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1、1.1 跨接管的选型与安装1.1.1 跨接管的类型选择1.1.1.1 柔性跨接管与刚性跨接管选型海底设备之间的连接通常采用刚性跨接管，刚性跨接管的形式要根据所连接的海底设备的相对位置来决定，只有当水下设备都安装完毕，确定了它们之间的距离之后，才能准确的判断出跨接管的尺寸及形式。这样在安装跨接管之前，必须测量好海底设备之间的距离和方向，跨接管在制造的时候必须严格按照此长度，使得跨接管能够正好连接两个结构。如果在连接之前没有精确的测量两个海底设备的距离，或者其中的一个海底设备有所移动。在安装之后，如果需要对其中的一个结构进行移动或收回，需要想把海底设备拆开，重新进行安装。柔性跨接管的长度比要连接的
2、海底设备的距离要长一些，跨接管的两端有两个连接器，用来连接海底设备。从柔性跨接管的结构来看，浮筒单元为跨接管提供浮力，并有足够的挠度来保证跨接管能够位于垂直平面内。与刚性跨接管相比，柔性跨接管制造和安装时的长度与方向要求降低，更为灵活。图1.11所示是跨接管在油田开发中的典型应用形式。表1.12简单总结了刚性跨接管和柔性跨接管的区别，进而分析说明西非选择刚性跨接管。图1.11 跨接管在油田开发中的典型应用形式表1.11 刚性和柔性跨接管的比较刚性跨接管柔性跨接管功能采油树和管汇、管汇和管汇等之间输送油气向油井注入水和气输送油气分离船体的刚性隔离管和FPSO的隔离管结构刚性管道，相对简单柔性管道
3、，有浮筒单元，相对复杂制造，安装要求高，灵活性低要求低，灵活性高在西非目标油气田的开发中，主要采用刚性跨接管/膨胀弯作为水下采油树、水下管汇、PLET之间的连通管道。1.1.1.2 水平跨接管与垂直跨接管选型垂直连接和水平连接各具优缺点，工程上均有成功的案例，要根据西非深水油气田的实际情况，综合考虑，对比分析，选取合适的连接形式。评估指标有很多，如安装技术、清管要求、对结构的影响、成本等，表1.12为两者的对比情况。表1.12 刚性垂直跨接管和刚性水平跨接管的对比评估连接方法时考虑的因素竖直连接水平连接安装连接工具简单，轻便，便宜；可用于连接较短距离的海底设备；但不允许毂的大旋转。连接工具结构
4、比较复杂，成本较高；不适于短距离连接；可通过预压载和毂的旋转顺应膨胀热应力。多孔和脐带缆的安装困难成熟经验很少简单工业经验很多。着陆和锁定荷载需要控制着陆荷载，防止设备锁死。控制精度高密封垫的更换需将连接器整体卸掉，操作繁琐，要求高简单、方便扭转载荷有可能产生很高的扭转载荷，对连接器方向有较高要求可通过优化跨接管结构，降低扭转载荷。对结构设计的影响可能对海底结构产生很大的载荷对接收器和毂支座要求高复杂性采油树-管汇连接容易比较复杂维护相同相同流量保障有可能在跨接管内形成水合物。弯管处水合物生成可能会成为难题不易生成水合物尺寸和重量大，重大，更重成熟技术有有紧急断开功能有有软着陆系统需要控制着陆
5、荷载，防止设备锁死。要求具备软着陆系统，或者具有可控的下降速度控制精度高不要求软着陆系统水动力载荷的容许能力低高连接器着陆和对接控制风险很大风险比较小与跨接管操作和对接解耦复杂简单回收采油树管汇复杂简单清管超过5个弯的跨接管清管操作复杂，风险高风险较小轴向载荷对立管有优势对FTA-管汇-采油树有优势保温对保温材料的厚度有限制容易测量要求高比较低设备回收困难两端分离施工工期比较长简单一端分离结构要求行程短，设备重量较小，但是高度较高。行程比较长，设备重量较重，高度小维修相同相同在本开发方案中，根据采油树与管汇或管汇与管汇等之间的位置和连接距离的不同，分别选取适合的垂直跨接管与水平膨胀弯。若连接距
6、离相对较短（假定40米左右），而且两者之间位置简单，则选择垂直跨接管连接。若连接距离相对较长（假定大于40米或更长），则选择水平膨胀弯连接更为合适。1.1.1.3 不同几何形状的跨接管选型跨接管的形状越复杂，柔性越大，适用的载荷环境也越复杂，但是设计、制造、安装的成本也越大。因此，在选择跨接管时，原则上优先选择最简单的跨接管形式。图1.12 垂直跨接管（倒U，M（肘管），M（弯管）的形式，图1.13 水平膨胀弯（无海底支撑，三维，有海底支撑）的形式。表1.13 各种形状垂直跨接管图1.12 垂直跨接管（倒U，M（肘管），M（弯管）图1.13 水平膨胀弯（无海底支撑，三维，有海底支撑）表1.13
7、 各种形状垂直跨接管的特点类型特点及适用性倒U结构简单柔性小一般有应力斜撑距离短、热膨胀位移小M（肘管）成本低、制造简单无清管要求管径小M（弯管）结构相对复杂柔性大管径大、有清管要求热膨胀位移大表1.14 各种形状水平膨胀湾的特点类型特点及适用性无海底支撑结构简单柔性小距离短、热膨胀位移小有海底支撑成本低、制造简单无清管要求管径小三维结构相对复杂柔性大管径大、热膨胀位移大经过分析比较，本项目中的跨接管选择刚性垂直“M”型跨接管。1.1.1.4 跨接管的设计和布局要求在设计和布置跨接管时，首先要满足安装指南的一些要求：1) 管长的累积长度为60米，连接器与连接器之间的距离为45米时，膨胀弯可以安
8、装；2) 当累积管长超过70米，连接器与连接器之间的距离为50米时，膨胀弯很难安装；3) 膨胀弯的重心应尽量与其中心线一致；另外跨接管的设计要兼顾连接器、清管操作以及管线、PLEM、PLET、采油树等要求；4) 跨接管的总体形状应具有一定的柔性，满足制造、安装误差要求；5) 跨接管的设计应满足选定的端部连接器最大承载荷载的要求；6) 跨接管的内径应与相连接的海底管道内径一致以满足清管要求；7) 跨接管的弯头设计应满足测径、排水、干燥及智能清管球通过的要求。1.1.2 水下跨接管的设计难点1.1.2.1 水下跨接管设计的影响因素1）跨接管的长度跨接管的长度主要由其所连接的海底结构物之间的距离确定
9、，对于任何给定形式的跨接管，跨接管的长度越大，柔性越大，即与短的跨接管相比，能够允许更大的测量误差。但也会造成跨接管重量的增加，自重引起的应力增加，跨接管也更易受海底引起的涡激振动的影响。2）管径和材料跨接管的最小管径和材料由生产要求决定。跨接管的壁厚必须能够承受所有载荷的作用，包括偏心、外压、内压、自重、外部载荷等。除此之外，在局部的高应力部分，要加大壁厚，通常跨接管的高应力出现在与毂座相连的两端或中间的选跨段。如果跨接管有清管要求，跨接管的内径必须与所连接的管线保持一致。3）海流引起的涡激振动在大多数情况下，靠近海底处的海流足够小可以忽略，但是在一些情况下（如南海出现孤立波），底流可能很大
10、，不能忽略。若跨接管由泥线支撑，不悬空，则不会引起显著的涡激振动。不过，对于跨接管的选跨段，必须考虑底流的作用，因为底流的涡激振动引起的疲劳将缩短设计寿命，设计时必须考虑。一般来说，设计跨接管时，跨接管选跨段的固有频率要避开涡激振动的固有频率，悬跨段的固有频率与跨接管的长度成反比，与跨接管的管径成正比。4）外部载荷作用域跨接管的外部载荷除了海流载荷之外，主要是温度变化引起的管线热膨胀。管线热膨胀的大小和方向对跨接管引起的应力都有显著的影响。将跨接管的热位移作为初始位移过于保守，不符和实际情况，尤其是对于跨接短管。在跨接管设计时，要将这些载荷进行实际的计算。5）对中系统外部对中系统的尺寸、形状、
11、重量取决于跨接管偏斜的大小。跨接管的偏斜是测量、制造等误差的累计结果。在进行跨接管最终设计之前确定这些值的最大范围，使得设计的跨接管有足够的柔性满足过载的要求。6）制造/安装制造和安装是目前对跨接管影响最大的因素，在下文进行详细的介绍。7）清管要求跨接管壁厚的增加可以使跨接管的强度增加，但可能引发相应的清管问题，因为跨接管这些地方的管径减小。另外，清管要求弯管处弯头的半径增加。清管布置可以作为跨接管设计时必须考虑的载荷工况之一。8）腐蚀余量在跨接管的壁厚设计中必须考虑腐蚀域量。随着管线的浮式，跨接管选跨段的强度降低，在某种程度上会减小跨接管悬跨段的偏斜（自重引起），但是壁厚减小导致相同操作压力
12、下引起的环向应力的减少。9）标准要求刚性跨接管用来连接管汇和采油树、管汇与管线终端、采油树与采油树，这些跨接管都要承受各种载荷的作用。将跨接管作为井口采油树、管汇、管汇终端的一部分时，与一般的海底管线相比，受力情况差别很大，因此不能将海底管线的设计规范作为跨接管设计的完全准则。1.1.2.2 水下跨接管的壁厚设计对于有清管要求的跨接管，则跨接管的内径必须与相连接的海底管线的内径保持一致，而且由于设计基础是相同的，因此可以直接采用相连接的海底管线的壁厚。对于连接采油树和海底管汇的采油树，需要对壁厚进行设计，根据规范DNV-OS-F101。设计流程如下图所示。图1.14 水下管线壁厚的设计流程本报
13、告以目标西非深水油气田的一根深水跨接管为例，进行了较为详细的壁厚设计。水压爆破压力由下式确定：外压压溃屈曲由下式确定：屈曲扩展由下式确定：代入设计基础数据和相关的系数，计算得到：表 1.15 12”跨接管的壁厚计算结果管线直径标准API-5L最小允许壁厚（mm）最小允许壁厚（mm）选择壁厚（mm）爆破压力压溃压力扩张屈曲12”X-658.619.747.6425.425.4但是最终的壁厚计算需要有屈曲强度校核来确定。1.1.2.3 水下跨接管悬跨长度设计跨接管的悬跨长度设计流程，根据DNV-RP-F105规范如图1.15所示。图1.15 水下管线的选跨长度设计流程初选悬跨长度为32m，计算相应
14、的固有频率为：根据频率筛选准则，检查是否满足频率筛选要求：若不满足频率筛选要求，则必须计算疲劳寿命：代入相关的设计参数和系数，计算结果：表1.16 跨接管悬跨长度频率筛选跨接管跨接管尺寸分析的悬跨长度（m）标准评论外径(mm)长度（m）In-lineCross-flow无疲劳分析12”-40323.94032不通过通过经过计算，悬跨长度横流固有频率不大于横流校核频率，故横流悬跨长度满足寿命为50年。但顺流固有频率小于校核频率，故对顺流悬跨长度进行疲劳寿命分析。表1.17 未通过筛选的悬跨长度的疲劳寿命悬跨长度（m）百年一遇流速（m/s）一年一遇流速（m/s）同向固有频率（HZ）同向校核频率（H
15、Z）OKNOT OK同向疲劳寿命（year）320.570.461.3681.531NOT OK3.766e4因此，32m的悬跨长度合适。1.1.3 M型12”垂直跨接管的初步选型设计下面介绍12垂直跨接管的设计，连通距离初步定为40米，水深1700，输送油气密度定为800kg/m3，设计压力25.7MPa，最低环境温度3，设计寿命25年，重10t，如图1.16所示。1）选型，选用M型弯管式垂直跨接管2）壁厚，25.4mm，满足屈曲强度校核3）悬跨长度，32m，疲劳寿命符合25年图1.16 12垂直跨接管具体尺寸表1.18 跨接管悬跨长度频率筛选标识外径（mm）壁厚（mm）悬跨长度（m）材料总
16、重量（t）12跨接管323.925.432X65（无缝）101.1.4 跨接管的安装深水跨接管的安装工艺，主要涵盖跨接管安装施工资源，包括运输船只、施工船只、测量工具、分布梁等，以及刚性跨接管和柔性跨接管的常规安装工艺。在此基础上，对西非深水油气田目标油气田跨接管的安装进行了方案推荐。1.1.4.1 施工资源跨接管和其它的水下生产设施不同，其制造和安装有着密切的联系。跨接管结构形式比较简单，设计和制造的周期短，因此有些跨接管可以在浮式平台或相关船只上直接制造，但是如果跨接管的形状比较复杂，如三维跨接管，则需要在陆上的工厂进行制造，然后由驳船运输到目标的油气田进行安装。跨接管安装涉及到的施工资源
17、包括运输驳船、工程支持船、钻井装置或浮式生产装置（FPS），以及相关的装载架、分布梁、索具、ROV等，下文将介绍这些施工资源。1）运输驳船跨接管在陆上制造完成之后，通过运输驳船运送到目标油气田。跨接管的重量小，对运输驳船的要求较低，但是跨接管的高度较高，在行驶过程中对驳船的平稳性有一定的要求，并且跨接管的运输时的海况条件应该较好。如果海况条件较差，如风力等级大、波浪和海流比较严重，运输驳船的平稳性会受到很大的影响。运输驳船分为有自航能力（图1.18）和无自航能力（图1.18）两种，无自航能力的驳船需要专门的动力牵引船只，这两种驳船都可以用来运输跨接管，根据实际工程的需要可以选择不同类型、不同规
18、模的跨接管运输船只。图1.17 跨接管的运输驳船-有自航能力图1.18 跨接管的运输驳船-无自航能力跨接管在运输过程中通过装载架（图1.19）支撑，装载架由两个架子构成一套，每个架子有两个主要的支撑柱，一个用来放置跨接管，另一个用来放置悬臂梁。通常，一艘运输驳船上可以放置3-5套装载架，若驳船体积较大，根据需要还可以放置更多的装载架。装载架与装载架之间要有足够的空间，避免装载架上的跨接管和连接器发生碰撞。装载架的下端用“十”字形的工字钢，通过螺栓固定在驳船上，形成可以拆卸的结构。当运输驳船运完跨接管时，可以将装载架卸下，继续运输其它的设备。图1.19 放置跨接管的装载架装载架的上端一般为半圆形
19、的圆槽或V字槽，V字槽可以放置不同外径的跨接管，而半圆槽用来分布梁，因为分布梁的尺寸一般固定。图1.110 装载架上方的V型槽和半圆槽2）施工船根据工程的实际要求，分析制定需要配备的施工支持船（图1.111），如安装船的浮吊的提升能力与提升半径应满足要求，并根据施工船舶的作业费用、日程安排，结合现场施工机具作业能力、现场的实际情况等，制定出满足经济、高效等工程要求的作业方案。如果施工船空间较大，能够满足跨接管制造的要求，那么跨接管的设计和制造可以在工程船上进行，不需要进行安装，另外也降低了跨接管运输的成本。图1.111 跨接管施工船3）钻井装置（钻井平台）由于跨接管的制造和安装对跨接管的成本影
20、响最大，所以一些情况下，将跨接管的制造和安装在钻井装置（图1.112）上进行。一般在钻井装置上进行制造的跨接管是二维的跨接管，这是因为钻井平台的空间有限。图1.112 钻井平台跨接管制造完成之后，可以通过钻井平台上的吊机进行下放。图1.113为半潜式钻井平台正在安装跨接管。图1.113 用钻井装置安装跨接管4）分布梁分布梁（图1.114、图1.115）在设计和制造海上作业的时按照规划和海上操作的DNV规范，并且具有足够的刚度在安装和回收时将限制跨接管的挠度和应力在允许的范围内。安装好跨接管连接器后，分布梁与跨接管解脱。分布梁的作用如下：l 提升和安装跨接管；l 限制互相大钩悬挂高度（最小化吊起
21、角度）；l 处理联合组块在空气中的注水重量。图1.114 下放过程中的分布梁图1.115 分布梁近图5）索具在分布梁和膨胀弯之间的索具（图1.116）应该易于调节到支撑的膨胀弯终端可能的角度范围。索具应该考虑膨胀弯的装配重量、几何形状和硬度以及动载荷条件。索具的结构设计应使在膨胀弯安装和回收期间由船只运动所引发的运动减到最小。配置的索具应根据需求，使ROV能够解开或者重新使索具连接到膨胀弯装配体上。内嵌浮力模块能为连接工具提供索具使得在松弛时索具远离工具。设计中应该包括在提升和安装期间遇到的所有适当的影响因素和吊拉公差。索具提升笼头应具有现场调解功能。位置由控制提升的标识线提供。在海底部署之前
22、标识线应该易于移动。图1.116 分布梁和膨胀弯之间的索具6）ROV水下机器人（ROV）是一种能够在水下自由移动的机械，可以完成诸如阀门的操作、液压操作和其它常规任务。当然，ROV也可携带工具包承担诸如柔性出油管线和控制管缆的牵引和连接，以及部件更换等特别任务。安装ROV的船舶除了需要装有可以下放和回收ROV的设备，还需要有可以控制ROV运动路径的操作平台，以及将ROV和操作平台连接的电缆和遥控系统。ROV可以搜集不同种类的信息，包括录像、拍照等。如果与相关设备连接，ROV还可以进行样本采集工作。ROV做为声纳系统的平台，由一根脐带缆与安装船连接，且需要在ROV上安装各种检测与监测设备。通过安
23、装在ROV上的传感器获得的三维数字地形模型和TDP跟踪数据为跨接管的安装提供了一个实时的三维模型。图1.117、图1.118分别为1Sonsub公司Innovator 250、2Canyon公司Triton XL-20ROV产品的图片。图1.117 水下ROV1Sonsub公司Innovator 250图1.118 水下ROV2Canyon公司Triton XL-207）测量工具结合机械和声纳测量工具，完成制造装配跨接管所需要的测量信息。ROV安装操作工具。选用预先测量工具(PMT)和水下倾角仪。另外还有其他辅助工具，比如声转换器（用于距离测量），深度传感器（测量海拔）。1.1.4.2 安装工
24、艺跨接管的形式多种多样，通常有水平和垂直跨接管，刚性和柔性跨接管，另外有的跨接管一端水平、一端垂直。不同类型的跨接管的安装方法不同，下文将详细介绍各种常用跨接管的安装流程。1）刚性垂直跨接管的安装工艺下放牵引器的刚性跨接管的下放水下采油树或管汇通过管线牵引器与流线段连接，一般情况下，铺设流线段时在工程船上将牵引器焊接到流线段上，若流线段没有焊接牵引器，则安装跨接管之前要首先下放牵引器。假设铺设管道时，流线段未安装牵引器，则首先下放牵引器，为了在下降过程中保持牵引器处于浮动平衡状态，并且在降落到海床时产生一个瞬时向上的力，采用浮筒装置，浮筒的重量等于或者大于牵引器的重量。浮筒连接在支架上，支架与
25、牵引器结构焊接在一起。a)测量跨接管长度的测量（图1.119）由两个机具完成。毂座之间的高度差异同样也是由两个测量工具完成。张紧器（与垂直量角器结合时使用）与数字石英深度传感器。深度传感器，相对水深的精度0.0025%。（或者是5/8英寸）。张紧线方法的精度与角度的精度和距离有直接关系。角度精度相差1，已定的跨接管长度，高度会在原来基础上减少2英尺。图1.119 测量毂座角度的确定，采用直接安装在毂座上的倾角计，毂座支撑在两个正交垂直平面内的结构。在下放跨接管之前，首先根据目标油气田的具体情况，确定好两个毂座之间的距离，为跨接管的下放做好准备。b)装配管线进行水压实验后，运用上面介绍的方法进行
26、跨接管的具体测量。输油跨接管的最终装配需要两次切割和焊接（高度，长度，角度）。输气跨接管只需要一次切割和焊接，因为毂座之间的高度差异在一英寸之内。这些最终的切割，焊接准备，焊缝以及X-射线在甲板上操作，每根跨接管大约进行4到6个小时。为了简化进入油气田区域，在驳船甲板上的水平位置上进行跨接管的最后调整，即跨接管的装配工作都在甲板上完成，图1.120图1.125是跨接管在模具上装配。图1.120 建立装配架图1.121 在甲板上装配跨接管无牵引器的刚性跨接管的下放第一步：将跨接管安装在下方工具上，然后将组件系在分布梁上进行下放，最后在ROV辅助下到达接收器毂座上方的最终位置（图1.122）。图1
27、.122 跨接管用分布梁进行下放第二步：ROV液压触动CVC下放工具，软着陆至连接器上，然后上扣并检验连接（图1.123）。图1.123 跨接管在海底进行连接器的安装第三步：ROV释放CVC下方工具。一旦两个连接器完成对扣，CVC工具和分布梁都被收回到海面（图1.124）。图1.124 连接器回收第四步：将水下采油树与水下管汇，通过跨接管连接起来，于是形成较强的机械连接，水下没有液压设备留下（图1.125）。图1.125 跨接管安装完成2）刚性水平跨接管的安装工艺以Z型跨接管的水平连接的安装为例，应注意以下两点：使用弓弦装置，作用是在安装时使跨接管预变形，提供了安装间隙，促使安装之后管道应力状
28、态趋中。跨接管着陆后，释放弓弦，跨接管扩张，正好安装在毂座之间，然后ROV驱动连接器液压控制卡紧连接，最后再进行密封实验。在下放过程开始时，设计导向绳连接在跨接管的一端（PLET端），导向绳用来定位跨接管。图1.126 导向装置具体安装步骤如下：l HCB（升沉补偿浮标）下放跨接管（图1.127）l 首先到达海底，利用弓弦使跨接管缩小l 利用稳定导向线先把跨接管放到PLEM上l 然后把横木和支架下放到两端l 移去导向绳l 释放弓形梁l 利用液压拉开式气缸驱动连接器l 扭转连接器l 在连接器上进行密封试验图1.127 下放Z形跨接管3）柔性跨接管的安装工艺用柔性跨接管连接水下采油树和海底管汇时，
29、柔性跨接管的长度大于采油树和海底管汇之间的水平距离。多余的长度使柔性跨接管呈懒波形态，因此采油树和海底设备之间的实际距离不是关键因素，可短可长。柔性跨接管在安装时，先用提升线紧固在柔性跨接管的一端，之后柔性跨接管另一端连接器由于重力下沉，使得跨接管在下放过程中垂直。柔性跨接管的安装和刚性跨接管有很大的区别，图1.128所示是一种柔性跨接管在海底进行安装的具体过程。图1.128 柔性跨接管下放至海底图1.129 柔性跨接管与采油树对扣图1.130 连接过程中的水下机器人进行操作图1.131 ROV着陆至海底管汇，由牵引线和出油跨接管进行相连图1.132 ROV收回牵引线，将流动管线跨接管的第二个
30、连接器与海底管汇进行对中图1.133 出油跨接管的第二个连接器与海底管汇进行相连图1.134 水下机器人将流动管线跨接管的接头与采油树相连1-采油树；2-柔性跨接管；3-柔性跨接管接头2；4-提升线；5-柔性跨接管接头1；6-管座；7-海底管汇；8-牵引线图1.135 安装完成，收回ROV1.1.4.3 目标油气田深水跨接管安装的方案推荐本次西非深水目标油气田应用的跨接管为刚性垂直跨接管，以40m，12”的连接采油树和海底管汇的跨接管为例，推荐其安装工艺。1）施工资源的选择西非深水目标油气田的产量较大，且水下井口较多，前期工程投入的时间较长。另外，根据选型设计的跨接管来看，主要是刚性垂直跨接管
31、，且跨接管在同一平面内，根据工程经验，推荐跨接管在施工船或钻井平台上进行设计制造，这样可以节省运输费用并缩短工期。施工船只的选择要结合整个水下生产设施的安装下放的计划来选择，跨接管只是其中的一个影响因素，不能直接决定施工船只的选择，但是推荐所选择的施工船只或钻井平台有一定的空间来运输跨接管。分布梁和索具的选择是根据实际下放的跨接管决定，根据已经设计的40m，12”的跨接管，只要跨接管和连接器重量能够满足即可。2）下放工艺的选择西非目标油气田刚性跨接管的下放可以参照上节刚性垂直跨接管的安装步骤，进行目标下放。1.1.5 小结根据柔性、刚性跨接管，水平、垂直跨接管的特性和类型的比选，最终选择M型刚性垂直跨接管作为西非深水目标油气田的类型。同时，对垂直跨接管安装的施工资源、下放过程的等进行了详细的梳理，并按照设计思想，初步设计了12”、40m的M型垂直连接器。