來固定已經(jīng)鋪設(shè)入水的管道，以便完成兩段管道的焊接以及無損檢測。管道入水后，張緊能力較大的張緊器起到提供頂部張力的作用。張緊器的張緊能力也是決定鋪管船鋪管能力的重要因素。絞車是用卷筒纏繞鋼絲繩或鏈條以提升或牽引重物的輕小型起重設(shè)備，又稱卷揚(yáng)機(jī)。管道焊接之前要進(jìn)行對(duì)中，管道的對(duì)中主要有外部對(duì)中器和內(nèi)部對(duì)中器兩種。管道對(duì)中后，通過焊接的方式將管道連接。管道焊接后，要檢驗(yàn)管道鋪設(shè)的質(zhì)量，AUT（自動(dòng)超聲波檢測）檢驗(yàn)設(shè)備能夠?qū)５坠艿篮缚p缺陷進(jìn)行快速精確定位與定量檢測（包括缺陷的三維幾何尺寸）。焊接和無損檢測完成之后，幾個(gè)張緊器共同作用，將管道下放至J型塔底端的涂層站處，管道焊接處要進(jìn)行涂裝防腐后才能下放到海底。

2 管線初始鋪設(shè)

在鋪設(shè)之初將進(jìn)行路由或預(yù)鋪設(shè)調(diào)查。在調(diào)查中，將研究未來管線的路由以測定可能存在的自由跨度位置、系纜樁、巖屑和異常情況，起始、交匯、攤鋪和其他重要位置需要特別注意。在預(yù)鋪調(diào)查過程中考慮進(jìn)行海床修正或者其他準(zhǔn)備工作，例如墊層安裝、立管基座安裝等。

2.1 第1階段——初始準(zhǔn)備

如圖6所示，支持船靠近鋪管平臺(tái)到一個(gè)合適的位置，支持船下放ROV，起始樁由鋪管平臺(tái)上的A&R纜索下放，在ROV的輔助下安裝起始樁。

圖6 J型鋪設(shè)管道起始安裝圖

2.2 第2階段——管線初始端PLET的安裝

如圖7及下頁圖8所示，首先在陸地上將PLET和一節(jié)管道焊接到一起，隨后通過駁船把焊接在一起的管道和PLET運(yùn)往鋪管現(xiàn)場。當(dāng)駁船靠近鋪管平臺(tái)至合適距離時(shí)，鋪管平臺(tái)尾部的兩個(gè)吊機(jī)將PLET及管道共同吊起，最后移開駁船。

圖7 J型鋪設(shè)管道PLET安裝圖01

圖8 J型鋪設(shè)管道PLET安裝圖02

如圖9及圖10所示，鋪管平臺(tái)上的兩個(gè)吊機(jī)將PLET共同吊起后，下放PLET至水下一定深度處，停止下放右舷吊索，繼續(xù)下放左舷吊索直至左舷吊索不受力，管道和PLET呈豎直方向。此時(shí)，從鋪管平臺(tái)上下放ROV，解開并回收左舷吊索。

圖9 J型鋪設(shè)管道PLET安裝圖03

圖10 J型鋪設(shè)管道PLET安裝圖04

如圖11及圖12所示，解開并回收左舷吊索后，旋轉(zhuǎn)右舷吊機(jī)的吊臂，將PLET向平臺(tái)首部移動(dòng)。此時(shí)從J型塔下放A & R纜索，由ROV將A & R纜索的接頭連接到管道端口上。隨后下放右舷吊索，吊索的拉力逐漸減小直到PLET的拉力全部由A & R纜索承擔(dān)［9-10］。

圖11 J型鋪設(shè)管道PLET安裝圖05

圖12 J型鋪設(shè)管道PLET安裝圖06

如圖13所示，PLET的拉力全部由A & R纜索承擔(dān)后，ROV解開并回收右舷吊索，鋪管平臺(tái)回收ROV。此時(shí)，向上回拉A & R纜索直至將PLET上預(yù)留的管線懸掛在鋪管平臺(tái)的懸掛平臺(tái)上，在懸掛平臺(tái)處的臨時(shí)焊接站中將初始端PLET焊接到J型塔中下放的管線上。

圖13 J型鋪設(shè)管道PLET安裝圖07

2.3 第3階段——連接PLET與起始樁

起始樁安裝好后，鋪管平臺(tái)回收連接在起始樁上的A & R纜索，從J型塔中下放連接有初始端PLET的管道。如圖14和圖15所示。

圖14 J型鋪設(shè)管道起始安裝圖02

圖15 J型鋪設(shè)管道起始安裝圖03

在從支持船下放的ROV的輔助下使PLET安全觸地，調(diào)整管匯位置，為連接起始樁做準(zhǔn)備。隨后，ROV將管匯與樁基通過鎖鏈連接到一起。支持船回收ROV并移開，開始鋪設(shè)管線（例如半潛式鋪管平臺(tái)向前移動(dòng)，開始鋪管）。

3 J型鋪設(shè)周期

3.1 第1階段——管線裝載臂的安裝

管線裝載臂在鋪管平臺(tái)甲板上。水平傳送系統(tǒng)把四節(jié)點(diǎn)管段運(yùn)送至裝載臂下方，液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝載臂上的夾具，將四節(jié)點(diǎn)管段夾緊。桿件按照使焊腳高低位減到最小的方位布置。在尺寸檢查過程中，將進(jìn)行最大不圓度值的鑒定分析。該區(qū)域用顏料清楚地標(biāo)記，多節(jié)點(diǎn)管段的端部將按顏料標(biāo)記布置。

3.2 第2階段——裝載臂的扶正

在J型鋪管塔底部液壓缸的驅(qū)動(dòng)下，裝載臂通過夾具夾住管段一起轉(zhuǎn)動(dòng)至垂直位置。

3.3 第3階段——管段的移交

管段在裝載臂的轉(zhuǎn)動(dòng)下達(dá)到垂直位置以后，管線電梯會(huì)從塔臺(tái)上部下移至底部，精確定位后，驅(qū)動(dòng)管線電梯上夾具夾住四節(jié)點(diǎn)管段，管線電梯夾具夾穩(wěn)后，裝載臂上的夾具松開，裝載臂在液控下轉(zhuǎn)動(dòng)返回水平位置。管線電梯夾住管段上行至設(shè)計(jì)位置，轉(zhuǎn)動(dòng)臂從管道下放線中央轉(zhuǎn)動(dòng)出來，停在管段停留的位置上，液壓驅(qū)動(dòng)夾具夾住管段，夾穩(wěn)以后，松開管線電梯夾具。隨后，打開J型塔內(nèi)垂向滾輪夾具，由液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)臂夾住管段將其轉(zhuǎn)至下放線的中央。將臍帶纜穿過四節(jié)點(diǎn)管段，為安裝內(nèi)部對(duì)中器作準(zhǔn)備。此時(shí)，外部對(duì)中器向上移動(dòng)，夾緊管段，打開轉(zhuǎn)動(dòng)臂夾具，垂向滾輪控制管線位置，管段在外部對(duì)中器的夾持下向下傳送直至管段到達(dá)焊接站上方的張緊器處。由張緊器夾持四節(jié)點(diǎn)管段，四節(jié)點(diǎn)管段經(jīng)張緊器繼續(xù)下放直至管段下端到達(dá)焊接站的相應(yīng)位置。

3.4 第4階段——對(duì)中

待鋪管段與已鋪管段使用內(nèi)部對(duì)中器對(duì)中。

3.5 第5階段——焊接

管面被正確對(duì)中并固定后，進(jìn)行現(xiàn)場焊接。在根部焊道和熱焊道完成后，內(nèi)部對(duì)中裝置可被撤除并拉回。與此同時(shí)現(xiàn)場焊接結(jié)束。待焊接點(diǎn)冷卻到合適溫度，對(duì)焊接點(diǎn)進(jìn)行無損檢測。

3.6 第6階段——管線下放

經(jīng)無損檢測合格的管線隨張緊器的運(yùn)動(dòng)緩慢下放，直到現(xiàn)場焊接部分處于J型塔底部的涂層站。

3.7 第7階段——現(xiàn)場焊接涂層噴涂

給現(xiàn)場焊接部分進(jìn)行現(xiàn)場補(bǔ)口涂層噴涂之后，隨著鋪管平臺(tái)向前移動(dòng)、管線下放，直到下一管段的上端到達(dá)焊接站的相應(yīng)位置；隨后轉(zhuǎn)動(dòng)臂夾持的下一個(gè)管段重復(fù)此項(xiàng)操作。

4 管線終止鋪設(shè)

當(dāng)管道鋪設(shè)任務(wù)完成或遭遇突發(fā)情況時(shí)，即為終止鋪設(shè)，通常指收棄管作業(yè)過程［11］。若部件失效或者天氣條件惡劣，可以決定廢棄管線。

4.1 第1階段——A & R絞車?yán)|索的連接

把A & R接頭焊接到管道終端。在焊接站，將A & R浮筒的一端和管道A & R接頭連接，另一端和A & R纜索連接。

4.2 第2階段——A & R絞車從張緊器接替承受力

A & R絞車?yán)|索的張力逐漸增加［10-11］。當(dāng)載荷從張緊器被接替承受時(shí)，懸掛臺(tái)打開。

4.3 第3階段——管線離開J型鋪設(shè)塔

管線在A & R絞車?yán)|索上下放，同時(shí)伴隨著平臺(tái)的前進(jìn)。在管線已經(jīng)離開J型鋪設(shè)塔后，一個(gè)位于J型鋪設(shè)塔端部的導(dǎo)向滑車輪被移動(dòng)到其運(yùn)轉(zhuǎn)位置來支撐A & R絞車?yán)|索，如圖16所示。

4.4 第4階段——管線下放到海底

伴隨著平臺(tái)的前進(jìn)，管道終端被下放到海床，A & R接頭安全觸地后，A & R纜繩上張力減小為零，解開并回收A & R纜索。如圖17所示。

圖16 J型鋪設(shè)海底管道棄管過程圖01

圖17 J型鋪設(shè)海底管道棄管過程圖02

5 管線回收

如果回收管線，將執(zhí)行與廢棄相反的步驟。

5.1 第1階段——A & R絞車?yán)|索的連接

假設(shè)A & R絞車的纜索已斷開連接，帶有回收吊鉤的A & R絞車?yán)|索和升沉補(bǔ)償浮筒將由A & R絞車下放。吊鉤連接在水下由浮筒吊起的吊索上。連接由ROV輔助執(zhí)行。

5.2 第2階段——從海底提取管線

管線由A & R絞車從海底提取。當(dāng)系統(tǒng)處在張力作用下，半潛式鋪管平臺(tái)開始在與鋪管相反的方向上移動(dòng)。此時(shí)，管線由A & R絞車回收，如下頁圖18所示。

5.3 第3階段——管線進(jìn)入J型鋪設(shè)塔

當(dāng)管線靠近J型鋪設(shè)塔時(shí)，在J型鋪設(shè)塔底端的A & R絞車?yán)|索的導(dǎo)向滑輪將被撤回，漸漸離開入口處。當(dāng)船仍舊沿著與管線鋪設(shè)相反的方向移動(dòng)時(shí)，通過J型鋪設(shè)塔中打開的懸掛臺(tái)提取管線。如圖19所示。

圖18 J型鋪設(shè)海管回收過程圖01

圖19 J型鋪設(shè)海管回收過程圖02

5.4 第4階段——管線由張緊器夾緊

當(dāng)管線到達(dá)焊接站時(shí)停止操作。張緊器停止運(yùn)動(dòng)夾持管段，此后逐步釋放A & R絞車?yán)|索直至移除。重新開始正常的鋪管作業(yè)。

6 結(jié) 論

目前國外海底管道J型鋪設(shè)能力已達(dá)3 000 m，但我國對(duì)深水管道J型鋪設(shè)的研究仍處于起步階段。本文以配備有J型鋪管系統(tǒng)的16 000 t深水半潛式起重鋪管平臺(tái)為目標(biāo)平臺(tái)，開展J型鋪設(shè)施工工藝研究，介紹目標(biāo)平臺(tái)J型鋪設(shè)系統(tǒng)的鋪管方式和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，以及J型鋪設(shè)工藝的各個(gè)階段，系統(tǒng)研究各部分的工藝流程。實(shí)際鋪設(shè)過程中，J型鋪設(shè)復(fù)雜，需要協(xié)調(diào)各方面的施工因素共同作業(yè)，并向國外公司借鑒鋪設(shè)經(jīng)驗(yàn)，以促進(jìn)我國海洋工程事業(yè)的發(fā)展。

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Research on construction technology of J-lay system

KANG Zhuang1ZHANG Li1ZHANG Dian-hang1HE Ning2
(1. Deepwater Engineering Research Center, College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China)

J-lay method is the most suitable method for the deepwater and ultra-deepwater pipe laying. The pipe laying form and the structure arrangement characteristics of J-lay system are investigated for a 16 000 t deepwater semi-submersible lifting and pipe laying platform. Then the J-lay technology can be divided into three parts：pipeline initiation， normal J-lay cycle， and pipeline termination. The pipeline initiation includes initial preparation，installation of pipe initiating end PLET and the connection between PLET with start-up pile. And the normal J-lay cycle refers to the technology process starting from the load of pipelines on the platform deck to pipeline initiation；normal J-lay cycle refers to the technology process starting from the load of pipelines on the platform deck to pipe laid down into water through J-lay tower； pipeline termination includes the process of pipe abandonment and recovery. This paper systematically researches the technological process of each part， puts forward the pipe laying program fi t for the J-lay system in the target platform， and provides reference for the future research on J-lay system and practical J-lay engineering.

J-lay； construction technology； deepwater； pipeline

U671.91

A

1001-9855（2015）06-0086-07

國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05027-002-004-008）。

2015-05-20；

2015-07-22

康 莊（1978-），男，博士，副教授，研究方向：立管與渦激振動(dòng)。張 立（1991-），男，碩士，研究方向：立管和海底管線、渦激振動(dòng)與渦激運(yùn)動(dòng)。張殿航（1992-），男，碩士，研究方向：立管和海底管線。何 寧（1977-），男，高級(jí)工程師，研究方向：海洋工程。