深水半潛式J-lay鋪管船海管鋪設(shè)功能論證分析研究

何 寧，趙 黨，王 輝

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

近年來國內(nèi)外海洋石油開發(fā)正在向環(huán)境惡劣的深海海洋區(qū)塊進(jìn)發(fā)。2012年投入使用的“海洋石油981”初步解決了我國深水資源勘探問題，目前南海深水區(qū)域的勘探工作取得了豐碩成果，南海大氣區(qū)的開發(fā)正穩(wěn)步進(jìn)行，東海也有多個油田需要開發(fā)，但受限于惡劣的開發(fā)環(huán)境，傳統(tǒng)船型海洋工程船可作業(yè)天氣窗口較小。通過對國外類似作業(yè)環(huán)境的調(diào)研[1-2]，發(fā)現(xiàn)深水半潛式起重鋪管船能夠在惡劣的深水環(huán)境條件下進(jìn)行J-lay海管鋪設(shè)[3]、大型結(jié)構(gòu)物的吊裝[4]等多種海洋工程作業(yè)。本文通過對擬建半潛式起重J-lay鋪管船功能定位進(jìn)行研究，確定船舶建造所需的J-lay鋪管作業(yè)參數(shù)。我國南海深水油氣資源開發(fā)戰(zhàn)略不斷推進(jìn)，中國海油走出國門的發(fā)展趨勢也日趨明顯，因此，確定擬建半潛式J-lay鋪管船海管鋪設(shè)功能具有重大的學(xué)術(shù)意義和實際應(yīng)用意義。

1 國外深水J-lay鋪管船及典型項目應(yīng)用調(diào)研

對現(xiàn)有的主要J-lay鋪管船及行業(yè)典型項目調(diào)研，匯總得到采用J-lay方式鋪設(shè)深水海管的項目情況，如表1所示。

表1 J-lay海管鋪設(shè)典型項目匯總Table 1 Summary of typical projects with J-lay

調(diào)研結(jié)果顯示，目前世界上的J-lay系統(tǒng)張力最大為2000t，鋪管管徑范圍為4～32英寸，20～32英寸管徑海管的最大鋪設(shè)水深約為2400m。

2 不同水深情況下各類型碳鋼管管徑和壁厚應(yīng)用研究

受管道生產(chǎn)制造工藝限制，不同管徑的管材壁厚有一定限制范圍。對國際碳鋼管生產(chǎn)廠家(JFE，Europipe，Tenaris等)進(jìn)行調(diào)研，得到其不同類型海管尺寸特征。依據(jù)挪威船級社(DNV)規(guī)范DNV-OS-F101[5]，針對不同管徑下最大壁厚管材參數(shù)所能應(yīng)用的最大水深進(jìn)行分析，得到如表2所示結(jié)果。

表2 不同類型管道的最大應(yīng)用水深分析結(jié)果Table 2 Maximum applicable water depth for different pipes

注：SMLS，無縫鋼管；HFW，高頻焊管；UOE；大口徑直縫焊管。

在上述分析中，對應(yīng)不同管徑，選取該類型制造工藝情況下的最大壁厚，依據(jù)DNV-OS-F101規(guī)范校核，求得在滿足壓潰分析系數(shù)小于1情況下所允許的最大設(shè)計水深數(shù)值。依據(jù)上述情況確定的分析工況，將作為評估深水起重J-lay鋪管船海管鋪設(shè)能力的重要考證依據(jù)。

3 擬定鋪管船J-lay鋪管作業(yè)有限元分析

依據(jù)壁厚選擇確定的工況及已經(jīng)實施的典型工程項目，設(shè)定擬建J-lay鋪管船海管鋪設(shè)能力評估分析工況，如表3所示。

借助國際先進(jìn)的海管鋪設(shè)分析軟件PipeLay[6]，對空管和充水兩種工況進(jìn)行分析，匯總結(jié)果如表4和表5所示。

表3 分析工況Table 3 Analysis cases

表4 空管安裝分析結(jié)果Table 4 Results of installation case：content empty

4 J-lay鋪管系統(tǒng)選型

半潛式起重鋪管船的J-lay系統(tǒng)通常為四節(jié)點雙工作站、六節(jié)點單工作站兩種，八節(jié)點單工作站鋪管系統(tǒng)雖然目前沒有實船交付業(yè)績，但可作為一種供選擇的設(shè)計方法。對J-lay作業(yè)過程中所涉及的不同作業(yè)流程步驟的時間進(jìn)行調(diào)研，針對四節(jié)點雙工作站、六節(jié)點單工作站、八節(jié)點單工作站三種鋪管系統(tǒng)的海管鋪設(shè)效率展開分析，如表6所示。

表5 充水安裝分析結(jié)果Table 5 Results of installation case：flooded

表6 不同工作站下海管鋪設(shè)效率分析Table 6 Laying efficiency for different working station

根據(jù)分析結(jié)果，四節(jié)點雙工作站與八節(jié)點單工作站兩種鋪管系統(tǒng)的鋪管效率基本相同，10英寸海管的鋪設(shè)速度約為2km/d，22英寸海管的鋪設(shè)速度約為1.6km/d，六節(jié)點單工作站的鋪管效率略低，10英寸海管的鋪設(shè)速度約為1.75km/d，22英寸海管的鋪設(shè)速度約為1.35km/d。

根據(jù)工況分析結(jié)果和實際海管鋪設(shè)作業(yè)經(jīng)驗，需在充水鋪管工況下考慮動態(tài)放大系數(shù)，或考慮200kN(20t)張力作為動態(tài)裕度，取數(shù)值大者為參考結(jié)果。擬建船舶管道所需張力和水平推力數(shù)值如表7所示。

綜合以上分析，擬設(shè)計的深水半潛起重J-lay鋪管船定位為：鋪設(shè)系統(tǒng)張力2000t，船舶所需提供水平推力為150t，鋪設(shè)管徑范圍4～32英寸，J-lay系統(tǒng)布置在船中，通過月池下放海管。

表7 32英寸管道極限工況鋪設(shè)校核Table 7 Analysis results for 32 inch pipeline laying under extreme conditions

5 結(jié) 語

在調(diào)研國外深水J-lay鋪管船及在典型項目中應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，依據(jù)規(guī)范核算了不同水深情況下允許的海管管徑和壁厚分布情況，對比了J-lay塔不同節(jié)點和工作站情況下的海管鋪設(shè)效率，進(jìn)而確定了擬建的J-lay鋪管船海管鋪設(shè)能力及對應(yīng)要求。針對深水J-lay鋪管船鋪設(shè)功能分析，其他方面的注意事項如下。

(1) 海管外防腐涂層及保溫層厚度、密度等對鋪管計算影響較大，需要在方案考證計算中予以考慮。

(2) 海管管徑越大，水深越深，需要的總鋪設(shè)張力和水平推力越大。

(3) 對于相同管徑和水深條件進(jìn)行鋪管分析，在保持脫離角相對一致的前提下，注水工況下總鋪設(shè)張力和水平推力相對較大，如果對脫離角進(jìn)行微調(diào)，可對鋪管水平推力適度優(yōu)化。

(4) 關(guān)于海管鋪管作業(yè)J-lay塔工作站及單段海管長度的選取，與半潛船整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、空間布置及工程造價相關(guān)，需要更詳細(xì)的論證評估。如條件允許，建議選取四節(jié)點雙工作站或八節(jié)點單工作站J-lay塔布置。

[1] Pulici M,Trifon M,Dumitrescu A.Deep water sealines installation by using the J-lay method-the Blue Stream experience [C].ISOPE,2003：ISOPE-I-03-088.

[2] Lenci S,Callegari M.Simple analytical models for the J-lay problem [J].Acta Mechanica,2005,178(1-2)：23.

[3] Salome P,Karjadi E,Kleijne E.Development of new generation collar for J-lay heavy pipeline installation [C].OTC,2011：22006.

[4] Antani J,Dick W,Balch D,et al.Design,fabrication and installation of the Neptune export lateral PLETs [C].OTC,2008：19688.

[5] Det Norske Veritas.DNV-OS-F101.Submarine pipeline systems [S].2013.

[6] Wood Group.PipeLay brochure [OL].https：//www.woodgroup.com/__data/assets/pdf_file/0023/5675/PipeLay-Brochure.pdf.