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摘要：子母管海底管道是由两个部分组成：尺寸较大的管线和小尺寸管线，二者使用管卡进行绑扎固定，大尺寸在正常铺设的过程中通过管卡的固定力量将子管同步带入海底。这种子母海底管道铺设技术的研究成果成功应用在实际工程中，将直接节约由于单独铺设子管而产生的昂贵费用，将为工程项目带来客观的经济效益。本文将根据动力定位起重铺管船“海洋石油201”在东海某项目中铺设的1条长度为18.09公里的2inch/8inch子母管海底管道的实际施工情况，介绍“海洋石油201”子母海底管道铺设技术的研究内容，及实际应用效果，旨在为其他类似子母海底管道的铺设施工提供宝贵经验。
关键词：子管；母管；起始铺设；正常铺设；终止铺设
引言：
随着我国海洋石油事业的高速发展，单层/双层海底管道、水下软管已经成为输送海洋石油天然气的重要输送途径，这种单个结构的海底管道或软管使用铺管船/铺缆船进行铺设作业的工艺通过渤海、东海和南海海域多个工程项目的实践已相对成熟。另外，有些工程项目由于实际作业需要在铺设海底管道输送油气水等介质外，还需要管径为4inch及以内的小管来输送其他非油气水的介质，通常这种介质的输送由软管来完成。自然，铺设一条软管则需采购昂贵的软管，使用专业的铺缆船完成作业，这无形中给工程项目增加了不少船舶资源和采办的工程费用。
在海洋石油平台输送介质不断的多元化、作业水深逐渐更深的大发展背景下，使用一条铺管船同时铺设大小管道，达到满足实际工程需求的同时节省大量的工程费用的子母海底管道铺设技术的研究也就意义重大，这种技术的如果要实际应用则要同时具备几个关键的因素，主要如下：
拥有两条能够同步进行焊接/NDT/防腐作业的作业线，使得子管和母管最终汇合整体入水达到铺设目的的铺管船；
设计可靠的子母管绑扎固定技术；
设计子母管起始/正常/终止铺设工艺流程；
要有满足规范要求的子母管铺设计算分析；
防止子母管发生旋转导致子管受损的解决措施；
然而，国内海洋工程界这种较深水的子母管铺设技术仍处于空白状态，在国际上对有关超过50米水深的子母管铺设技术的描述也极少。
1 项目背景
2014年，东海某项目由于作业平台的实际需求，在平台间除了要铺设一条8inch机械复合管外，还需要一条用于输送乙二醇（MEG）的管道。在项目前期研究阶段，计划单独敷设一条2inch软管来完成输送乙二醇介质，相应的采购和单独敷设的工程费用是相当昂贵的，这给工程预算本来就捉襟见肘的项目运行带来了极大的压力。正是在这个实际工程项目的背景下，技术人员通过先期的大量论证，确定了在海洋石油201船在左舷新增临时2inch子管作业线，在船尾将2inch子管和8inch母管绑扎固定后同时铺设的方案，以此来解决原计划单独铺设2inch软管产生的巨大工程管理和经济效益影响。
本文将根据该项目的具体工程实例简要介绍子母海底管道铺设技术的研究内容，及实际应用效果。该项目共计7条海底管道，其中两条分别为8inch双金属机械复合油气水混输管道2inchMEG输送管道，对应管道相关信息详见表1。
下述为本文中所涉及到的专业词汇解释：
MEG 乙二醇
KP 海底管道公里数
NDT 无损检测作业
DP 动力定位
3LPE 三层聚丙烯防腐涂层
A/R 弃置/回收系统
AUT 全自动超声波无损检测
PAUT 全自动相控阵超声波无损检测
ROV 水下机器人
2 子母管铺设技术
子母海底管道的铺设技术主要包括起始铺设、正常铺设、终止铺设工艺。
2.1 起始铺设
对于子母海底管道的铺设，起始铺设技术是非常重要的一个环节，此项技术的顺利实施将为后续其他工作的进行起到极其重要的作用。起始铺设技术主要分解为以下几方面：
2.1.1 起始铺设系统布置安装方案
该项目起始锚系统采用双锚系统进行布设，包含两个Stevpris MK5锚，主锚重10吨，piggy-back锚重7吨，如图1所示。该系统的抗拉能力不小于两个锚单独使用时抗拉能力之和，这种双锚系统能够有效的提供起始铺设所需的预张力，在海底管道铺设实际工程中有着良好的应用效果。
2.1.2 8inch复合管预制接长工艺
由于8inch母管是CRA机械复合管，相比较常见的碳钢管而言焊接速度相对慢，因此只需要一条右辅线预制成24.4米双节点即可满足主线的需求。有关母管预制及接长工艺主要如下：
1）12.2米单节点8inch母管在右舷预制区，分5个工作站使用TIP TIG全自动钨极氩弧焊接工艺和AUT检验工艺，完成24.4米双节管预制工作，并传送至主线作业区进入主线流程；
2）8inch母管的起始端是预先焊接完成的法兰，将通过主线的多个流水作业站，使用TIP TIG全自动钨极氩弧焊和AUT检验工艺，节点处进行喷砂除锈、中频加热、喷涂环氧底漆、热缩带安装等一系列防腐工作，最后在管端空白处使用高强度聚氨酯泡沫进行填充作业，通过DP铺管船每24.4米完成一次走船，最终将首根法兰管预制接长至主线6.5站（在主线4站暂停安装起始封头及法兰保护器）。
2.1.3 2inch子管左辅舷双节点预制及子管作业线接长工艺
海洋石油201的左舷辅线作的预制区是作为2inch子管的预制接长作业线，并在主线舱壁上安装支撑托管滚轮组、坡面滚动支撑臂组成子管主线，当子管穿过舱壁后通过母管主线6站后方加装的弧形导向滚轮组，实现实现子管并入主线与母管平行汇合的施工要求，创造性的解决了子管与母管双节点铺设的同步协调问题，而且作业结束后滚轮组系统拆除作为其他类似项目的设备储备。有关子管预制及接长工艺主要如下：
1）12.2米单节点2inch子管在左舷坡口区完成V型坡口除锈预处理后传送至左舷预制区，在该区使用手把钨极氩弧焊工艺焊接，并手动超声波PAUT工艺完成检验工作，预制完成24.4米双节点子管；
2）预制好的24.4米子管传送至改造新增在舱壁上的子管主线，使用钨极氩弧焊工艺焊接，并手动超声波PAUT工艺完成子管的预制接长工作；
3）预制接长的子管通过船尾10吨绞车牵引，沿着舱壁上的支撑托管滚轮组路由穿过舱壁孔和弧形导向滚轮组，最终在主线6.5站与8inch母管汇合，准备绑扎作业。另外，子管在整个主线路由上要通过两个曲率半径为20米的圆弧过渡区域。
2.1.4 子母管绑扎固定及ARD防旋转系统安装
子管管卡作为连接子管和母管的关键构件，其主要由垫块和绑扎带两部分构成。通过对管卡在海底管道安装期间所受载荷的作用进行计算分析，确定子母管卡主要受来自绑扎带的向下的力、母管对垫块的向上的力，来自外部环境的作用在垫块上的侧向力和母管及子管对管卡的轴向方向上的摩擦力。采用材料力学和水力学理论，对子母管及管卡进行简化分析，并考虑一定的安全系数，最终得到如表1所列管卡所受的载荷数据。
子母管卡垫块需起到隔离子母管、支撑子管并提供限位和保护的多重作用，根据子母管的结构形式，经对比分析后确定采用PU材料的子管全包型垫块形式，使用两条钢带和一条316L不锈钢带的组合形式进行绑扎作业，保证了子母管在位的整体性和作业工况的安全性。此项工作是在主线6.5站-7站之间进行的，安装的Saddle Block管卡作业形式见图4。
根据作业经验起始缆在预布过程中将存留一定的扭力，由于起始缆引起的扭矩会导致子母管发生一定程度的扭转，较大程度的旋转将导致子管处于下方增大受损的风险，而对于此类旋转的解决方案国内尚无经验可借鉴。基于FEM的子母管安装扭转机制数值模拟，分析出子管的扭转趋势以及扭转的可接受范围，提出了10米长度范围内子管绕母管中心线旋转角度须控制在2度以内，在海管悬链线长度范围内子管转角控制在90度以内的控制指标。因此，提出对应的抑制或减缓扭转的ARD（Anti-Rotation Device）防旋转系统，主要由YOKE臂、卡具、2.5吨净浮力浮筒及固定索具构成，该系统安装在海管起始端部，当起始封头离开托管架以后ROV水下激活，由浮筒提供竖直向上的浮力通过YOKE臂的力臂产生一定的力矩来抑制管线发生旋转。通过使用“OrcaFlex ”软件计算分析这套系统可以有效抑制200米长度的海管在134°范围内的旋转，完全满足实际作业需求。此套防旋转ARD系统卡具以及YOKE臂是在主线7站完成的，激活前后的状态见图5。
同时，在起始封头和起始缆之间安装一套80吨的旋转环，在起始铺设时释放部分起始缆存留的扭力，更大程度的降低子母管的旋转风险。
2.1.5 起始铺设至海管着泥
1）完成上述所有工作后，主作业线船向前移船24.4米距离，重复2.1.1至2.1.4的工艺流程，在起始铺设系统的牵引下子母管缓慢入水；
2）当起始封头离开托管架尾部后，水下机器人ROV选择安全作业时机激活防旋转ARD系统，浮筒提供垂直作用力使得母管不发生旋转，确保子母管到达海床后子管处于上方。
3）继续2.1.1至2.1.4的工艺流程，完成子母管的起始铺设工作，整个过程ROV全程监控。
2.1.6子母管铺设计算分析：
计算校核是海底管道铺设技术的一个重要组成部分，本次计算分析使用“OrcaFlex 9.7 c”软件采用国际标准和规范，对子母管起始铺设、正常铺设及终止铺设的S型曲线进行计算分析，该曲线主要由铺管船张紧器、船尾支撑滚轮、托管架构成的上弯段和托管架下方到着泥点的下弯段构成。通过多次的试算，得出200m曲率半径下海底管道在各类作业期间海管的张力、位置及对应的上弯应力/应变情况，相应的输出应力/应变在满足DNV-OS-F101-2013 Sec.13G300规定的同时，选取最优的数据指导现场施工作业。另外，除了进行静态计算分析外，还要进行动态和疲劳计算分析。本文将对静态计算分析中的起始铺设计算分析结果进行说明，具体详见表3。
上述计算结果显示子母管在起始铺设过程中母管和子管的上弯段、下弯段应力/应变值均满足DNV-OS-F101-2013 Sec.13G300的规定，该规范规定X65等级的海管弯曲应变极限≤0.25%，上弯段和下弯段应力≤72%最小屈服强度。
2.2 正常铺设
对于子母管来说，起始铺设完成后，正常铺设作业将按照2.1章节所述的母管辅线双节点预制、主线流水线接长，及子管的双节点预制和主线流水线接长工艺进行，此处将不再赘述。
2.3 终止铺设
子母管铺设工艺中终止铺设相对简单，主要由母管主线终止铺设系统安装/连接作业、子管的预制，及终止弃管作业。另外，根据该项目其他5条碳钢管在同一海域完成终止铺设后的管线发生旋转程度较轻的实际情况，子母海底管道终止铺设将不再安装防旋转系统。
2.3.1 主线8inch复合管施工工艺
1）临近终止铺设时，考虑ROV对着泥点持续监控的位置数据，结合实际测量的剩余海管管长情况，根据海管铺设计算分析的管线伸长值，现场工程师进行计算复核，确定最后一根海管的长度，以确保海管设计要求的铺设精度；
2）在主线1站焊接调整管和最终的法兰管，并安装终止封头、法兰保护器，进行牺牲缆与A/R缆连接等工作，张力由张紧器转换至A/R绞车；
3）主作业船正常走船，在此过程中主各个工作站作业将陆续完成各自的焊接、检验、防腐工作，直到终止封头到达主线6.5站；
2.3.2 左舷2inch子管施工工艺
1）根据母管长度情况，将最后一根子管按照作业流程预制牵引到达主线6.5站，在6.5站完成长度3米的短节法兰管的焊接、检验及防腐工作，并子管终止封头；
2.3.3 主线子母海底管道终止铺设工艺
1）子母管终止封头到达主线6.5站，完成Saddle Block管卡的安装；
2）完成上述所有工作后，主作业船向前移船在A/R系统的牵引下逐渐铺设子母管终止端入水；
3）继续行船铺设海管，在ROV的全程监控下将海管终止端铺设至海底，ROV水下调查确认管端满足设计要求后，使用液压剪剪断牺牲缆，主作业船回收A/R缆完成终止铺设作业。
3 研究技术应用成果
本文介绍的子母管铺设技术，在实际工程项目中得到了良好的应用效果，为实际工程项目节约了千万元的工程费用取得了显著的经济效益，填补了国内海洋石油工程界该技术的空白，达到了国际同类技术的领先水平。
1）国内首次研究设计的方便拆装的临时子管支撑滚轮组组成的作业线，创造性的解决了一条船同时满足两条不同管径的海管互不干扰同步作业的问题，为今后类似项目的主作业船新增临时子管作业线提供了借鉴经验；
2）双起始锚布设的方法，极大的提高了起始锚系统的固定能力，完全满足较深水区域起始铺设所需的大拉力要求；
3）国内首次通过研究旋转控制与子管扭转模拟，设计的ARD防旋转系统有效的抑制了子母管的大幅度旋转，对其他类似抑制旋转的工程需要提供了有益的探索和实践；
4）国内首次研究设计的子母管固定管卡及绑扎技术，完全满足实际安装效率和安全可靠性的要求，同时为项目降本增效做出了卓越贡献；
5）国内首次研究设计的使用DP铺管船在百米级水深区域完成子母管双作业线起始、正常和终止铺设技术，填补了国内海洋工程界的空白，为我国海洋油气田开发方案提供了宝贵的工程技术经验与借鉴；
6）国内首次使用“OrcaFlex ”软件进行子母管的静态、动态和疲劳计算分析，合理的计算分析结果有效的指导了现场实际作业；
参考文献：
[1]倪超等. 深水不锈钢复合海底管道铺设工艺 [J]．科教论坛，2014年1月总期第7期CN42-0081．
[2]李志刚. 深水海底管道铺设技术[M]．机械工业出版社，2012.07．
论文作者:甘惠良 王东辉,汤立军,赵刚,董广宁,柴昕辰
论文发表刊物:《基层建设》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/18
标签：子母论文; 作业论文; 主线论文; 管道论文; 海底论文; 技术论文; 工艺论文; 《基层建设》2017年第26期论文;