复杂海况下大管径柔性软管连续弧形铺设施工工艺

于银海，刘 丰，江 锦，刘 朋，崔占明

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

早期海洋柔性软管主要用于海况较好的海域，且管径尺寸较小。随着软管设计和生产技术的快速发展，柔性软管已广泛应用于世界多个海域的油气田中，最大生产尺寸已达D 20 in（1 in=25.4 mm）。与钢管相比，柔性软管具有对海底地形适应性好、防腐性能好、易铺设和可回收等特点[1]。在海况较好的区域，因水流速度小、水下能见度高，软管在铺设过程中能够保持很好的稳定性，并能通过ROV观察软管在水下的状态，控制铺管船移动路径，顺利将软管铺设到预定路由。在海流速度大、能见度极差的复杂海况下进行软管铺设，往往很难达到铺设精度要求，尤其大管径柔性软管沿海床存在高差的连续弧形路径铺设，将更加困难。本文以东海某油气田输气登陆管道在舟山群岛强潮流海域的损伤段用柔性软管改线更换为例，介绍在流速急、平潮时间短、海水能见度差等特殊情况下柔性软管铺设工艺。

1 工程概述

东海某油气田长约389 km的D 14 in外输天然气海底管道途径舟山群岛海域在上海登陆，受舟山海域强潮流长期冲刷影响，部分管道所在海床因地质极不稳定多次发生地质沉陷，造成管道损伤。位于东极岛附近的一段管道在台风影响期间发生损伤，为完成管道永久修复，彻底解决地质沉陷对后期管道正常运营的影响，采用图1所示Ω型的路径铺设303 m柔性软管替换原损伤钢质管道，以增强管道对地质沉陷的适应性，柔性软管铺设区域水深约26 m。

柔性软管参数见表1。

图1 管道Ω型改线路由/m

表1 柔性软管参数

2 软管铺设分析

2.1 软管铺设分析方法

软管的安装分析模拟从起始端开始，假设起始端已经锚固在海床上，并将软管水平布置在施工船甲板上的张紧器和水平托轨上，随着铺设船舶前行将软管铺设至海床上。铺设过程中考虑波流组合对软管的水动力作用，以校验张力及弯曲半径能否满足API RP 17B和API SPEC 17J规范[2-3]要求。因软管在水中重量较轻，为增加软管在水中的稳定性，软管采用注水铺设。

软管入水桥弯曲半径3.5 m，张紧器最大张力150 kN。为确保船舶安装过程的连续性及可行性，考虑在波浪条件较好的情况下进行软管铺设，铺设分析中选取波高1.5 m、波周期6 s。

分析中考虑一年一遇的流速和平潮流速对铺设过程的影响，流速数据见表2。

表2 流速数据

为了确定铺设张力，分析中考虑50～150 kN区间不同张紧器张力对软管铺设的影响，张力增量为20 kN。

利用Orcaflex有限元分析软件建立铺设船舶及软管模型。铺设船舶使用Vessel进行模拟，软管及拖拉缆采用Line进行模拟，软管和拖拉缆的连接使用3D Buoy模拟，入水桥和甲板采用Shape进行模拟。环境条件中的波浪使用斯托克斯五阶波理论，流速按照设计基础数据输入，保守考虑取波、流同向并垂直于软管铺设方向。

2.2 分析结果

考虑了不同铺设张力及不同海况的影响，给出了不同组合计算工况下软管的横向偏移、最大张力、最小弯曲半径、最大离船偏角（即软管离开入水桥时与竖向的夹角）、着泥点距入水桥的水平距离。

（1）底部流速为1.19 m/s（一年一遇）海况下软管铺设分析结果见表3。

从分析结果可以看出，当张紧器张力为50 kN的时候，软管在铺设20 m后发生8.37 m横向偏移，而在距起始端50 m处发生了15.19 m的偏移，也就是说此时软管已经不能按照船舶行进路由铺设。随着张力的增加，偏移量也在减小，但当张紧器张力为150 kN时软管距起始端50 m位置依然会有6.26 m的横向偏移。

（2）底部流速为0.3 m/s（平潮期）海况下软管铺设分析结果见表4。

表3 一年一遇海况软管铺设分析结果

表4 平潮期海况软管铺设分析结果

当张紧器张力为50 kN时，软管在铺设20 m后发生1.24 m横向偏移，而在距起始端50 m处发生了1.77 m的偏移，小于5倍的管径，可以认为软管铺设路由符合船舶的行进路由。随着张力的增加，偏移量也在减小，可以说此时软管铺设很好地契合了船舶行进路由，因此软管铺设时间选择了水流速度较小的平潮期进行。

当张紧器张力为50 kN时，软管拖地点距入水桥水平距离约21 m，随着张力的增加，软管拖地点距入水桥的位置越来越远，在张紧器张力为150 kN的情况下，达到72 m左右，这说明软管在水中长度较长，不利于管道铺设，因为铺设过程中管道越早地铺至海床上，就会有更多的土壤抗力提供给管道以减少水动力带来的管道运动，因此软管实际铺设过程中选择控制恒定铺设张力为50 kN。

3 软管铺设作业

3.1 放置限位沙包

被替换的管道原长度为250 m，而柔性软管沿Ω型路由的总长度为303 m，需要通过3个弧形弯，使新铺软管偏离原管道路由。柔性软管起始端和终止端各长36.6 m直管段需要铺设到比海床面低约2 m的管沟内，通过两个弯曲半径为35 m，长30.5 m的弧形段过渡到海床上。为保证软管铺设过程中顺利过渡，并按照设计弯曲路径达到理想的铺设精度，柔性软管铺设前根据USBL信标指引，在柔性软管每个设计弧形弯的起点、中点和终点分别摆放3个限位沙包点（如图2所示），每个限位点沙包高度约1 m，以便在柔性软管经过限位沙包时，调整和控制铺设路由。

图2 弧形弯限位沙包放置/m

3.2 软管起始端铺设

3.2.1 起始缆安装

与软管起始端对接的原管道端部位于海床面以下2 m的管沟内，已经预先安装了机械连接器法兰，悬空高度约0.8 m，为避免柔性软管起始端与机械连接器法兰碰撞，且方便软管铺设后起始端法兰与机械连接器法兰对接，因此起始铺设需要达到较高的精度。

在与起始端对接的机械连接器法兰后方约5 m位置的原管道上，拴10 t吊带并使用卡环锁紧，将吊带环形扣留在管道正上方，然后挂10 t倒链作为起始缆。在距离近岸端机械连接器法兰面约1.5 m位置预放软管起始端连接件支撑沙袋，以便对软管起始端的锚固件进行支撑，如图3所示。

图3 起始缆安装

3.2.2 起始铺设

软管从滚筒上释放，牵引起始端通过张紧器，放置在水平托轨和入水桥上。施工船甲板上履带吊机吊钩通过吊索与起始端拖拉盲板上的25 t卡环连接，缓慢起升吊钩提起软管起始端，旋转吊机臂使吊钩至入水桥与机械连接器中间位置，同时滚筒驱动和张紧器同步释放管道，把柔性软管从甲板拖出，成J型（如图4所示）。

图4 吊装起始端软管成J型

吊机旋转到位后，保持吊钩位置不动，张紧器继续释放柔性软管，使软管在重力作用下自然下垂成U型（如图5所示），然后继续缓慢下放软管和吊机吊钩。

图5 吊装起始端软管成U型

在软管即将到达海床时，潜水员下水到软管最低点位置指挥履带吊继续缓慢下放，把软管起始端连接件下放至泥面，使起始端软管成S型（如图6所示），根据起始端拖拉盲板与机械连接器法兰之间的距离，起升吊机调整变幅和旋转，最终使起始端拖拉盲板距机械连接器法兰间距约50 cm。

图6 吊装起始端软管成S型

用10 t吊带在软管起始端法兰后侧缠绕并锁紧后，将吊带一端从软管法兰正上方，与近岸端原管道上拴的吊带和倒链组成的起始缆连接（如图7所示），然后解除吊机吊扣。

图7 软管起始端与起始缆连接

3.3 软管铺设

3.3.1 软管铺设时的定位信标监测

软管铺设过程中，在柔性软管每个弧形弯两侧约5 m位置各绑扎1个USBL信标，共6个信标，以监测铺管过程中软管在水下的位置和状态，并以此核算距离终止点的距离。当软管着泥点到达设计弧形弯沙袋限位点位置时，及时调整船位、艏向，确保软管路由铺设在限位沙包外侧，按照弧形设计路由造弯。

3.3.2 起始直管段铺设路由控制

由于软管设计路由起始端和终止端各36.6 m直管段与原管道路由重叠，即需要铺设到深约2 m左右的管沟内，中间弧形区域位于海床面上。为避免软管从沟底上升到海床面过程中，造成起始端直管段与原管道路由偏离形成角度，影响后期法兰对接效率和质量，因此在第一个弧形弯开始造弯之前，在软管弧形弯起始点两侧再放置两大包沙包，将软管夹在中间，沙包之间用吊带连接起来（见图8），把起始端直管段牢牢地固定在沟底。

图8 铺设过程中第一个弧形弯起点限位沙袋放置

3.3.3 软管铺设过程中张力控制

软管铺设张紧器为两履带式张紧器，履带宽度仅250 mm，若张紧器夹紧力较大，会增加软管在挤压情况下变形的风险。另外为控制软管在铺设过程中沿摆放的限位沙包造弯，软管的着泥点水平距离不宜过远。因此软管铺设过程中实时监控软管入水后的走向，通过调整张紧器和滚筒放管速度，使软管保持竖直并稍微向外偏移。软管着泥点到入水桥之间，保持悬空软管长度约38 m左右，与软管铺设分析结果基本吻合。

3.4 终止端铺设

当终止端软管即将与滚筒脱离前，使用履带吊吊钩连接终止端拖拉盲板，解除软管终止端与滚筒的固定连接。在终止端拖拉盲板卡环上连接一根牵引缆，牵引缆另一端通过导向与船上绞车连接。提升位于船舶甲板上的终止端软管成J型。然后移船开始铺设剩余软管，同时旋转履带吊、放松牵引缆，最终将软管终止端移至船侧，与水下管道成L型（如图9所示）。

缓慢移船并下放软管，将软管终止端沿设计路由逐步下放到海床。在终止端法兰到达海床之前，潜水员下水，检查软管法兰与远岸端原管道端部的距离，引导终止端法兰下放到泥面上（如图10所示）。

图10 终止端软管放置在海床

3.4 软管路由调查

软管全部放置到海床后，绑扎在软管上的6个定位信标显示坐标与设计位置几乎完全一致。潜水员从终止端法兰沿软管向起始端探摸调查软管路由发现：终止端法兰与原海底管道的远岸端法兰相距约1 m，轴向错位约1个法兰盘（如图11所示），有利于后续法兰对接工作；所有限位沙包无明显滑动移位,软管整体路由与设计路由基本吻合；软管表面无任何损伤和扭转迹象，状态良好。

图11 终止端法兰与远岸端法兰相对位置

4 结束语

柔性软管铺设技术在国内已趋于成熟，但D 14 in大管径柔性软管在短距离内三个弧形弯的连续铺设和应用在国内尚属首次。本项目相比普通柔性软管铺设项目有3个独特之处：

（1）在原海底管道上设置铺设起始缆，保证了软管起始端的铺设精度，方便了后续法兰连接。

（2）铺设前和铺设过程中设置软管弯曲限位点，保证了软管顺利从约2 m深管沟过渡到海床面上，并形成连续弧形弯。

（3）在软管上绑扎水下定位信标，有效地监控了软管在水下的位置，达到了理想的铺设精度。

以上是以往柔性软管铺设项目从未有过的经历，本项目在存在海床高差、低能见度、强潮流海域的情况下，成功实现短距离内柔性软管的连续弧形铺设，为今后其他柔性软管铺设提供有益的借鉴，进一步提升复杂海况下柔性软管铺设的施工技术水平。

[1]陈海.国产海底软管在海上油气田的应用[J].石油机械，2016（5）：61-65.

[2]APIRP 17B-2014，Recommended practice for flexible pipe[S].

[3]API SPEC 17J-2014，Specification for unbonded flexible pipe[S].