海洋论坛▏深水海底管道铺设技术研究进展

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随着科学技术的进步和人类对海洋石油资源认知水平的不断提高，海洋油气勘探开发已从浅海走向深海，甚至超深海。深水油气开发已成为世界石油工业的热点和科技创新的前沿。随着海洋石油、天然气勘探、开发，油气集输问题成为海上油气田开发研究的重要课题之一，然而无论选用何种集输形式，海底管道均是其重要的组成部分，海底管道铺设施工技术就成为亟需解决的关键问题。然而，海底管道技术取决于：油气田的整体结构布局，输送产品的种类和性质，以及管道的长度、直径和材料，是一个非常复杂的问题。因此，吸收和消化世界先进的铺管工艺方法和相关设备，为后续自行开展设计、建造、安装提供参考是一项十分具有现实意义的研究。

一、海底管道铺设方法

一般地，海底管道可以分为：①从海底卫星井到管汇之间的油气输送管道；②从海底管汇到生产平台之间的油气输送管道；③生产平台之间的油气内输送管道；④从生产平台到陆上的油气外输送管道；⑤通过海底注水管汇，从生产平台到注水井之间的水或其它化学物质的输送管道，如图1所示。

结合国内外的铺管实际工程经验，对于海底管道的铺设方法主要有：拖曳式铺管法、卷管式铺管法、J型铺管法和S型铺管法。

图1 海底管道用途分类

⒈ 拖曳式铺管法

拖曳式铺管法包括以下几种方法：水面拖行、水面下拖行、近底拖行和海底拖行。所有拖曳方法的管道组装都是一样的，可以在陆上组装场或在浅水避风水域中的铺管船上完成；在管道组装完成之后，就可以进行拖行铺设。

水面拖行，如图2(a)所示，采用浮箱使管段漂浮在水面。水面下拖行，如图2(b)所示，它利用漂浮装置使所铺设的管段位于波浪作用范围以下。这两种拖行方法中，水面拖行铺设管道的主要缺点是容易受到水面情况的影响、影响海上交通和需要考虑管子的沉放等。近底拖行，如图2(c)所示，是近水面拖行技术的一种改进，也需要一条主拖船和一条牵制拖船。浮箱按规定的间距系在管段上，每个浮箱上还需要悬挂一段铁链。在拖行时，铁链升离海床，利用它的重量和浮力平衡而将管道保持在离海床预定的设计高度处。这种铺设方式通过设计铁链的长度来保证拖行时提供给管段的稳定力，通过牵制张力的大小控制附加高度使管段提升。这种铺设方法的主要优点是拖行的动力要求较低，减少了坏天气的不利影响。

(a)水面拖行 (b)水面下拖行 

(c)近底拖行 (d)海底拖行

图2 拖曳式铺管法

海底拖行，如图2(d)所示，是利用拖船的牵引力直接在海床拖行管段至指定位置。拖行路线在底拖法中占有十分重要的位置，它影响到按摩损条件所作的涂层设计、拖行期内的稳定性、拖船的大小以及所拖管道的最佳长度。这种方法不需要牵制拖船，受天气的影响是最小的；但是底拖法对拖船的马力要求较高，管道的涂装层有损坏的危险，管道有可能在海底被障碍物绊住。

⒉ 卷管式铺管法

卷管式铺管法是20世纪开始发展起来的一种新型的铺管法，这种铺管法是将管道在陆地预制场上接长，然后卷在专用滚筒上，送到海上进行铺设施工的方法。该方法的优点是99.5％的焊接工作可以在陆地完成，海上铺设时间短，成本低，每段管道可连续铺设，作业风险小。每个专用的卷管滚筒都和特定的铺管船一起搭配使用，普通卷管的管径可以从2英寸到12英寸不等，单层管的最大铺设管径可以达到16英寸，最大作业水深可以达到1800m。这种铺管法需要的主要设备包括：陆地接长预制场地、卷管滚筒、管道矫直器、铺管船和其他常规施工机具设备等。

(a)水平式卷管 (b)垂直式卷管.

图3 卷管式铺管法

目前，卷管式铺管船可以分为水平式和垂直式两种。水平式卷管铺管船，如图3(a)所示，其转动轴垂直于铺管船甲板，采用S型铺设，适用于浅水或中等水深作业；而垂直式卷管铺管船，如图3(b)所示，其转动轴与铺管船甲板保持水平，采用J型铺设，适用于中等水深或深水作业。

⒊ J型铺管法

J型铺管法，如图4所示，是从20世纪80年代以来为了适应铺管水深的不断增加而发展起来的，是目前最适于深海进行管道铺设的方法，该方法用于刚性的管道时效果最佳。由于铺设过程中管道几乎是垂直进入水中，管道形状呈现大J型而得名J型铺管法。该方法在铺设过程中借助于调节托管架的倾角和管道承受的张力来改善管道的受力状态，达到安全作业的目的。到目前为止，J型铺设法主要有两种形式，一种是钻井船J型铺设法，还有一种是带斜型滑道的J型铺管法。J型铺管法主要应用于深海区域的管道铺设，目前已经得到了广泛应用。

图4  J型铺管法

J型铺管设备主要由以下部分组成：①管道连接站——用来将提升的管段的最下端连接到前一次释放的管段的最上端；②管道支撑装置——竖立的铺管塔，该塔位于管道连接站的上方，它将提升后的管段维持在满足铺设路径的一定的角度，其中管段的最下端对准着管道连接站；③静态夹具——用来夹住前一次释放管段最上端的夹子，同样夹住使管段对准管道连接站；④管道释放装置——用来在静态夹具松开时可控地释放上述提升的管段。

⒋ S型铺管法

S型铺管法，如图5所示，是目前铺设海底管道最为常用的方法。由于是在一个水平线上作业，不仅安全稳定而且效率高。这种铺管法一般需要安排一艘或者多艘起重抛锚拖轮来支持铺管作业。在开始作业前，需要将一个锚定位在海床上，然后将锚缆引过托管架并系到第一根管子的端部。

图5   S型铺管法

管道在托管架的支撑下，自然地弯曲成S型曲线，通常被划分为三个部分：①上弯段：张力器到管线与托管架分离点之间，即被托管架托起的管线部分；②下弯段：管线与托管架分离点到与海底接触点之间悬起的部分；③边缘段：托管架倒数第三个滑轮到管线拐点间的受力复杂的部分。另外，也有的将其分成两个区域，即拱弯区和垂弯区。拱弯区一般是从驳船甲板上的张紧装置开始，沿托管架向下延伸到管道开始脱离托管架支撑的抬升点为止的一段区域 (抬升点一般就是管道弯曲状态时的拐点)；垂弯区是从拐点到海床着地点的一段区域。管道在垂弯区的曲率通过沿生产线放置的张紧器产生后拖力来控制，管道在拱弯区的曲率和弯曲应力则一般依靠合适的滑道支撑和托管架的曲率来控制。

传统的S型铺管法的特点是管道的弯曲程度小，整条管道变形都在弹性范围之内，弯曲应变一般小于屈服极限的应变，这样就可以避免弯曲破坏和过大的残余变形。因此，管道在水中一般与水平方向的夹角不大，铺设的深度也不大。当S型铺管法的铺设深度达到600m以上，技术上就会遇到很多挑战，即拱弯段要求更大的转角，垂弯段要求避免压力带来的失稳。目前大多用加长托管架的长度来满足拱弯段的转角要求，用施加轴向拉力的方法来避免垂弯段失稳。

在传统S型铺管法中，过长的托管架和过大的水平推进力使其在深海领域遇到技术上的瓶颈。为此，新型S型铺管法应运而生，大大缩短了托管架的长度，而且也降低了铺管船的水平推进力要求。新型S型铺管法的出现，为S型铺管法应用于深海开辟了开阔的前景。

⒌ 不同铺管方法的比较

从目前的工程应用来看，不同的铺管方法都有其一定的特征和适用性。比如：拖曳法主要应用于近海滩涂铺设或者铺设距离较小的工程中；卷管法由于存在较大塑性变形，其可铺设的管径一般小于16英寸；深海铺设时一般选用J型铺设或者S型铺设。通过对以上四种铺管法进行系统的归纳和总结，表1中所列出了各种不同铺设方法的优缺点及特征。

表1 不同铺管方法的比较

安装方法	特征
拖拽铺设	优点	管道或立管束在岸上制造，在车间里获得很好的焊接质量； 可以使用非常廉价的拖船； 可以使用各种各样的拖拽方法。
缺点	安装长度有限； 对海床的状况要求比较高； 目前只在浅水区域采用该方法。
卷筒铺设	优点	99.5%的焊接工作在陆地可控环境中完成； 张力相对减小，效率和成本相对较低； 管道可连续铺设，作业风险小。
缺点	需要岸上基地的支持； 对钢材的塑性性质要求较高，管径相对较小； 典型铺设速度为每小时600米。
J型铺设	优点	不需要船尾托管架； 管道脱离角度非常接近垂直，所以张力较小。
缺点	由于只有一个焊接站，所以速度慢，效率低； 所有操作都在垂直方向上完成，所以稳定性是个难题； 铺设速度慢，典型铺设速度为1～1.5千米/天。
S型铺设	优点	管道在水平方向采用采用单或双接头进行装配，效率高； 铺设速率高，典型铺设速率为3.5千米/天； 对海况适应能力和持续作业能力较其它铺设方法强。
缺点	必须处理非常大的张力； 更大水深=更长的托管架=稳定性丧失； 更大水深=更高的张力=更大的风险。

二、铺管船发展

随着海洋石油天然气开发的不断深入，海洋管道的作用显得越来越重要，而对于海洋管道铺设的专用设备——铺管船的关注程度也在不断提高。目前，铺管船更新换代的速度明显加快，专业化程度越来越高。铺管船型式较为多样，既有纯粹的铺管船，也有起重能力非常强的起重铺管船。从船体上，大致可以划分为普通船型式、驳船式和半潜式。

⒈ 国外先进铺管船概况

瑞士在铺管技术上是世界上最先进的国家之一，它在铺管技术上的代表是Allseas公司，该公司有着雄厚的铺管装备和尖端技术，主要以Lorelay和Solitaire等大型铺管船为代表。

 表2 国外铺管船的主要参数

名称	船长(m)	船宽(m)	型深(m)	吃水(m)	主要性能	床位
Lorelay	183 (OA)	25.8 (MLD)	15.5 (MLD)	9 (MAX)	最大起重量:300t×14m, 管径:2～36in,S型铺设	216人
Solitaire	360 (OA)	40 (MLD)	24 (MLD)	8.5 (MAX)	最大起重量:300t×17m, 管径:2～60in,S型铺设	420人
Saipem   7000	198 (OA)	87 (OA)	45 (MLD)	10.5 (MAX)	最大起重量:7000t×41m, 管径:4～32in,J型铺设	405人
Castoro   Sei	152 (OA)	70.5 (OA)	29.8 (MLD)	9.5 (MAX)	最大起重量:600t×50m, 管径:最大60in,S型铺设	330人

Lorelay铺管船，如图6所示，是Allseas公司生产的比较有技术性代表的铺管船，它是世界上第一艘采用动力定位技术和新型动力生产技术的铺管船。它按照流线型设计，使其在水中航行较快，航行速度为11级，而且具有较大的存储能力，它具有准确的定位技术和较好的工作能力，1996年时以铺管水深1646m(5400ft)打破了当时S型铺管的世界记录。Lorelay铺管船采用比较长的固定式船尾托管架，能够以70°～90°的离船角安装管线，相当于J形铺管法的工作能力。

图6     Lorelay铺管船

图7    Solitaire铺管船

Solitaire铺管船，如图7所示，是目前世界上最大型的铺管船，它基于Lorelay铺管船的原理上进行了改进，使其在铺管能力上较Lorelay铺管船有了更优秀的能力，载重能力22000t，并于1998年开始进行铺管作业。在墨西哥湾的MC920工程，Solitaire把8in和10in管道铺设到水下2750m。Solitaire的动力定位系统可以在3500m深度水域铺管保持良好的定位。

意大利是世界铺管技术较先进的国家之一，它开发了铺管深水工程构件安装和管道铺设作业船、用于深水海域生产设备检修的自激式潜水器以及带有自动作业模式的新型挖沟机，这些设备具有经济高效、深水作业适应性强和操作简便等优点。

Saipem 7000半潜式铺管船，如图8所示，是世界上最大的半潜式塔吊浮动作业平台，特点是起重量大，且具有双起重吊壁的独特结构。Saipem 7000安装有目前世界上最大的J管道铺设塔吊，配备有先进的动力定位设施；能够在水深超过1980m的海域安装直径为102-810mm的管道。该船原为一动力定位作业船，在此基础上改进了动力定位系统和发电机系统，同时还增加了两套推进器系统，使其作业船总推进力达到1607KN。

图8  Saipem 7000半潜式铺管船

Castoro Sei半潜式铺管船，如图9所示，是另一艘非常具有代表性和鲜明特点的大型半潜式铺管船，它装备齐全，功能强大，可以从事非常复杂管道的安装与施工。Castoro Sei适合大管径管线铺设，同时带有动力定位系统，可在2000米水深铺管。

 图9   Castoro Sei半潜式铺管船

⒉ 国内铺管船概况

我国铺管船多为起重铺管船，起吊能力大，协助进行海洋平台的建设；然而，由于这些铺管船的吃水深度普遍较大，限制了其在水深特别浅的滩海作业。同时，由于技术上的限制，此类铺管船又不能用于较深水域的铺管施工。

图10所示为滨海106起重铺管船，其主要不足之处在于其移位绞车未采用变频调速式，控制性能差，船上配套设备自动化程度低，效率差，工作站数量偏少，施工速度较慢。

图10  滨海106起重铺管船

图11所示为滨海109起重铺管船，其不足之处是定位系统为早期罗经式，精度差，吃水相对较深，不适于水浅且区域较长的滩海海域施工。

图11 滨海109起重铺管船

“蓝疆号”起重铺管船，如图12所示，是于2000年进行建造的新型铺管船，其设备比较先进，可以在恶劣气候环境中施工，该起重铺管船的最大特点是起重能力非常高，起重荷载为3800t，可进行平台安装施工。

图12  蓝疆号起重铺管船

表3 国内起重铺管船的主要参数

名称	船长(m)	船宽(m)	型深(m)	吃水(m)	主要性能	床位
滨海106	80 (OA)	23 (MLD)	5 (MLD)	2.5 (MAX)	最大起重量: 200t×14.2m,管径:4～60in,S型铺设	103人
滨海109	91.44 (OA)	28.35 (MLD)	6.7 (MLD)	4.025 (MAX)	最大起重量: 318t×24.4m,管径:4.5～60in,S型铺设	172人
蓝疆	157.5 (OA)	48 (MLD)	12.5 (MLD)	8 (MAX)	最大起重量:3800t×30m,管径:4.5～48in,S型铺设	278人

通过上面的论述，我们不难发现由于经济和技术方面的原因，国内铺管船总体还比较落后，并且形式较为单一，基本都属于船型侧边铺管船，其焊接作业线设置在铺管船的一侧，起重载荷大，均为起重铺管船。为此，海洋石油工程股份有限公司正在设计建造能够适于我国东海、南海和东南亚海域的深水铺管船。图13是由上海振华港机制造的适用于水深300m的浅水铺管船SPB200总布置图，图14是由GUSTO BV开发设计的适用于水深2000m的深水铺管船DPV7500，其主要参数列于表4中。

图13  SPB200浅水铺管船总布置图

图14  DPV7500深水铺管船示意图

表4 在建铺管船主要参数

名称	船长(m)	船宽(m)	型深(m)	吃水(m)	主要性能	床位
SPB 200	168.3 (OA)	46 (MLD)	13.5 (MLD)	9 (MAX)	最大起重量:1200t×33m,管径:4～60in,S型铺设	>300人
DPV 7500	204.15 (OA)	39.2 (MLD)	14 (MLD)	7-10 (MAX)	最大起重量:4000t×35m,管径:12～48in,S型铺设	>380人

三、结论

综上所述，铺管船是海底管道铺设重要的工具，在海洋设施建造方面起着举足轻重的作用。目前，我们在深水铺管方法和设备上都与发达国家存在着很大的差距，几乎还是空白，需要业界进行深入研究。正在研究、设计和即将建造的深水铺管船DPV7500将缩小与国外的差距。因此，应充分学习消化已有的成功经验，开展相关领域的研究工作，提高海底管道铺设深度，提高铺设效率，减少成本等，对努力赶超国际先进水平有重要意义。所有这些工作都应当在充分掌握已有成功经验的基础上，同时结合中国海域自身的特点开展研究。

【作者简介】本文作者李志刚 王琼 何宁赵冬岩，第一作者李志刚，男，1965年5月出生，中国海洋石油工程股份有限公司，高工，总工程师；本文来自《中国造船工程学会2009年优秀学术论文集》（2010），版权归作者所有，用于学习与交流。

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