!宏观探讨#深水海底管道铺管设备技术现状与国产化设想3张　宏1　李志刚2　赵宏林1　耿　焘2　王晓波2　曾　鸣1(11中国石油大学(北京)　21海洋石油工程股份有限公司) 摘要　深水海底管道铺设技术是我国进行深海油气资源开发的关键技术。

综述了国外深海海底管道铺设技术,着重介绍了深水铺管船及铺管主要设备(张紧器、A&R绞车、管道输送系统等)的技术现状,并在分析各主要设备技术特点和国内技术条件的基础上,提出了通过引进、消化、技术集成、技术创新的方式进行深水铺管关键设备国产化的设想。

关键词　海底管道　铺管船　张紧器　A&R绞车　管道输送系统 海底管道是深水油气田开发工程建设的一个重要组成部分,须采用深水铺管作业船及船载铺管设备进行安装。

目前国内还不具有该类工程船舶的设计能力,深水海底管道铺设技术的研究也刚刚起步,现有工程设计能力、设备状况和作业能力等都不能满足我国开发深海油气资源的战略发展要求。

因此,研究和开发深水海底管道铺设技术是非常必要也是十分迫切的。

为此,中国海洋石油总公司在“十一五”期间将建造深水铺管起重船,并正在开展深水海底管道铺设技术和装备研究,逐步形成我国深水海底管道铺设能力。

笔者就铺管起重船及配套的铺管关键设备的国内外技术现状进行分析,并提出其国产化设想。

铺管设备技术现状11深水铺管船铺管船形式较为多样,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,大致可以划分为驳船式、普通船型式和半潜式铺管船。

一般来说,驳船式铺管船排水量大,比较适合较浅水域施工;普通船型式铺管船吃水深度相对较深,承载力比较大,大多数的卷管式铺管船都采用普通船型式;半潜式铺管船船体巨大,吃水深度大,稳定性强,多用于深海和环境较为恶劣的海域,作业线多设置在船的中央[1]。

图1为铺管船的总体布局示意图。

图1　铺管船总体布局示意图1—中间管架;2—控制单元;3—管输动力单元;4—固定式管架;5—张紧器;6—高度可调管架;7—水下支撑滚轮;8—控制室;9—张紧器动力单元;10—管道轴向传送器;11—传动阀;12—排管站;13—储管区;14—收放绞车;15—管道横向传送器 在深水铺管船中,挪威St olt offshore公司的LB200半潜式铺管船和意大利Sai pe m公司的Cast or o Sei大型半潜式铺管船具有代表性。

LB200是世界上最大的半潜式铺管船之一,完成了许多恶劣工况下难度很高的铺管作业,至今还保留着最长管道的铺设记录。

LB200半潜式铺管船的主要参数见表1。

从铺管方式上,以从铺管船到海底的管道形状,可以分为S形、J形铺管船,以及作为连续管的卷筒式铺管船。

多数铺管船都属于S形铺管船,此类铺管船多用于较浅海域,也可用于深海。

J形—12—2008年　第36卷　第9期石　油　机　械CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY3基金项目:国家“十一五”863计划课题“深水海底管道铺设技术”(2006AA09A105)。

铺管船较适合用于深海海域铺管。

卷管式铺管船既可以用于深海,也可用于浅海,但是管道直径不宜过大,一般不超过40614mm[1]。

从管道焊接作业线在铺管船上的位置,可以分表1　LB200半潜式铺管船主要参数总长/m型宽/m型深/m 最小吃水深度/m最大铺管管径/mm张紧器张力/kN储管量/t托管架/m最大起重载荷/kN16715581533121115152434002000120×6600为中央式和侧边式铺管船。

中央式铺管船稳定性高,适合深海恶劣环境下施工。

但由于甲板被焊接作业线分为2部分,吊装设备以及甲板的利用率不是很高。

侧边式铺管船稳定性稍差,但甲板的利用率较高,多用于浅近海等工作环境不是很恶劣的场合。

我国目前所拥有的铺管船多从国外引进,再进行部分改造。

主要有滨海106起重铺管船、滨海109起重铺管船、蓝疆号起重铺管船(主要参数见表2)。

这些铺管船总体性能与LB200等相距甚远,基本都属于侧边式铺管船,其焊接作业线设置在铺管船的一侧,仅适用于浅水铺管。

目前,我国还不具备深水铺管船的设计和制造能力。

表2　蓝疆号铺管船主要参数总长/ m 型宽/m型深/m满载吃水/m作业水深/m最大起重载荷/kN张紧器张力/kN管径范围/mm工作站/个锚缆尺寸/mm定位锚机/套157154818121588～150318×1042×725114～121910<7612×220012 21铺管船用张紧器张紧器是夹持已焊接管段并控制其下放入水的专用设备,要求能实现恒张力控制。

国外已经可以生产张紧力最大为5000kN的张紧器。

受管壁所能承受的夹持径向载荷的限制,深海铺管船常采用几个张紧器串联使用的技术方案。

国外具有代表性的铺管船用张紧器的研发机构有意大利Re macut公司、美国W estech公司、荷兰S AS Gouda公司等。

以上公司的铺管控制系统采取远程与现场控制相结合的方式。

夹紧形式上有两履带式、三履带式和四履带式几种,并形成了一批专利[2-9]。

荷兰S AS Gouda公司生产的张紧器主要有水平或垂直的两履带式张紧器系列,其张紧力为50～3500k N;四履带式张紧器系列,张紧力为500～5000kN。

意大利Re macut公司率先开发出了电驱张紧器以及适用于所有管道的双开闭结构,张紧器的张紧力范围为250～1750kN,且具备4000k N张紧器的技术储备。

其主要参数见表3。

表3　Re macut公司1750k N张紧器主要参数最大张力/kN 最大铺管速度/(m・m in-1)张紧器长度/m张紧器高度/m张紧器宽度/m17504010165715516 国内在1996年开始进行国产滩海铺管船用300kN张紧器的研究,采用双履带式恒压控制,液压驱动[10-11],1998年进行了样机试验。

目前国产滩海铺管船主要厂家有天津精研、胜利油建等。

国内大吨位深海铺管船用张紧器还没有成熟技术。

31A&R绞车收放绞车主要用于铺管过程中弃管以及后续重新铺管时的收管,也可用于其它拖曳和起重等辅助工作。

国外研制的收放绞车有多种规格的系列产品,既可实现自动工作也可手动操作,驱动方式有电动机驱动和液压驱动2种,能满足2000m以上的深水作业要求。

意大利Re macut公司1800k N 的收放绞车(主要参数见表4)主要由液压驱动装置、传动装置、滚筒卷缆装置、排缆装置和控制系统等组成。

新加坡PH公司也研制各种类型的绞车,如系泊绞车、拖曳绞车、FPS O转台绞车、卷扬绞车和A&R收放绞车等。

表4　Remacut公司1800k N收放绞车主要参数高度/mm长度/mm宽度/mm最大速度/(m・m in-1)最大工作载荷/kN 303041195649251800 国内也有多家企业生产各种绞车,如宁波大港意宁液压有限公司生产有多种液压绞车和电动绞车,大连造船厂工具实业公司生产各种起货绞车、拖曳绞车、系泊绞车和组合起锚绞车等,但这些绞车尚不满足深水铺管要求,在深水领域的该类设备研究刚刚开始。

41管道输送系统国外铺管船管道输送系统已十分成熟,其产品涵盖铺管过程管道输送的所有设备和部件,设计及制造工艺完善,可靠性高,产品操作简单,维修方便,寿命长。

国外公司可提供管道输送系统集成所需全套部件,包括滚管机、滚轮、支管架、横向输送带、输管支架、驱动滚子、管道调整装置、纵向运输设备、横向运输设备、排管设备、滚子支架、提升滚子、自适应驱动滚子支架、调整型滚子支—22— 石　油　机　械2008年　第36卷　第9期架、管道驱动轮箱、液压或电力驱动单元、控制系统、模块化生产线等,也可提供成套管道输送系统。

系统最大承载能力每管节300k N,传送速度为24～30m /m in,适应管径为10116mm (4英寸)～1524mm (60英寸)。

主要生产商有意大利的Goriziane 公司和Re macut 公司、荷兰的S AS Gouda 公司、新加坡PH 等。

国内还没有完全形成铺管船管道输送系统成套设备的能力,只有天津精研工程机械传动有限公司可以为用户提供部分集成所需的部件设备,包括纵向传送设备、横向链传送设备、排管设备、滚子支架、驱动滚子支架、管道提升设备等。

国产化设想11深水铺管船的设计制造深水铺管起重船的建造是我国海洋石油走向深水,尽快形成深水铺管能力的核心内容。

目前中海油对比国际同类工程船舶的性能,确定建造1艘铺管能力可达到3000m 、起重能力40000kN 的深水铺管起重船。

该船的性能可以满足我国深海和东南亚、中东、西非、巴西、墨西哥湾等世界主要海区的作业要求,总体作业能力在国际同类船舶中处于领先地位。

新建深水铺管起重船主要参数见表5。

采用S/J 铺管方式,作业线布置为中心式,托管架为固定式,采用DP —3动力定位系统。

21铺管主要设备的国产化新建深水铺管起重船上的铺管关键设备将在采购、引进、消化的基础上,进行关键技术装备的研究,从研制原理样机、试验样机入手,逐步掌握核心技术,实现自主创新。

(1)张紧器　张紧器国产化研究分2步走,首先研制能够反映深水铺管关键技术的原理样机,通过理论研究、样机研制和全面测试等步骤,掌握深水铺管船用张紧器的关键技术,通过试验测试并改进,然后在此基础上研制可用于3000m 水深铺管作业的张紧器工程样机并进行海试。

张紧器原理样机主体结构及其关键部件的设计表5　新建深水铺管起重船主要参数船体尺寸/m吃水深度/m作业水深/m管径/mm张紧器张力/kN主机功率/k W主起重机能力/kN存管量/t204×3912×147～101815～3000152～15242×40006×5440400009000制造自主完成,一些配套装置采用集成方法解决。

并建造相应的铺管试验模拟装置,以充分检验张紧器的性能,确保原理样机能够达到设计指标。

张紧器在铺管作业过程中要求实现恒张力控制,在弃管和收管的过程中还需要与A&R 绞车进行张力转换。

综合考虑张紧器液压夹紧系统与电动机驱动系统的特点,铺管过程控制采用整体远程控制和现场灵活控制相协调的方式。

张紧器控制系统包括上位机系统、恒张力电动机伺服系统、履带液压传动控制系统和液压站控制系统(控制策略见图2)。

上位机控制系统以PX I 为核心,通过Pr ofi 2bus 总线对其他3个子系统进行远程监控,并实现各系统之间整体协调工作。

3个现场子系统除受上位机系统控制外,还可实现现场对电动机、液压夹紧缸、液压站的手动控制实现恒张力电动机伺服控制、履带液压传动控制和液压站控制。

图2　张紧器控制策略图 (2)A&R 绞车　由于A&R 绞车的技术储备相对比张紧器多一些,所以A&R 绞车在国产化过程中,将研制试验样机。