张 飞， 黄晓华， 尹汉军， 姜 瑛， 王长涛

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

一种考虑渔网拖挂防护的水下在线结构物设计

张 飞， 黄晓华， 尹汉军， 姜 瑛， 王长涛

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

水下结构物的设计需考虑安装资源影响，S-Lay安装的水下在线结构物设计要满足船舶的安装通道尺寸要求和操作空间要求，因此结构物尺寸和部件需足够小；同时要考虑结构安装到海底后的防渔网拖挂保护要求，结构整体足够稳定和可靠。基于如上技术难点和实际项目条件，南海番禺35-1/2气田水下生产系统设计了一种特殊形式的水下在线结构物，既成功解决了S-Lay安装的尺寸限制难题，又有效降低了运行期渔网拖挂导致破坏的风险，对于南海深水油气田工程的开发设计具有重要的借鉴和指导意义。

水下结构：在线结构物；渔网载荷；水下生产系统；油气田开发

0 引言

在深水油气田开发中，水下生产系统的开发模式因其环境适应性强、可靠性高、成本相对较低，正越来越广泛的被各大石油公司采用。水下结构物是常见的水下设施，是构建水下生产系统的基本单元。随海管一起下放安装的结构即可称为水下在线结构物(区别于采用吊装的安装方式)，主要包括海管终端设施(PLET)、海管终端管汇(PLEM)和在线三通管汇(ILTM)等。按照海管的不同安装方式可分为S-Lay和J-Lay两种形式。由于水下在线结构物随海管一起安装的特点，限制条件多、结构较复杂，设计是否合理直接关系到整个海管系统甚至整个水下生产系统是否能够顺利安装连接成功。该文针对番禺35-1/2气田设计了一种水下在线管道终端(PLET)，并在设计中考虑了渔网拖挂的影响。

1 水下结构物的渔网拖挂保护设计

在存在渔业活动的海域，渔网拖挂保护是水下结构物的设计重点和难点。除非有明确的渔业调查报告和相关数据，水下结构物一般依据NORSOK U-001规范进行渔网拖挂保护的设计。

水下结构物的渔网保护措施分为以下两种情况：

(1) 建立海上限制区域以阻止托底渔网捕捞作业进入该区域，在该区域进行不间断的监测，防止托底渔网移动对水下结构物造成影响；

(2) 如不能设置限制区，水下结构物设计需考虑渔网拖挂保护。

针对需要进行渔网拖挂保护设计的结构物根据拖挂对结构物的不同影响可分为三类。

(1) 第一类是渔网可滑过设计(overtrawlable)，即渔网可顺利滑过水下结构物的保护框架，不会对其造成影响，设计中不用考虑渔网拖挂的载荷。但需计算渔网拖板的冲击载荷对水下结构保护框架的影响。可滑过设计的水下结构物如图1所示。

图1 可滑过设计水下结构物的保护框架

(2) 第二类是渔网友好型设计(fishing friendly)，一般情况下可方便渔网打捞装置滑过，并且当渔网拖板被水下结构套住时能方便解脱。该类型水下结构物的设计载荷需考虑渔网摩擦载荷、渔网拖板套住时的作用载荷及拖板的冲击载荷，该设计为水下结构物防渔网保护的主要设计类型。考虑除非渔网活动频率确定为偶然发生，拖挂载荷应按照操作工况进行设计。

(3) 第三类是抗渔网挂住设计(Snagging)，即考虑渔网被水下结构物完全挂住且不能顺利解脱。这种类型水下结构物的设计载荷需考虑渔网挂住载荷、渔网拖板挂住载荷和拖板的冲击载荷，这种情况下拖挂载荷可按照偶然工况进行设计。

此外，为了有效地提升抗渔网干扰和破坏的能力，规范建议水下结构物在设计中还应考虑结构外围部件与水平方向的夹角、结构的整体设计应尽量减少拖板进入的可能性、保护框架对跨接管和清管球收发器的防护等因素。

2 一种水下在线结构物的设计

2.1 设计基础

番禺35-1/2气田位于中国南海，利用水下生产系统进行开发，并回接至番禺34-1固定平台，水下设施最大水深338 m。该气田开发工程设计了一种特殊形式的水下PLET随海管一起下放安装，以连接产出气至外输海管。PLET输送介质为天然气，管道尺寸为6″，采用冶金复合管，设计压力为31 MPa，设计温度103℃，带一个ROV操作水下全通径球阀，设计寿命为20年。

该结构所在海域为中国南海，环境条件复杂，海底底流作用明显，同时所在海域附近存在渔业活动，需考虑渔网作业的影响。土壤条件以松散的沙土为主，下层为硬质砂岩，沙土最薄处厚度仅为0.3 m。

2.2 方案设计

(1) 安装资源

该项目的海管安装采用S-Lay铺设方式，安装船舶为海洋石油201(HYSY201)。船舶的作业线和结构物转运通道的尺寸限制为长、宽、高不超过 13.8 m、1.6 m、2.3 m，铺设管径范围为6″～60″。

图2 折叠式PLET图片

(2) 渔网拖挂保护的设计类型

该气田水下设施采用立式连接器以方便进行水下安装，需考虑渔网拖挂的影响。由于采用立式跨接管接入，水下结构物的渔网保护方案宜采用渔网友好型设计(fishing friendly)，在结构物保护框架四周设置倾斜杆件以方便渔网滑过并方便立式跨接管接入，保护框架同时能够对立式连接器进行保护。

(3) 结构设计方案

图3 分离式PLET整体结构方案

图4 PLET主体结构设计

由于设计中要抵抗较大的渔网作用载荷，同时需保持PLET的水下稳定性，导致其结构基础的尺寸大大超过了安装船舶的在线铺设空间限制要求，PLET需选择折叠式方案或分体式方案。

折叠式方案即水下结构物为可折叠和可展开式设计，折叠后大大减少结构物的安装宽度。其优点是基础和结构物本体为一体设计，在不需要考虑渔网保护的区域安装过程可一次完成，减少了安装的工作量；缺点是需要设计带折叠功能的机构，局部部件设计复杂，连接配合可靠性要求高，同时需要核实折叠后结构物的整体高度是否超过船舶限制，且在考虑渔网保护的区域通常还需设置单独的保护框架。折叠式PLET方案如图2所示。

分体式方案即水下结构物本体和基础为分离式设计，结构物基础可单独吊装，其本体与海管焊接后随海管一起经过安装船舶托管架进行安装下放。其优点是结构物部件设计简单，在需要考虑渔网保护的区域结构物基础上可增设保护框架结构，同时方便吸收海管膨胀量；其缺点是结构物基础和本体安装精度要求高，安装过程较为复杂，需确保结构物本体和基础在水下能够顺利配合。

考虑到该项目的土壤条件和渔网保护的要求，PLET宜采用分体式方案，基础为独立防沉板带渔网保护框架设计，PLET本体随海管一起下放安装，通过在基础上设置导向部件以方便与PLET本体的配合。为了保证整体的安装精度，设计方和安装方讨论核实后确定PLET基础的安装精度为水平方向位移精度+/-1.5 m，角度精度+/-1°。PLET的整体设计方案如图3所示。

通过结构设计的优化，PLET本体的长、宽、高尺寸确定为9 m、1.38 m和1.96 m，结构设计如图4所示，其中压力帽(Pressure Cap)安装后超过限制高度，将在张紧器后安装到PLET结构本体上。

2.3 材料选择

PLET结构材料包括结构管、板、型钢等，结构管材为API 5L X52，板材为API 2H Gr.50，结构紧固螺栓螺母材料为ASTM A193 B.7/ASTM A194 2H/PTFE，紧固件垫圈为ASTM F436M。

管道材料规格为6″，API 5L X65堆焊Inconel625，由于有清管要求，弯管半径为3D。PLET上阀门为全通径球阀，采用ROV进行操作，压力等级5 000 psi，重量约1 260 kg。管道锻件材料为A694-F65 clad with 3 mm Inconel 625。

2.4 计算载荷和计算方法

(1) PLET结构本体和基础保护框架的强度计算

计算依据AISC ASD和API RP 2A规范，计算工况包括运输工况、安装工况和在位工况等，具体的工况描述和载荷见表1。

表1 PLET结构本体计算工况和载荷

图5 PLET结构计算模型

结构本体计算采用结构计算软件SACS进行模拟和分析，其中拖网工况的计算模型如图5所示。

基础保护框架结构的计算工况包括运输工况、在位工况和渔网拖挂工况等，具体的工况描述和载荷见表2。

表2 保护框架计算工况和载荷

基础保护框架的渔网拖挂计算工况SACS模型如图6所示。

(2) PLET局部部件的计算

PLET结构本体与管道的连接处通过锚固件(Anchor flange)进行连接，由于局部受力情况较为复杂，尤其是PLET通过托管架进行安装时锚固件局部区域会承受非常大的弯矩载荷，该区域的应力状况不能通过SACS进行模拟分析，需进行详细的有限元分析。该项目采用ANSYS APDL进行校核，锚固件的ANSYS计算模型如图7所示。

图6 保护框架计算模型

(3) 基础设计和稳定性校核

PLET的基础设计和校核依据设计规范DNV Classification Notes 30.4和API Recommended Practice 2GEO进行。基础设计中考虑保护框架的尺寸要求、PLET本体的安装误差和海管的热膨胀位移。分析载荷包括PLET在水中的重量、跨接管操作载荷、海管作用载荷、渔网作用载荷、地震工况等。基础分别进行如下分析校核：土壤承载能力分析，根据沙土特性进行排干条件下的土壤承载力分析；抗滑移分析，对剪切力和扭矩作用下的基础水平抗滑移能力进行校核；可插入分析，对沙土条件下的PLET可插入性进行校核；同时针对沙土条件下PLET的短期沉降进行分析。基础稳定性分析曲线如图8所示。

图7 PLET锚固件在托管架上的计算分析 图8 PLET基础稳定性分析曲线

3 结论

该文首先结合规范要求对水下结构物的渔网拖挂设计要素进行了总结，并依据南海气田番禺35-1/2开发项目的具体要求设计了一种水下在线结构物PLET，对该设施的折叠式方案和分体式方案进行了比较，并选择PLET底部基础和结构本体分开的分体式方案。PLET本体结构设计满足S-Lay安装条件要求，并可有效的吸收海管在运行期的膨胀量；底部基础为防沉板带保护框架设计以满足安装资源要求并提供渔网防护功能。该文的总结对于南海深水油气田工程的开发设计具有重要的借鉴和指导意义。

[1] API RP 2A.Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[S]. 2007.

[2] API RP 2GEO. Geotechnical and Foundation Design Considerations-First Edition[S]. 2011.

Design of Subsea in-line Structure with Fishing Protection Function

ZHANG Fei, HUANG Xiao-hua, YIN Han-junJIANG Ying, WANG Chang-tao

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

Design of subsea structure need to consider installing resources, and S-Lay installation inline structures especially shall be designed to meet the vessel installation requirements and operation space as well as passage space, therefore the structure and components dimensions shall be small sized enough; Meanwhile, when considering fishing protection function, the whole structure shall be designed to be large sized enough to keep stable and reliable on seabed. Based on the above technical issues and specific conditions, Panyu35-1/2 gas field designed a special type of subsea in-line structure, which has successfully solved the problems of S-Lay installation size limits and also reduces the risk of fishing net pulling damage during operation period. This paper’s conclusions will be a good reference and guidance for the design and development of the South China Sea deep-water oil and gas field project.

subsea structure； in-line structure； fishing gear loads； subsea production system； oil and gas field development

2013-09-18；

2014-01-16

张 飞(1983-)，男，工程师。

1001-4500(2014)03-0007-05

P756

A