深水 S 型海底管道的铺设工艺 技术领域 本发明涉及海底管道的铺设工艺， 尤其涉及一种深水 S 型海底管道的铺设工艺。 属于海洋工程技术领域。
背景技术 海底管道铺设作为深海油气田开发建设的一个重要组成部分， 对海上油气田的开 发、 生产和产品外输等方面起着十分重要的作用。
在实际工程中， 常用的海底管道铺设方法主要有 ： S 型铺管法、 J 型铺管法、 卷管式 铺管法和拖管法等四大类。而 S 型铺管方法是目前海底管道最为常用的铺设方法。
如图 1 所示， 在 S 型铺管方法中， 海底管道在铺管船 1 甲板作业线上从焊接、 检验 都在一个水平面内， 海底管道的移动是通过铺管船 1 的船尾经托管架 2 到达海床 5， 海底管 道的线形看上去像一个被拉长的 “S” 。 整条海底管道一般分为两个区域 ： 一为上弯段 3， 即： 从设在铺管船 1 甲板上的张紧器开始， 沿着作业线经托管架 2 向下延伸至反弯点为止的一
段区域 ( 反弯点一般就是管道受到弯矩为零的拐点 )。另一段为下弯段 4， 即： 从反弯点到 海床面 5 着地点的一段区域。海底管道在下弯段 4 的曲率通过沿生产线放置的张紧器产生 的拉力来控制， 海底管道在上弯段 3 的曲率和弯曲应力则一般依靠合适的滑道支撑和托管 架 2 的曲率来控制。托管架 2 主要作用就是减小管道离开船尾后的弯曲应力， 通过选取不 同的托管架 2 长度以及其与水平方向的角度， 可以有效改善管道受到的弯矩和轴向拉力。
目前， S 型铺管法主要应用于浅水铺设 ( ＜ 300m)， 浅水铺设的特点是管道的弯曲 程度小， 所需张紧力较小， 整条管道变形都在弹性范围之内。浅水 S 型铺管船托管架一般为 1-2 段， 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。
随着海洋石油开发不断向深水领域的迈进， 海底管道的铺设水深越来越深， 对于 深水海底管道铺设技术要求也越来越高。目前， 采油平台的作业水深已达 3000m， 钻井深度 超过万米， 海底管道的铺设水深也达到了 3000m 左右。
当海底管道铺设水深增加时， 将会遇到拱弯段要求更大的转角以及垂弯段要求避 免压力带来的失稳等技术问题。为了克服现有 S 型铺管法存在的问题， 一方面通过加长托 管架的长度以满足拱弯段的转角要求， 而垂弯段的失稳问题仍然存在， 这将严重影响到在 深水中铺设海底管道的速度、 工作效率及海底管道铺设的安全性和可靠性 ； 使铺设水深受 到限制， 只能在较浅的海底进行铺设。 发明内容
本发明的主要目的在于克服现有海底管道的铺设方法存在的上述缺点， 而提供一 种深水 S 型海底管道的铺设工艺， 其利用铺管船的动力系统并配合安装在铺管船上的张紧 器及起始锚对海底管道进行下放， 可以在深水中进行海底管道的铺设， 提高了海底管道的 铺设速度及工作效率， 增强了海底管道铺设的安全性和可靠性。
本发明的目的是由以下技术方案实现的 ：一种深水 S 型海底管道的铺设工艺， 其特征在于 ： 铺设前， 铺管船应配备动力定位 系统、 监测系统、 张紧器、 应答器及托管架， 铺设时， 采用以下铺设步骤 ：
第一步， 铺管船就位后， 调整托管架并进行海底管道倒运 ；
第二步， 把铺管船定位在海上指定位置， 布置起始锚 ；
第三步， 进入深水 S 型海底管道正常铺设阶段，
(1) 将海底管道输送至焊接站， 进行管道的坡口、 焊接作业，
(2) 进行海底管道的探伤检查， 并涂装防腐层和放置屈曲探测器 ；
(3) 利用铺管船自身动力定位系统的动力定位移船， 使海底管道通过张紧器， 在张 紧器的夹紧下， 慢慢通过托管架， 并在托管架的引导下形成上弯段 ；
(4) 继续下放海底管道、 动力定位移船及释放海底管道， 直至将海底管道下放至海 床；
在实施上述管道铺设的每个步骤中， 始终都要进行总体监测。
所述正常铺设阶段中， 通过布置起始锚及起始缆与管端封头连接， 控制海底管道 形态成 S 型， 以便进行正常铺设。
所述总体监测包括 ：
(1) 环境条件监测， 即： 风、 浪、 流的监测 ；
(2) 船舶自由度运动监测 ；
(3) 张紧器张力监测， 始终保持海底管道最大拉力与张紧器最大张力在设定安全 的裕度内 ；
(4) 托管架尾端动力监测， 始终保持海底管道与托管架尾端的设定距离， 并保持海 底管道对托管架尾端压力小于滚轮承载力 ；
(5) 水下海底管道状态监测， 通过水下观测设备， 监控水下海底管道形态及海底管 道海床的着泥点， 一旦发生破坏立刻停止铺设， 进入弃管程序。
所述第二步中， 起始锚布置过程如下 ：
(1) 施工前确认天气、 海况在极限允许范围内 ；
(2) 起始锚起吊准备及水下机器人准备 ；
(3) 起始锚挂平吊扣， 切割固定， 起吊旋转至船尾 ；
(4) 翻身并连接收放绞车钢缆， 转换起吊力至收放绞车 ；
(5) 下放至距离海床面 100m， 水下机器人下水观测， 继续下放起始锚 ；
(6) 起始锚到达设定点后， 停止下放， 等待起始锚稳定 ；
(7) 继续下放起始锚至海床面 3m， 由水下机器人确认起始锚的坐标点 ；
(8) 缓慢下放起始锚， 水下机器人调整方位角， 下方至海床面吊扣放松起始锚自沉 入泥， 然后， 打开泵壳排空在水压作用下逐步下沉直至设定深度。
所述起始锚采用带数米长钢缆的起始锚。
所述水下应答器安装过程如下 ：
(1) 将起始缆拉直后， 使用 GPS 定位系统定位该位置的坐标 ；
(2) 根据海底管道铺设起始点的设计坐标， 对照起始缆上应答器处坐标， 计算出起 始缆实际需要的长度 ；
(3) 切割起始缆多余部分， 并将起始缆连接到作业线上的海底管道起始处， 方可开始铺管作业。
本发明的有益效果 ： 本发明利用铺管船的动力系统并配合安装在铺管船上的张紧 器及起始锚对海底管道进行下放， 可以在深水中进行海底管道的铺设， 提高了海底管道的 铺设速度及工作效率， 增强了海底管道铺设的安全性和可靠性。为国家深水战略发展要求 提供了技术支持。 附图说明 ：
图 1 为现有技术海底管道铺设示意图。
图 2 为本发明起始锚布置示意图。
图 3 为本发明水下应答器安装位置示意图。
图 4 为本发明海底管道铺设及监测示意图。
图中主要标号说明 ：
1 铺管船、 2 托管架、 3 上弯段、 4 下弯段、 5 海床面、 6 起始缆、 7 起始锚、 8 应答器。 具体实施方式 如图 2- 图 4 所示， 在海底管道铺设之前， 预先在陆地上将海底管道预制成设定长 度海底管道 ； 然后， 再装运上船以备铺设 ； 铺设前， 铺管船 1 上应配备完备的动力定位系统、 监测系统、 大张力张紧器、 应答器 8 及更长和承载能力更高的托管架 2。
如图 3 所示， 水下应答器 8 安装过程如下 ：
(1) 将起始缆 6 拉直后， 使用 GPS 定位系统定位该位置的坐标 ；
(2) 根据海底管道铺设起始点的设计坐标， 对照起始缆 6 上应答器 8 处坐标， 计算 出起始缆 6 实际需要的长度 ；
(3) 切割起始缆 6 多余部分， 并将起始缆 6 连接到作业线上的海底管道起始处， 方 可开始铺管作业。
本发明主要采用以下铺设步骤 ：
第一步， 铺管船 1 就位后， 调整托管架 2 并进行管道倒运 ；
(1) 按照铺设路由， 通过监测 GPS 定位系统确认铺管船 1 到达预订的铺设位置 ；
(2) 由铺管船 1 动力定位系统进行定位， 如有需要， 可通过水下机器人 (ROV) 检测 水下路由的实际状况， 确认水下无障碍物， 海床条件能保证完成指定的铺设作业 ；
(3) 铺管船 1 就位后， 调整托管架 2， 具体操作为 ： 根据铺管计算结果， 检查张紧器 垫块并进行相应地调整以满足管径需要， 同时调整托管架 2 托辊以拟合出最接近理论计算 值的托管架曲线， 在此过程中， 必须采用托管架 2 上相关的监测设备对托管架 2 整体和局部 形态进行监测并作出及时调整 ；
(4) 管道倒运， 具体操作为 ： 首先对管道的圆度、 坡口破坏、 涂装破坏及涂层不规 则性进行检查， 然后， 根据分类倒运管道， 一部分在铺管船 1 的堆管区域进行暂时存放， 部 分管道可以直接送到作业线上。
第二步， 布置起始锚 6， 利用 GPS 定位系统把铺管船 1 定位在海上指定位置 ； 并在 正常铺设阶段中， 通过布置起始锚及起始缆与管端封头连接， 控制海底管道形态成 S 型， 以 便进行正常铺设。
如图 2 所示， 起始锚 7 布置过程如下 ：
(1) 施工前确认天气、 海况在极限允许范围内 ；
(2) 带数米长钢缆的起始锚 6 进行起吊准备， 准备内容包括 ： 索具检查、 泵壳检查 及设备功能试验等， 水下机器人 (ROV) 准备 ；
(3) 起始锚 6 挂平吊扣， 切割固定， 起吊旋转至船尾 ；
(4) 翻身并连接收放 (A/R) 绞车钢缆， 转换起吊力至收放 (A/R) 绞车 ；
(5) 下放至距离海床面 100m， 水下机器人 (ROV) 下水观测， 继续下放起始锚 6 ；
(6) 起始锚 6 到达设计点后， 停止下放， 等待起始锚 6 稳定 ；
(7) 继续下放起始锚 6 至海床面 3m， 水下机器人 (ROV) 确认起始锚 6 的坐标点 ；
(8) 缓慢下放起始锚 6， 水下机器人 (ROV) 调整方位角， 下方至海床面 5 吊扣放松 起始锚 6 自沉入泥， 然后， 打开泵壳排空在水压作用下逐步下沉直至设计深度。
第三步， 如图 3 所示， 进入深水 S 型海底管道正常铺设阶段， 在铺管船 1 上铺设海 底管道， 正常铺设顺序包括 ：
(1) 管道输送系统从甲板上将管段输送至焊接站， 进行管道的坡口、 焊接作业， 然 后， 采用焊缝检测仪器对海底管道进行探伤检查， 并涂装防腐层和放置屈曲探测器 ； (2) 上述各个工作完成后， 通知中控室移船 ；
(3) 利用铺管船 1 自身动力定位系统的动力定位移船， 船向前移动一个管子长度 的距离， 并重复 (1)-(2) 步骤， 同时， 对作业海域环境及船舶自由度运动进行检测 ；
(4) 海底管道通过张紧器， 并在张紧器的夹紧下， 慢慢进入托管架 2， 通过托管架 2 控制室观测托管架 2 各滚轮反力， 并随时压载调整托管架 2， 同时， 对托管架 2 尾端进行动力 监测， 始终保持海底管道与托管架 2 尾端有一定距离， 并保持海底管道对托管架 2 尾端压力 远小于滚轮承载力。 在此过程中， 必须对张紧器张力进行检测， 始终保持海底管道最大拉力 与张紧器最大张力有一定安全裕度 ；
(4) 在托管架 2 的引导下， 形成上弯段 3， 在此过程中对海底管道进行监测， 以确保 管海底道安全通过上弯段 3 ；
(5) 海底管道通过托管架 2 最后一点， 角度接近 90 度， 继续下放海底管道， 动力定 位移船， 释放海底管道。在此过程中， 始终保持环境条件监测、 铺管船 1 自由运动监测、 张紧 器张力监测、 托管架 2 尾端动力监测， 始终保持海底管道与托管架 2 尾端有一定距离， 并保 持海底管道对托管架 2 尾端压力远小于滚轮承载力 ； 同时， 对水下海底管道状态监测， 通过 水下电视、 水下机器人 (ROV) 等设备， 监控水下海底管道形态。及海底管道海床 5 着泥点， 一旦发生破坏立刻停止铺设， 进入弃管程序。
(6) 继续下放海底管道至海床， 此时， 张紧器张力达到最大， 重复移船并下放海底 管道。在此过程中， 始终保持环境条件监测、 铺管船 1 自由运动监测、 张紧器张力监测、 托管 架尾端动力监测及水下海底管道状态监测。
本发明的优点是 ：
(1) 采用深水专用设备和机具替代浅水设备和机具， 提高作业能力作业水深 ；
(2) 铺管船的稳定性要求高， 配备先进的动力定位系统， 以保证铺管船在铺管过程 中能够做到精确定位 ；
(3) 管道铺设全过程中具备监测环节， 保证船舶及管道铺设安全性。
上述工艺中所采用动力定位系统、 环境条件监测、 船舶自由度运动监测、 水下海底 管道状态监测、 张紧器张力监测以及托管架尾端动力的监测系统、 张紧器、 应答器、 GPS 定位 系统、 水下机器人、 水下电视、 焊缝检测仪器等均为已知的仪器或检测设备。
以上所述， 仅是本发明的较佳实施例而已， 并非对本发明作任何形式上的限制， 凡 是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、 等同变化与修饰， 均仍属于 本发明技术方案的范围内。