刘文利

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海底子母管线铺设防扭转分析

刘文利

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

子母管铺设期间的防扭转问题一直是铺管行业内的世界级难题，至今仍无较好的措施可彻底解决该问题。就子母管铺设时产生扭转的原因及防扭转措施进行分析，为今后类似的子母管铺设项目提供重要的技术参考。

子母管；防扭转；张紧器；扭力释放

1 子母管铺设介绍

海底子母管线铺设是指在常规S-LAY铺管船上的主铺管作业线一侧增加一条子管预制作业线，在该作业线上将子管焊接接长，在主作业线的张紧器后方将子管作业线与母管作业线合并在一起同时铺设，大管径海管称为母管，小管径海管称为子管。子母管在经过铺管作业线及托管架滚轮时，由于脆弱的子管承受不了强大的滚轮支反力，在铺管作业线及托管架上，子管必须始终处在母管的上方，使子母管在铺管作业线及托管架上不能扭转，子管依附母管在主线母管张紧器提供的张力下同母管一起铺设到海底。

截止到目前，海油工程共有两个项目采用过子母管的铺设方式，第一个项目是2006年的BZ3/4-3/5项目，共两条子母管分别是2＂/6＂和2＂/8＂，各4 km左右；第二个项目是2014年的黄岩项目，一条18 km左右的2＂/8＂复合子母管铺设。BZ3/4-3/5项目由于水深只有十几米，而且距离较短，在铺设时没有发现明显的扭转，两条子母管都是一次铺设完成，中间没有进行弃管作业。黄岩项目子母管铺设时，由于水深(110多m)，而且海管较长，子母管出现了小角度的扭转，由于铺设时子母管上安装了防扭转装置，中间遭遇两次恶劣天气采取了弃管作业，释放了扭力，避免了扭力的持续积累。采用子母管铺设的优势是子管和母管同时铺设，可以节省一条子管铺设的施工费用，节约了项目施工成本。

图1 子母管铺设流程图Fig.1 Sub-tube laying flow chart

图2 子母管绑扎效果图Fig.2 Sub-tube banding effect map

2 海管铺设期间产生扭转的原因

目前，海底管道安装铺设的资料显示，海底管道在安装过程中均会产生不同程度的围绕海管轴线方向的旋转，这种旋转随着水深的增加尤为凸显。海管在安装铺设过程中的旋转问题成为当前海洋工程界的一大难题。有专家认为，海管在铺设过程中可能造成海管的旋转，主要有以下几个原因：第一，海管在制造过程中及焊接接长过程中存在内应力，当海管在铺设张力作用下，本身存在的内应力可能会导致海管扭转；第二，铺管船的位移，包括横荡、横摇和艏摇等；第三，侧向流；第四，铺设路由；第五，托管架产生的非对称支反力。

目前，工业界和学术界对上述造成旋转的原因都只是定性程度的猜想，还未有成熟的解决方案，且上述原因目前还无法通过计算手段进行量化和预测，无法对工程应用产生指导性作用。对于普通单根海管的铺设，由于对旋转不具有特殊要求，一般在海管铺设终止时弃管后自然释放扭力，任其一端自由旋转。但是，对于子母管安装铺设而言，对海管铺设过程中的旋转角度有着非常高的要求，一旦旋转到一定角度，子管就会旋转到母管的侧面甚至底部，在通过铺管船或托管架上的滚轮时，强大的滚轮支反力会把子管压坏，这给该类海管的安装带来极大的困难和挑战。

3 子母管铺设期间的防扭转措施

海管在铺设时扭转的程度跟水深有着很大的关系，如果水深则从张紧器到海底着泥点的长度就会延长，在单位长度扭转角度不变的情况下，扭转的角度就会累积加大。截至目前，子母管铺设的防扭转问题一直是铺管行业内世界级的难题，至今没有任何好的措施彻底解决，但是经过BZ34-3/5项目及黄岩项目三条子母管的铺设，根据现场施工经验也总结出了一些措施来减缓子母管铺设期间的扭转问题。

3.1 扭力定期释放

子母管铺设期间，由于母管在张紧器的夹持下无法旋转，容易导致扭力的积累，这时可以定期在管端焊接临时弃管封头，连接A/R缆，将张力由张紧器转换至A/R绞车，打开张紧器释放扭力，这样就可以避免扭力过度积累，导致子母管大角度扭转。但是，这样会延长海管的铺设工期，增加施工的费用。

3.2 子管反向绑扎

子母管在铺设期间，通过ROV的水下监控可以判定子管的旋转方向，根据子管的旋转方向，在绑扎子管时将子管偏向旋转方向相反的一侧绑扎，这样可以抵消一部分旋转角度。由于导管架上滚轮为“V”型30°滚轮，此种方式最多只能抵消30°左右，因此，此种方式可以在水位较深的海域项目中采用，因为水位较浅，扭转角度的积累不会太大。

图3 子管反向绑扎设计图Fig.3 Sub-tube reverse banding design drawing

4 在管线上绑扎旋转抑制装置

旋转抑制装置可用于抑制海管在安装过程中由于外载荷引起的绕海管轴线方向的旋转。其结构组成包括一个用于产生向上浮力的浮筒，刚性攸克(yoke)臂和管体卡子系统。浮筒与yoke臂通过典型的三角形式柔性索具连接，yoke臂连接管体卡子，管体卡子分为上下两片，卡紧在海管管体上。浮筒产生的净浮力通过yoke臂传递给海底管道，当海管发生旋转时，浮筒产生的净浮力通过yoke臂的作用将产生一个恢复力矩，从而抑制海管发生旋转。

浮筒的尺寸大小要根据铺设海管的尺寸以及相关的环境条件等因素，同时考虑海管在铺设后坐底的稳定性来计算确定。

海底管道铺设旋转抑制装置，通过两根柔性索具组成三角形，然后通过第三根竖直柔性索具与浮筒连接。当海管发生旋转的时候，底部两根柔性索具将呈现受力不等状态，偏离海管旋转一侧的索具变松弛，偏向海管旋转一侧的索具将变张紧，从而达到改变浮力作用点，增加力臂的作用。第三根竖直向上的索具设计便于水下机器人(ROV)进行切割回收浮筒。

海底管道铺设旋转抑制装置，Yoke臂底部与管体卡子采用旋转销轴进行连接，yoke臂和浮筒可以围绕旋转销轴在海管的轴线平面内发生180°的旋转，可有效保证对于可能发生不同倾斜角度的海管，yoke臂和浮筒均能产生竖直向上的浮力。管体卡子采用上下两片设计，可方便快速安装在海管管体上，上下两片管卡通过螺栓进行紧固连接。

图4 管线绑扎旋转抑制装置图Fig.4 Pipeline lashing rotation suppression device diagram

此装置的弊端：只有此装置进入水下，当海管发生一定程度的扭转以后才能起到一定的恢复作用；海管的扭转角度越大，该装置所产生的恢复力矩就会越大。由于浮筒的浮力以及整个装置受横向流的影响会对海管的稳定性造成一定影响，需前期设计阶段对海管整体的稳定性进行校核。该装置属于海管安装阶段的辅助设施，海管铺设完毕后，为了保证海管的安全，避免受海流、渔网等外力影响，需立即拆除。

虽然海管铺设一般都是连续性的，也可能会因为天气因素或者其他原因终止铺设，进行临时弃管，当天气好转时，需将海管回收至作业线重新铺设，在进行海管回收前，需提前将该装置拆除，因为该装置无法通过铺管作业线。该装置拆除后，由于所提供的恢复力矩消失，子母管可能会继续产生扭转，这时需要潜水员在水下将子母管之间的绑扎带拆掉，在水下将子管扶正后重新绑扎，再进行回收作业。

5 结语

在黄岩项目子母管铺设前，黄岩项目组联合美国高泰公司对子母管在铺设期间的扭转问题进行过深入的研究，也咨询过像Technip等一些国际知名的工程公司，到目前为止，对于子母管在铺设期间的扭转方向及扭转角度一直无法预判，更没有更好的解决措施，只能通过以上几项措施结合具体情况，分别对待，尽量减缓扭转对子母管施工造成的影响。

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Anti-twistinganalysisofsub-tubelaying

LIU Wen-li

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

The anti-twisting problem during the laying of the sub-tube has been a world-class problem in the pipe laying industry, and there are still no good measures to solve the problem completely. The analysis of the reasons for the reversal of the laying of the sub-tube and the anti-torsion measures will provide an important technical reference for the future laying of similar sub-pipe.

Sub-tube; Anti-twisting; Tensioner; Torque release

TE952

A

1674-8646(2017)18-0178-03

2017-06-25