管缆斜坡式铺设系统设计及应用

张云鹏

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067）

0 引言

随着海洋石油行业的发展，水下生产系统在深水油气田中应用得越来越广泛，其中柔性管缆是水下生产设施的重要组成部分，主要包括柔性软管、脐带缆、电缆。柔性管缆的主要特点是具有较小的弯曲半径，对由于连接浮体运动、波浪、海流环境和安装作业等引起的弯曲载荷具有较好的顺应性。

柔性管缆的海上安装通常由铺缆船完成，根据管缆入水方式的不同，可分为水平铺设（Horizontal-lay）和竖直铺设（Vertical-lay）2 种形式。水平铺设中，按照管缆存储方式的不同，也可分为卷盘（carousel）铺设和滚筒（reel）铺设。因滚筒方便运输，匹配性强，并可以多次重复利用，滚筒铺设目前应用广泛。

综合来看，水平铺设方式中使用动力定位船、中轴式滚筒驱动装置、张紧器、入水桥，这是国际上较为成熟的管缆安装方法，安装工作效率较高。部分项目由于其施工要求，需要设计应用较高的入水桥，张紧器也须相应加高并设置一定角度，这就用到特殊的斜坡式形式，其仍属于管缆水平铺设方式的范畴。

该文根据流花21-2 电缆施工实例进行论述，该例中斜坡式铺设系统的入水桥总高度为 14m，该创新设计的成功实施是国内水下管缆铺设的又一突破，具有良好的应用推广价值。

1 铺设关键设备

1.1 选型概述

柔性管缆铺设是一项复杂而系统的工程，为高效完成柔性管缆的铺设工作并实现效益最大化，需要合理选用设备。图1 为斜坡式铺设系统的侧视图，展示了铺设系统的基本设备。

图1 斜坡式铺设系统的设备

通常来说，柔性管缆铺设作业所需的关键设备选型，主要由以下关键因素决定：柔性管缆尺寸参数；柔性管缆数量及到货形式；柔性管缆铺设作业水深；柔性管缆的铺设方案。

柔性管缆铺设设备选型前需要对柔性管缆的技术文件进行详细研究，可先进行柔性管缆铺设初步分析，分析的结果可以为铺设装备选型、装船布置及辅助施工结构设计提供支持与建议。

管缆存储装置是柔性管缆存储、运输及铺设的载体。由上文可知，常见的柔性管缆存储装置一般分为滚筒和卷盘。滚筒和可旋转式卷缆盘，都是以绕轴旋转的方式收放管缆，不存在扭力积累，所以对海缆、软管和脐带缆的存储都适用，具体选择哪种类型，需要综合考虑柔性管缆参数和船舶参数。

如果是长距离管缆，在不允许分段的前提下，其存储采用较多的是固定卷缆盘或带有大容量储缆舱的施工船舶。带有储缆舱的专业铺缆船是长距离海缆铺设的首选，但这类船舶资源较少。

短距离的管缆较常采用滚筒存储及铺设，但须搭配专门的中轴式滚筒驱动装置来使用。

该实例的设备选型和结构设计，基于流花21-2 油田的2 条电缆：A 电缆（长度3.7km），B 电缆（长度3.86km）。电缆的主要参数见表1。

表1 电缆主要参数

1.2 滚筒驱动装置

中轴式滚筒驱动装置通常分为驱动立塔、滑轨、动力和控制单元4 个部分。驱动立塔上含有液压动力单元，垂直方向布置的液压缸可以顶举滚筒离开底座，塔顶的驱动模块可以与滚筒上的驱动接口相匹配并小范围水平移动，插入滚筒的驱动接口内，驱动模块在液压马达作用下驱动滚筒旋转，完成管缆收放。

滚筒驱动装置的选型需要根据滚筒的尺寸，滚筒及管缆的总重以及铺设的海况条件综合考虑。

目前国外厂家供货采用的滚筒已经形成了一套行业标准，滚筒的宽度和HUB 接口几乎完全一致，所以在滚筒尺寸方面主要考虑的是滚筒外径。

滚筒加上管缆的总质量，不能超过放缆装置可驱动的最大重量。如滚筒的宽度超过6m，这将导致装置的2 个驱动塔间隔较大，滚筒施加给驱动塔的力矩较大，可能造成驱动塔固定结构的损坏，所以驱动装置的选型需要考虑滚筒的宽度是否在规定范围内。

流花21-2 电缆由于厂家采用滚筒形式交货，滚筒的宽度和HUB 接口都为通用尺寸。电缆滚筒的自重为183MT，根据需求最终选取400MT 通用滚筒驱动装置。

1.3 张紧器设备

在铺设某些小管径管缆时，如果通过计算得出的铺设张力不大，可以考虑使用滚筒驱动装置直接铺设，但是需要保证管缆铺设至滚筒最内圈时的力矩不大于滚筒驱动装置能够承受的最大力矩。

如果无法使用滚筒驱动装置直接铺设，就需要在管缆铺设路由上增加张紧器设备。张紧器可以在管缆铺设下放过程中，控制铺设的速度，并保证管缆受到的张力为恒定值。张紧器的4 条履带向内移动收紧，给管缆施加压力，管缆表面和履带将产生摩擦力，这种摩擦力为软管提供张紧力，防止管缆意外滑动的同时向外输送管缆。

在张紧器选型时，根据初步计算分析的结果，首先选定张紧器的吨位，也就是张紧器可提供的最大张力。

管缆厂家提供的侧压力数据，注明了在不同的铺设张力值下，单位长度管缆每履带所需的最小侧压力和所能承受的最大侧压力，以及推荐侧压力数值。在进行选型时，先确定铺设张力的区间范围，然后配合张紧器厂家提供的侧压力表，核对在最小和最大侧压力范围内，张紧器能否提供足够张力。

张紧器的吨位确定后，需要根据其规格书核对该吨位的张紧器与管缆的尺寸是否匹配。不同类型的张紧器可适用的管缆外径有一个适应范围，只要确保管缆的尺寸在这个范围内即可。除此之外，在某些管缆上还会附着有如中间接头、限弯器之类的附件，需要保证张紧器履带的最大张开间距可以满足附件的通过要求。

对该实例流花21-2 电缆，使用水动力软件Orcaflex初步计算电缆铺设过程，得出电缆的最大动态张力为37.1MT。考虑该张力值及上述因素，选择使用最大工作荷载50MT 张紧器。

2 辅助结构物设计

2.1 入水桥

入水桥是管缆斜坡式铺设方式中的重要设备，一般将其固定在施工船舶船尾或船舷，是用于管缆入水导向的装置，主要起到支撑管缆并控制管缆在入水桥上曲率的作用，使管缆在铺设时管缆具有比较合理的变形。

入水桥通常采用弧面沟槽设计，入水桥的弧形板设计半径要求大于管缆的最小操作半径。需要根据管缆的参数和铺设要求等设计入水桥，如管缆在甲板上的路由、最小弯曲半径、固定位置等要求。

根据厂家提供的电缆资料，电缆的MBR（操作最小弯曲半径）为4.2m，设计的入水桥弧面半径必须要大于这个数值，考虑一定的设计余量，将其半径设计为5m。

在电缆的铺设过程中，需要在电缆上安装浮子、管卡等附属结构，这些安装工作在入水桥弧板的下方完成，因此需要将入水桥本体抬升至距甲板一定高度，以提供人员操作的空间，并在入水桥下方增加一个主工作平台。

流花21-2 有一段电缆外层需要安装限位管卡和左右两侧的限弯段结构，该段总长为11.6m，如图2 所示。根据操作需求，必须在入水桥弧板下方留有7m 以上的操作空间，以安装限位管卡和一侧限弯段。

图2 电缆限位管卡及限弯结构

根据以上需求，入水桥设计总高须要达到14m 左右，才能满足电缆铺设安装附属结构的要求。

如图3 所示，入水桥弧板下方的主工作平台设计有可向两侧打开的格栅盖板，盖上时可供人员站立，打开后即可通过电缆。工作平台上设计有2 条平行大梁，可以前后拉动，当电缆铺设至末端，需要进行电缆临时悬挂时，将大梁伸出提供悬挂支撑。入水桥的二层平台上设计有悬臂梁，方便转运电缆的附属结构和施工工具等。

图3 入水桥设计模型

2.2 张紧器支架

为了与入水桥相配合进行施工，配套的张紧器需要加高到相适应的高度，为保证电缆路径由张紧器至入水桥弧板的平顺过度，需要将张紧器设置为一定的角度，这可以通过设计张紧器下方支架的倾斜角度来实现。使用AutoCAD 软件进行模拟，得出支架的最优倾斜角度为17°。考虑到支架预制方便及拆装灵活，将入水桥支架设计为上下2 层，下层结构上表面水平，上层结构设计有倾斜角度。

3 有限元计算

3.1 计算通用参数

使用海洋工程结构分析软件SACS 进行入水桥和张紧器支架建模计算。设计使用HYSY285 船进行安装施工，入水桥和张紧器支架固定于船尾，如图4 所示。

图4 入水桥张紧器布置

根据DNVGL 船舶运动规范及船舶外形尺寸，采用表2 船舶运动参数进行装船计算。

结构计算的工况考虑结构自重和环境载荷风载，风速根据规范选取27m/s，分别考虑与船艏向0°、90°、180°、270°方向的风载荷。

管缆在入水桥和张紧器上的最大工作拉力，可按照张紧器的最大工作载荷50t 取值。入水桥和张紧器支架的钢材材质选用Q235B，屈服强度235MPa，泊松比为0.3。

3.2 入水桥计算

将以上表2 中的船舶运动参数，输入至SACS Tow input file 中，同时在软件中建立入水桥的模型及加载本身重力载荷，入水桥的边界条件设为最下层底座在甲板上多节点固定，图5 为入水桥计算模型。在SACS 拖航Tow 模块中同时运行模型文件和Input file 文件，计算可得出船舶航行时，船舶运动施加在入水桥上的载荷。

图5 入水桥计算模型

表2 船舶运动参数

在上述拖航Tow 计算基础上，在软件模型中输入各向风载。再输入管缆施加的张紧力，以及管缆末端悬挂时施加在入水桥上的悬挂力，以上所有的载荷即为入水桥模型的基本载荷。在最终的计算组合combine 模型中，选取10个详细工况，对上述的各种基本载荷进行组合计算。可将详细工况归类为表3 中的主要类型。

表3 入水桥工况组合

在生成的结果文件psvdb 中查看计算结果，根据API RP 2A-WSD 和AISC 规范，入水桥结构各杆件的最大材料强度利用率=0.66<1，如图6 所示，结果证明入水桥结构强度满足设计要求。

图6 入水桥计算结果

3.3 张紧器支架计算

张紧器支架的基本计算过程与入水桥相同，边界条件设为立柱支点全部固定，张紧器自重作为一个重心点进行加载，如图7 所示。计算中选取9 个详细工况，对上述的各种载荷进行组合，计算结果。可将主要工况归类见表4。

表4 张紧器支架工况组合

图7 张紧器支架计算模型

根据API RP 2A-WSD 和AISC 规范，张紧器支架结构各杆件的最大材料强度利用率=0.67<1，如图8，结果证明张紧器支架结构强度满足设计要求。

图8 张紧器支架计算结果

4 结语

在海洋石油工程中采用水平铺设的方式进行管缆海上安装是一种常用方式，根据部分管缆的铺设要求，需要的入水桥较高，将张紧器的高度增加，并且设计为一定的斜度，即为斜坡式铺设系统。

斜坡式管缆铺设系统在流花16-2 油田群工程项目中成功应用，提高了管缆铺设安装技术水平。该铺设系统提升了管缆海上铺设的效率，取得了良好的经济效益。

该文通过流花16-2 油田群工程项目中流花21-2 油田电缆铺设设计的成功实例，详细阐述了斜坡式铺设系统的主要设备、选型要求、配套结构物设计、结构物的计算分析，以及斜坡式铺设系统对施工效率提升等方面。总结出一套斜坡式铺设系统的设计流程和方法，对今后类似管缆铺设项目实施提供了参考。