水下ROV可拆卸式海缆抱卡的设计与应用

高 超 刘耀江 卢维强 李国毅 何昱亮

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067）

0 引言

近年来，在全球海洋油气开发的项目中，深水项目扮演着越来越重要的角色。开发水深超过500 m的深水项目占48%，开发水深超过1 500 m的深水项目占22%，深海油气开发已经成为未来各国油气资源争夺的主战场。海底电缆作为水下电力输送设备，连接上部设施和水下生产系统，被称为水下生产的生命线，是深海项目管道铺设的重要组成部分。海缆作为海上油气田开发的重要组成部分之一，主要应用于从水面生产设施到电潜泵等用电设备的连接，为水下用电设备提供生产所需要的动力。海缆安装作为海上油气田工程建设的重要组成部分，通常在海缆末端下放入水过程中，需要采用钢丝编织的拖拉网套来承受海缆水中悬链线的重量，在打开张紧器使海缆末端通过的过程中，海缆不会滑脱以及破坏和失控。

1 原理概述

随着油田开发水深的增加，海缆在水中悬链线的质量也随之提升，采用常规的钢丝拖拉网套该工艺将无法满足实际施工的需要，并且拖拉网套对安装人员的要求较高，在高负载的情况下容易破坏管缆的外包覆，且拖拉网套安装后无法回收，将会永久地遗留在管缆上，在后续生产过程中增加了管缆被渔网拖曳的风险。拖拉网套的安装和编织方法受限于操作者的经验以及手法，存在极大的不稳定性。针对上述拖拉网套的缺陷，设计了1种水上甲板安装，水下ROV可拆卸式海缆抱卡是1种更加安全高效的方式，其示意图如图1所示[1-2]。

图1 水下ROV可拆卸式海缆抱卡示意图

通常在海缆末端需要通过张紧器之前，在入水桥位置安装钢丝编织的拖拉网套并与下放绞车相连，将海缆悬链线载荷由张紧器通过拖拉网套传递至绞车，使海缆末端可以顺利地通过张紧器，并由水平姿态通过吊机实现翻身成为垂直姿态，并将载荷由绞车传递给吊机，水下ROV断开绞车与拖拉网套的连接，回收绞车至甲板，拖拉网套将遗留在海缆上。

水下ROV可拆卸式海缆抱卡为两瓣式环形结构如图1所示，内部采用类似4轨张紧器的特殊钢制垫板，并通过螺栓结构进行机械锁紧。可以通过内部垫板均匀地将载荷分步在管缆的外包覆上，抱卡为圆形环抱结构，如图2所示，可以提供较大的接触面积，在更短的长度上提供较大的轴向载荷，以保证操作安全可控，且对海缆的外包覆的影响较小。另外，抱卡是通过外侧圆形环抱结构配合内部垫板提供挤压力的，可以在同一外径的抱卡下，通过更换内部垫板的尺寸规格以适应不同外径的深水海缆。抱卡可以采用ROV进行水下回收，使用完成后在海缆表面无任何结构遗留，有效降低了后续生产过程中管缆被渔船挂到拖曳的风险。

2 水下ROV可拆卸式海缆抱卡设计

2.1 抱卡总体设计

深水海缆大多外径尺寸不一，目前拖拉网套多为针对单一外径海缆、受力情况定制适用于单个海缆的拖拉网套，拖拉网套的安装和编织方法受限于操作者的经验以及手法，存在极大的不稳定性，进而影响海上施工的安全。ROV可拆卸式抱卡如图3所示，其可以提供稳定、标准化提供安装以及受力，并且可以使用ROV进行水下拆除，确保海上施工的安全，以及降低后续生产过程中管缆被渔船挂到拖曳的风险。抱卡通过顶部2个吊耳与绞车钢丝绳相连提供受力，在甲板上通过扭矩扳手工具对抱卡进行锁紧。锁紧机构上一侧采用ROV液压工具可拆卸式螺母，另一侧则采用内嵌是螺帽配合弹簧机构，以便于水下ROV解锁后，螺栓可以有效分离。在考虑ROV可拆卸式抱卡受力情况时，需要考虑安装工况下可能面临的最大受力情况，并且至少保留1.5倍的安全系数，以应对可能的极端突发情况。

2.2 抱卡的垫板设计

图2 水下ROV可拆卸式海缆抱卡使用示意图

抱卡是通过内部抱卡的挤压力以及垫板与海缆的外表面摩擦力提供轴向拉力，需要设计垫板挤压到海缆的外表面上，形成足够的挤压载荷，通过外层的摩擦能力来确保提升载荷，并将载荷传递至产品的铠装。要设计1种机械卡子和垫板，可以安装在海缆的任何位置，提供挤压力和摩擦力。因为ROV管卡的载荷能力完全取决于管卡的内摩擦力。

图3 水下ROV可拆卸式海缆抱卡总体结构示意图

为了使抱卡可以针对不同外径，可以通过更换抱卡内部不同厚度的垫板实现。

垫板的设计如图4所示，需要考虑海缆可以承受的径向挤压力，并通过垫板的有效解除面积以及夹角计算可以施加到海缆本体上的有效挤压力，在完成垫板的外形设计后，需要将设计参数发给海缆厂家进行校核，并在垫板预制成功后，采用海缆的样缆进行挤压力和滑移测试，以验证抱卡的性能是否能满足要求。

图4 水下ROV可拆卸式海缆抱卡垫板示意图

2.3 抱卡强度分析

抱卡强度分析主要包括安装过程中的吊装分析、受力分析以及结构强度分析。通过安装分析确定了动态放大系数后，可以对ROV操作管缆抱卡进行吊装分析和受力分析，以选取合适的吊装索具和垫板，确定安装过程中ROV操作管缆抱卡的强度满足要求。

3 水下ROV可拆卸式海缆抱卡安装与回收

水下ROV可拆卸式海缆抱卡在海缆末端到达张紧器入口前需要进行安装，安装完成后需要与能提供足够拉力的绞车钢丝绳相连，并在绞车上安装拉力计以监控海缆末端通过张紧器下放过程中的受力情况。确保受力始终在设计受力范围以内。

3.1 水下ROV可拆卸式海缆抱卡甲板安装

准备ROV抱卡吊装索具，吊装抱卡至工作平台；利用吊机安装抱卡至海缆，进行组队，并利用绑扎带，手拉葫芦等工具进行对中，并通过ROV卸扣与A&R绞车相连，并将回收索具绑扎在抱卡上；在A&R绞车上安装拉力计；通过扭矩扳手对螺栓进行锁紧，按照既定顺利进行螺栓紧固，达到预定设计扭矩值；吊机连接海缆末端，准备通过张紧器，并下放末端入水；继续铺设海缆，下放ROV抱卡入水，直到海缆末端接近张紧器入口处，回收A&R绞车并带力；打开张紧器，吊机配合绞车使海缆末端缓慢地通过张紧器；海缆末端通过张紧器后，吊机将整个海缆末端提起，逐渐将受力由绞车传递给吊机。

3.2 索具设计

抱卡在甲板上安装完成后，需要通过索具在拆卸后回收至甲板，为了实现水下ROV拆卸并顺利回收至甲板，将绞车与抱卡通过如图5所示连接，索具通过ROV可拆卸式卸扣，并通过钢丝绳卸扣与抱卡顶部吊耳相连，同时延伸出吊机回收索具及吊带与吊环，后续通过ROV钩与吊机相连。

吊机回收索具如图6所示，采用吊机与吊带连接并携带ROV钩的配置

图5 水下ROV可拆卸式海缆抱卡连接索具示意图

3.3 抱卡回收

当海缆末端通过张紧器后，受力将由抱卡传递至吊机，此时ROV水下断开绞车钢丝绳与抱卡之间的连接，回收绞车钢丝绳至甲板，下放吊机回收索具，将回收索具携带的ROV钩与预留的回收吊环相连。ROV携带液压工具，对锁紧的螺栓进行反向解锁，按照螺栓的安装顺序依次断开螺栓的连接，待所有螺栓都断开后，回收抱卡至甲板。

4 结语

图6 水下ROV可拆卸式海缆抱卡回收索具示意图

水下ROV可拆卸式海缆抱卡作为深水海缆安装必备装置之一，会越来越多地应用在海洋石油开发的深水安装项目中。在未来，ROV海缆抱卡必将可以取代拖拉网套。尤其是在深水项目中，由于水深深导致海缆在水中的悬链线长，顶部载荷大，并且深水管缆的外包覆均为PE材质，传统的拖拉网套在高载荷状态下容易滑动，难以保证其安全性。水下ROV可拆卸式海缆抱卡的研究设计可以适应一定范围内不同外径的管缆，提供稳定、标准化的安装回收流程，可以增强海上施工的稳定性、安全性。水下ROV可拆卸式海缆抱卡在实际应用的过程中，仍然需要考虑如下问题，ROV液压工具在每次使用前需要进行校准，并在每个螺栓上进行适配，确定水下液压工具可以完美适配ROV抱卡。根据ROV抱卡的使用频次，需要根据螺栓疲劳和屈服强度对螺栓进行选型。为了应对更为复杂的工况，进一步拓展水下ROV可拆卸式海缆抱卡，考虑如何实现海缆抱卡水下ROV可拆可装，以便于广泛地应用于后期海缆的维修作业。