水下設(shè)備安裝過程及其影響因素分析

徐亞國

(中海輝固地學(xué)服務(wù)(深圳)有限公司，廣東 深圳 518067)

隨著世界范圍內(nèi)海洋油氣資源開發(fā)力度的不斷增大，海洋油氣資源開采逐步從淺水走向深水，深水油氣開發(fā)也逐漸成為石油工業(yè)的科技創(chuàng)新前沿，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)是目前深水開發(fā)的主要手段，也是目前最經(jīng)濟有效的方式[1-4]。在海上極端惡劣的環(huán)境下安裝龐大復(fù)雜的水下生產(chǎn)系統(tǒng)極具挑戰(zhàn)性，筆者作為海洋石油從業(yè)者，曾多次在海上參與水下采油樹、管匯終端PLEM、跨接管、吸力錨等水下設(shè)備的安裝作業(yè)，對水下設(shè)備的安裝過程有一定了解，在查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，筆者針對水下設(shè)備的安裝過程，分析并總結(jié)了影響安裝過程的主要影響因素，期望為我國在水下設(shè)備領(lǐng)域的工程安裝提供借鑒。

1 水下設(shè)備安裝過程

由于水下設(shè)備種類繁多，其結(jié)構(gòu)、體積和質(zhì)量等因素對安裝方式均會有一定影響，因此安裝過程存在一定的差異，但安裝的總體過程基本一致。典型的水下設(shè)備安裝過程如圖1所示。水下設(shè)備安裝過程大致分為裝船固定、提升操作、穿越飛濺區(qū)、深水下放、落地坐放5個階段[5-8]。

1.1 裝船固定階段

裝船固定階段是將水下設(shè)備進行裝船固定并運輸至目的地。由于海上環(huán)境惡劣，船舶在航行過程中同時承受著橫搖和縱搖運動，船上設(shè)備的主要受力等于橫搖和縱搖加速度引起的受力之和與重力的合力，并且這種合力的大小和方向都是時刻變化的，因此裝船時對設(shè)備的固定顯得非常重要，多數(shù)情況下需要將設(shè)備直接焊接在甲板上，到達目的地準備將設(shè)備提升下放時再進行切割，防止設(shè)備在運輸過程中由于顛簸發(fā)生移位碰撞情況的發(fā)生。

1.2 提升操作階段

將設(shè)備從船舶吊起至入水前為提升操作階段，該階段由于水下設(shè)備的復(fù)雜性，根據(jù)水下設(shè)備的類型不同，安裝差異性相對較大，比較常用的方式是使用船舶吊機直接提升并入水。這種安裝方式對船舶的要求較高，一般要求船舶配置動力定位系統(tǒng)，吊機配置升沉補償系統(tǒng)，另外，船上還需安裝2套水下機器人系統(tǒng)以方便設(shè)備入水后進行水下監(jiān)控與輔助安裝。由于鋼絲繩自重較大，隨著作業(yè)水深的增加，船舶吊機的有效負載能力會大幅度減小，這給船舶吊機帶來極大挑戰(zhàn)[9]。另一種常用安裝方式是借助鉆井平臺完成水下設(shè)備的安裝，即首先將設(shè)備從船舶吊裝至鉆井平臺并轉(zhuǎn)運至月池，借助鉆桿來下放設(shè)備，深水鉆井平臺一般都配有動力定位系統(tǒng)，鉆臺配有升沉補償裝置，因而這種方式可以確保設(shè)備下放過程安全平穩(wěn)，但受平臺月池空間的限制，只有體積相對較小的設(shè)備才可使用這種方式安裝。

1.3 穿越飛濺區(qū)階段

穿越飛濺區(qū)是整個安裝過程最危險階段，該階段設(shè)備受環(huán)境載荷的影響最大，從設(shè)備剛?cè)胨酵耆胨倪^程中，海水的動力附加質(zhì)量和拖曳力極大地影響設(shè)備的動態(tài)響應(yīng)，海平面的震蕩使設(shè)備所受浮力急劇變化，導(dǎo)致纜繩受力大幅度增加，極大地增加了受損風(fēng)險。水動力對設(shè)備的沖擊效應(yīng)極易對設(shè)備造成損壞，因此水下設(shè)備在最開始的設(shè)計階段就要特別考慮此影響。

1.4 深水下放階段

深水下放過程相對平穩(wěn)，隨著鋼絲繩長度的增加，安裝系統(tǒng)的剛性會衰減，而固有周期會增加，當(dāng)下放到一定深度后，安裝系統(tǒng)的固有周期會等于船舶的固有周期，從而發(fā)生共振響應(yīng)，會導(dǎo)致鋼絲繩出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，發(fā)生較大的動態(tài)響應(yīng)，從而對安裝系統(tǒng)造成影響，在一定程度上使安裝系統(tǒng)的操作性降低。

1.5 落底下放階段

落底下放也是水下安裝過程相對比較危險階段，設(shè)備的升沉運動與海底設(shè)施接觸時會發(fā)生沖擊載荷，存在設(shè)備損壞的可能，當(dāng)水下設(shè)備坐上海底固定設(shè)施或坐到海床后就從自由狀態(tài)轉(zhuǎn)為固定狀態(tài)，短暫時間內(nèi)會使鋼絲繩的動態(tài)響應(yīng)增加。為避免對設(shè)備造成拖曳移動，應(yīng)盡可能地縮短此動態(tài)響應(yīng)時間，快速將鋼絲繩完全松弛。

2 水下設(shè)備安裝影響因素分析

從以上水下設(shè)備的安裝過程來看，對水下設(shè)備安裝造成負面影響的主要有水深、波浪載荷、水下設(shè)備本身的參數(shù)等因素，主要的技術(shù)難點和挑戰(zhàn)體現(xiàn)在吊放系統(tǒng)受載嚴重、波浪海流的沖擊、共振響應(yīng)、船舶動態(tài)響應(yīng)、精準定位等[10]，深水設(shè)備安裝的主要難點示意圖如圖2所示。

圖2 水下設(shè)備安裝難點示意圖

2.1 水深的影響

水深對安裝過程的影響一方面體現(xiàn)在對吊放系統(tǒng)的影響，采用傳統(tǒng)吊機安裝方式時，當(dāng)作業(yè)水深增加時，可選用的鋼絲繩越來越少，而且由于鋼絲繩自重較大，深水作業(yè)時，鋼絲繩的有效負載能力大幅度減小，使用較長的鋼絲繩使得船舶與安裝系統(tǒng)產(chǎn)生共振響應(yīng)的可能性增加，這也增加了鋼絲繩過載失效的風(fēng)險；另一方面的影響是水深的增加使設(shè)備產(chǎn)生較大的橫向偏移，對精準定位提出了更大挑戰(zhàn)，也增加了鋼絲繩與水下設(shè)施發(fā)生纏繞的可能。

2.2 波浪載荷的影響

在設(shè)備安裝過程中，波浪載荷會一直影響船舶的動態(tài)響應(yīng)，進而影響船舶吊機的運動，吊鉤位移、速度的變化對鋼絲繩的疲勞損傷增加。另外設(shè)備在經(jīng)歷穿越飛濺區(qū)階段時，波浪的沖擊載荷可能對設(shè)備造成損傷，海平面的震蕩使設(shè)備所受浮力急劇變化，導(dǎo)致纜繩受力大幅度增加，極大地增加了受損風(fēng)險[11]。

2.3 水下設(shè)備自身參數(shù)的影響

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，各種水下設(shè)備的尺寸、形狀、體積、質(zhì)量都有很大差異，不同水下設(shè)備對安裝方式及船舶的要求也不盡相同，如小型采油樹、吸力錨等尺寸相對較小的設(shè)備，在選用安裝方式和船舶時就相對寬松；而對于大型的管匯終端、跨接管、水下基盤等，有時要根據(jù)設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)特點專門設(shè)計獨特的安裝方式。

3 總結(jié)

對水下設(shè)備的安裝過程進行了簡要論述，由于水下設(shè)備的種類繁多，其結(jié)構(gòu)、體積和質(zhì)量等因素使安裝過程存在一定差異，但總體過程大致分為裝船固定、提升操作、穿越飛濺區(qū)、深水下放、落地坐放5個階段。針對影響水下設(shè)備安裝過程的主要因素進行了分析，其中水深主要影響吊放系統(tǒng)和設(shè)備在水下的橫向偏移；波浪載荷主要影響船舶的動態(tài)響應(yīng)，在設(shè)備經(jīng)歷穿越飛濺區(qū)階段時對設(shè)備及纜繩造成損傷的風(fēng)險較大；水下設(shè)備自身參數(shù)主要影響安裝方式和安裝船舶的選用。