海底管道鋪設(shè)系統(tǒng)升級改造及工程應(yīng)用

趙福臣， 宋曉麗， 王 勇

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

目前，48 in海管是世界上最大尺寸的海底油氣管道。早在20世紀(jì)70年代，意大利Saipem公司在埃及鋪設(shè)過48 in管道。近幾年，Allseas公司在Nord Stream 2期項目中也進(jìn)行了48 in海管鋪設(shè)。48 in海底管道附加110 mm水泥配重層，最大外徑尺寸約為58 in，為當(dāng)今世界上最大尺寸的管道，國內(nèi)鋪管設(shè)計較早，超大口徑管道的鋪設(shè)具有重大的挑戰(zhàn)。

尼日利亞Dangote項目位于西非海域，業(yè)主為Dangote石油煉化公司，施工工期為2018年12月—2020年12月，海上施工工期約為720天，作業(yè)水深為0～40 m。該項目包含48 in管道鋪設(shè)，水泥涂層厚度為120 mm，海管外徑為1 465.6 mm，水泥涂層外徑為58 in，單根重量達(dá)27 t。尼日利亞Dangote項目管線信息如表1所示。

表1 尼日利亞Dangote項目管線信息

(續(xù) 表)

目前，海洋石油202鋪管船的設(shè)備無法滿足大噸位管道的鋪設(shè)要求，為更好地適應(yīng)48 in水泥配重管線的鋪設(shè)，通過對鋪管船的實(shí)地調(diào)研，并對設(shè)備出廠以來出現(xiàn)的設(shè)備故障進(jìn)行統(tǒng)計分析，有針對性地對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，使管道鋪設(shè)設(shè)備適應(yīng)鋪設(shè)大尺寸重型管線。

1 當(dāng)前設(shè)備簡介

海洋石油202船作業(yè)線船尾滾輪系統(tǒng)由精研工程機(jī)械傳動有限公司生產(chǎn)，坡口區(qū)坡口設(shè)備及托管架系統(tǒng)由海油工程自主生產(chǎn)，天車系統(tǒng)由船舶建造期間配置。圖1為海洋石油202鋪管船作業(yè)線布置圖，主要功能是完成整個海管的鋪設(shè)作業(yè)。

主作業(yè)線設(shè)置在主甲板的右舷側(cè)，托管架布置在船尾，主作業(yè)線及托管架共同構(gòu)成管道的傳輸系統(tǒng)，細(xì)節(jié)如下：

(1) 2個海管坡口區(qū)，滿足單節(jié)點(diǎn)管和雙節(jié)點(diǎn)管的鋪設(shè)作業(yè)要求。

圖1 現(xiàn)有作業(yè)線設(shè)備整體布置圖Fig.1 Arrangement of HYSY202 main fireline

(2) 作業(yè)線內(nèi)的天車系統(tǒng)。

(3) 船尾3個可調(diào)高度履帶支撐，1個船尾傳輸滾輪。

(4) 1個重力式托管架及A字架。

當(dāng)前滾輪系統(tǒng)經(jīng)過長期使用后，統(tǒng)計分析了近幾年設(shè)備發(fā)生的故障。主要存在以下問題：

(1) 現(xiàn)有坡口作業(yè)配套設(shè)備為2013年新改造添加的設(shè)備，相應(yīng)結(jié)構(gòu)框架按8～24 in海管設(shè)計，無法滿足48 in管線的鋪設(shè)。

(2) 在管道鋪設(shè)作業(yè)時，作業(yè)線天車無法滿足管線前進(jìn)的輔助動力支持?，F(xiàn)有作業(yè)線天車均為鋼絲滾筒形式，如鋪設(shè)外徑為58 in的海管項目，天車凈空高度不滿足要求。同時，根據(jù)前期與建造公司的溝通，結(jié)合作業(yè)中所需的吊裝設(shè)備，需對現(xiàn)有天車進(jìn)行更換，對天車梁進(jìn)行上移及重新布置，以滿足施工作業(yè)需求。

(3) 船尾現(xiàn)有的履帶滾輪無法滿足強(qiáng)度要求，船尾最后一個滾輪(LC40)受海水腐蝕影響嚴(yán)重。

(4) 托管架目前無法滿足48 in重型管線鋪設(shè)作業(yè)[1]，圖2所示是托管架，是完成管道船尾入水的過渡設(shè)備。

圖2 現(xiàn)有托管架整體形式Fig.2 Picture of stinger

(5) 現(xiàn)有滾輪涂層為聚氨酯涂層，在鋪設(shè)水泥涂層管線時，磨損率較高。

2 改造工作范圍

本次改造的主要設(shè)備有坡口區(qū)作業(yè)設(shè)備、天車系統(tǒng)、張緊器后滾輪和托管架滾輪，工作范圍如下：

2.1 坡口作業(yè)區(qū)適應(yīng)性改造

現(xiàn)有坡口作業(yè)配套設(shè)備相應(yīng)結(jié)構(gòu)框架按8～24 in海管設(shè)計，無法滿足48 in管道作業(yè)要求，需進(jìn)行適應(yīng)性修理。

(1) 海管舉升裝置。

(2) 液壓夾緊裝置。

2.2 天車系統(tǒng)適應(yīng)性改造

在天車系統(tǒng)適應(yīng)性改造中，天車修理數(shù)量如表2所示。

表2 行車修理數(shù)量

2.3 張緊器后滾輪適應(yīng)性改造

(1) 履帶式支撐單元。

(2) 滾輪式支撐單元立柱。

2.4 托管架適應(yīng)性改造

海洋石油202托管架為重力式托管架，托管架通過A字架與船尾固定，第一節(jié)托管架共有9組腰鼓滾輪，立柱前后無加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，腰鼓滾輪與周圍立柱通過抱卡固定。

(1) 傳輸滾輪結(jié)構(gòu)。

(2) 滾輪立柱形式。

(3) 滾輪抱卡與立柱的連接形式。

3 改造的基本要求

3.1 坡口區(qū)設(shè)備

滿足48 in管道坡口作業(yè)，當(dāng)水泥涂層直徑為60 in時，滿足管道的坡口作業(yè)。添加海管舉升裝置，協(xié)助管道坡口對中海管舉升裝置?；緟?shù)和具體要求如下：

(1) 設(shè)計海管重量(單節(jié)點(diǎn))為40 t。

(2) 單臺舉升能力為30 t。

(3) V形支撐包角為130°。

(4) 升降行程為400 mm。

(5) 升降時間為10 s。

(6) 管徑范圍為4～60 in。

(7) 單節(jié)點(diǎn)管線長度為12.2 m±0.5 m。

3.2 天車系統(tǒng)

結(jié)合作業(yè)過程中管道涂覆設(shè)備的使用需求，對張緊器后的天車系統(tǒng)進(jìn)行改造：

(1) 需更換的行車起升機(jī)構(gòu)全部選用進(jìn)口環(huán)鏈葫蘆，行走機(jī)構(gòu)要求結(jié)構(gòu)簡單。

(2) 行車梁的選用在滿足結(jié)構(gòu)和吊重負(fù)荷的前提下，選用強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)尺寸小的工字梁，盡量增加起升高度。

(3) 主線改造的行車行走機(jī)構(gòu)選用變頻電機(jī)驅(qū)動，速度可調(diào)。

(4) 修理后的行車需做吊重實(shí)驗(yàn)并出具證書。

3.3 船尾尾部傳輸滾輪要求

大管徑管道對張緊器后滾輪壓力較大，需要對滾輪結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行升級改造

(1) 管徑范圍為4～60 in。

(2) 單節(jié)點(diǎn)管線長度為12.2 m±0.5 m。

(3) 最大靜載荷為90 t、 110 t、 60 t、 60 t。

(4) 水平載荷LC37、 LC38和LC39均為5t， LC40水平載荷為10 t。

(5) 滾輪的調(diào)節(jié)方式為步距式調(diào)節(jié)。

(6) 船尾滾輪聚氨酯邵氏硬度范圍為80±5。

(7) 輸送機(jī)的滾輪與管段之間的設(shè)計摩擦系數(shù)應(yīng)不小于0.25。

3.4 托管架

托管架為海管出船尾后的受力裝置，托管架的整體強(qiáng)度及滾輪形式對鋪管作業(yè)具有重要意義，托管架改造的要求如下：

(1) 管道直徑范圍(最大外徑)為4～60 in。

(2) 管道直徑范圍(鋼管外徑)為4～48 in。

(3) 管節(jié)長度公差，單節(jié)點(diǎn)為±0.1 m。

(4) 管節(jié)長度公差，雙節(jié)點(diǎn)為±0.5 m。

(5) 最大單節(jié)點(diǎn)管重量為40 t。

(6) 雙節(jié)點(diǎn)管最大重量為80 t。

(7) 滿足48 in管道要求，托管架修理的基本設(shè)計要求。

(8) 托管架腰鼓滾輪改成V形滾輪。

(9) 滾輪與立柱固定形式由抱卡形式改為插銷形式。

(10) 滾輪組數(shù)量改為6組。

(11) 每組滾輪承垂直載力為80 t。

(12) 前5組滾輪組水平承載力10 t，第6組滾輪水平承載力20 t， U形輪水平承載力80 t。

(13) 滾輪高度調(diào)節(jié)范圍滿足曲率半徑90～360 m。

(14) 托管架上loadcell、攝像頭、深度尺、角度儀、聲吶等電儀設(shè)備相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計也應(yīng)符合適應(yīng)性改造要求。

4 改造方法

4.1 坡口作業(yè)配套設(shè)備

根據(jù)202船主甲板橫移區(qū)空間尺寸及現(xiàn)有三條橫向傳輸導(dǎo)軌(TC01～TC03)的安裝位置、布管間距，對該區(qū)域的坡口作業(yè)配套設(shè)備進(jìn)行如下布置：

(1) 當(dāng)坡口機(jī)作業(yè)時，被坡口海管軸線距離縱向送管線5 613 mm(理論尺寸)，被坡口海管為存儲在管臺上的4根海管中的第3根。

(2) 拆除現(xiàn)有TC01、 TC02附近的海管舉升、海管夾緊裝置，在TC03附近增加安裝一套海管舉升。

(3) 海管舉升設(shè)備：舉升裝置主要由V形提升架、側(cè)板、滑軌、滾動軸承、舉升缸組組成。在舉升缸驅(qū)動下V形提升架上下運(yùn)動，其運(yùn)動受到V形提升架上滾動軸承與側(cè)板上滑軌的限制，通過行程開關(guān)控制液壓控制閥組可實(shí)現(xiàn)V形提升架行程自動調(diào)整，行程為400 mm(最終確定行程于修理后的橫向傳輸導(dǎo)軌推動小滾輪尺寸不得互相干涉為準(zhǔn))。

圖3為海管舉升裝置，設(shè)備的主要功能是在海管坡口作業(yè)時，協(xié)助完成海管的組對作業(yè)。

圖3 海管舉升裝置Fig.3 Drawing of pipe lifting equipment

4.2 坡口機(jī)吊裝裝置

對中裝置主要由行走框架、坡口機(jī)托架、進(jìn)給液壓馬達(dá)總成、進(jìn)給油缸托架、軌道總成和防傾翻鉤板組成。進(jìn)給油缸一端固定于行走框架，另一端通過進(jìn)給油缸托架固定于船甲板，可驅(qū)動行走框架沿軌道運(yùn)動。行走框架上的懸掛坡口機(jī)的鉤頭可上下、左右微調(diào)。重新設(shè)計門架，增加門架的寬度、高度，框架外形尺寸可滿足Serimax 32～48 in坡口機(jī)的使用要求。配置合適的坡口機(jī)底部托架?，F(xiàn)有坡口機(jī)支架軌道劑托鏈位置調(diào)整，框架啟用部分增大增強(qiáng)。圖4所示是坡口加工機(jī)的吊裝框架，主要作用是吊裝坡口機(jī)。

圖4 液壓對中裝置示意圖Fig.4 Drawing of pipe bevelling machine

4.3 作業(yè)線行車系統(tǒng)

將現(xiàn)有作業(yè)線內(nèi)工作9站和工作10站作業(yè)線行車進(jìn)行改造，在張緊器后部增加1臺5 t環(huán)鏈?zhǔn)叫熊嚕瑢F(xiàn)有的20 t天車改造為10 t環(huán)鏈?zhǔn)教燔?，更換軌道梁，更換滿足大口徑管道作業(yè)的小行車，滿足作業(yè)9站的噴砂作業(yè)，滿足作業(yè)10站的中頻加熱及包膠作業(yè)，圖5為張緊器后天車布置圖，天車的主要作用是協(xié)助吊裝管道涂覆作業(yè)設(shè)備等。

圖5 張緊器后天車布置圖Fig.5 Arrangement of sky crane

4.4 船尾滾輪

更改船尾滾輪的形式，整體滾輪結(jié)構(gòu)改成豎直結(jié)構(gòu)，優(yōu)化管道鋪設(shè)過程中的受力要求。圖6為船尾豎向傳輸滾輪單元，通過調(diào)整船尾滾輪底部墊塊結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)全部滾輪結(jié)構(gòu)豎直向上，滿足管道鋪設(shè)作業(yè)過程中管道應(yīng)力需求。

圖6 船尾豎向傳輸滾輪單元Fig.6 Arrangement of rollers on the stern

4.5 托管架

(1) 海洋石油202托管架整體強(qiáng)度和局部強(qiáng)度滿足48 in管道鋪設(shè)要求，海洋石油202托管架最新計算結(jié)果(采用上Hitch點(diǎn)，角度9°，滾輪垂向荷載為40 t×6，水平荷載為800 kN、 200 kN、 100 kN×5)。

(2) 目前的抱卡形式與立柱固定形式，抱卡形式改成插銷形式，圖7所示為改造后托管架滾輪形式，滾輪箱與立柱之間為插銷結(jié)構(gòu)。

圖7 改造后托管架滾輪Fig.7 Stinger rollers

(3) 目前腰鼓滾輪受力大小為60 t，管道鋪設(shè)過程中，最大滾輪受力達(dá)到80 t[2]。

5 結(jié) 語

海洋石油202的鋪管系統(tǒng)通過對作業(yè)線的改造，進(jìn)行了坡口區(qū)舉升裝置的改造，通過吊裝框架的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了大口徑管道的坡口作業(yè)，為后續(xù)自動焊接作業(yè)做好了準(zhǔn)備；天車系統(tǒng)的改造設(shè)計，對張緊器后大口徑管道噴砂涂覆作業(yè)設(shè)計了理論高度，實(shí)現(xiàn)了船尾涂覆作業(yè)；船尾滾輪系統(tǒng)，通過滾輪底部三角形支撐框架實(shí)現(xiàn)了船尾滾輪的豎直設(shè)置，管道實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)；托管架系統(tǒng)的改造，為船尾與海底之間架設(shè)了一個安全的通道，實(shí)現(xiàn)了管道的安全入水?？傮w而言，如上的改造實(shí)現(xiàn)了48 in水泥配重管的正常鋪設(shè)，滿足了今后鋪管船對于大口徑管道鋪設(shè)作業(yè)的要求。