国内外铺管方法与铺管船研究现状与发展趋势

国内外铺管方法与铺管船研究现状及发展趋势

一、铺管方法

随着世界海洋石油的大面积开发，对深水起重铺管船的需求垣越来越大。随着世界海洋石油不断向深水发展，对深水起蘑铺管船的性能要求也越来越高。世界海洋石油工业的高速发展推动了深水起霞铺管船的快速发展，也带动了起重铺管船装备的快速发展。我国的深水油气开发虽然起步较晚，但发展势头之猛、发展速度之快，令世人瞩目。但我国的深水油气田开发的施工装备与国外仍有一定的差距。近年来，国家加大了研发投入力度，相关的企业也加快了市场开发步伐，希望能够为此提供一些有益的参考。铺管方法主要有拖管法、S形铺管法

(S-lay)、J形铺管法(J．1ay)、卷简式铺管法(ReellayandCarousellay)以

及垂直铺管法：(verticallay)

1、拖管法

在近海浅水区铺设海底管道时，通常采用拖管法，拖管法中的管道一般在路上组装场地或在浅水避风水域中的铺管船上组装成规定的长度，然后用起吊装置将管道吊到发送轨道上，再绑上浮筒和托管头，用拖船将管道拖下水，按预定航线将管道就位、下沉，最后将各管道对接，完成管道铺设全过程。目前拖管法已经发展为4种方式：浮拖、水面下拖行、离地拖和底托。

1.1浮拖

浮拖是利用浮筒调节管道浮力使其漂浮在水面上，然后再用大马力主拖牵

引管道首段延既定航线航行，尾拖轮牵引管道尾端控制其横向漂移以保证管道安全。浮拖法主要应用于海面风浪较小的海域，受管道尺寸、海水流速、拖轮大小等因素限制，每次浮拖的管道长度从几百米到几千米不等。

1.2水面下拖行

水面下拖行与浮拖法相似，只是将管道位置调整到水面下一定深度进行拖行。与浮拖法相比，水面下拖行的管道受风、波浪等环境载荷的直接作用较小，管道更安全。

1.3离底托

离底托是利用浮筒和拖链将管道悬浮在海床以上一定高度，再由水面拖轮进行牵引前进，既减小了海面风浪的影响，又避开了海底障碍和地形起伏，因而适

应范围较广。离底托法中需要根据管道尺寸、允许及还留等环境条件计算浮筒、拖链的个数和间距，施工工艺比较复杂。

1.4底托

在底托中，管道直接放置在海底由水面拖轮牵引至安放场地。这种方法施工简单，但是受海底地形起伏和海床土壤类型等影响较大，需要马力较大的拖轮，一般只适用于海底平坦的海域，管道长度和拖航距离也较短。

图1拖管法的四种方式

2、S型托管法

S-lay铺管时，管线在甲板或船舱内完成焊接和焊缝的防腐保温层／混凝土重力层施工，然后经过悬挂在船体外的托管架入水，形成一条S形曲线。托管架上的管线称为上弓段，托管架末端至海底的管线称为悬垂段。上弓段的曲线形状是受托管架的形状控制的，因此，是位移控制的。而悬垂段的曲线形状是张力和弯矩控制的，因此，是荷载控制的。上弓段和悬垂段的应变(应力)是S-lay的关键控制参数。因此，S-lay铺管船的托管架和张紧器决定了铺管能力——直径和水深。由于上弓段的张力远远大于悬垂段，因此，上弓段的应变是S-1ay控制的关键，它取决于托管架形状和控制悬垂段应变所需的张力。深水铺管时，上弓段的应变通常大于弹性应变，产生一定的塑性应变，因此，现行规范要求将累计塑性应变控制在0．3％以下。

图2S型铺管法图3J型铺管法

3、J型铺管法

J-1av铺管法是为解决S-lay的上弓段大应变问题而发展起来的一种深水铺管法，它将管线的接长作业由S-lay的水平位置调整为竖直位置，在竖直的J-lay 塔上完成管线连接后直接入水，形成一条J形曲线。通过调整J-1ay塔的倾角，使管线的连接作业姿态与人水姿态相同，从而消除了S-lay的上弓段。由于受到J-lay塔高度的限制，J-1ay铺管时，管线在甲板上接长至J-1ay塔可以容纳的

长度，然后吊至J-lay塔完成与已铺设段的连接，因此，J-lay法的铺管速度较慢。

图4Reellay铺管示意图图5Carousellay铺管示意图

4、卷筒铺管法

卷筒铺管法是柔性管铺设方法的直接拓展，它采用陆地上一次完成管线接长并缠绕到卷筒上，然后在海上展开并拉直后连续铺人海底。根据卷筒在铺管船上的放置方式，卷筒铺管法分为垂直Reellay和水平Carousellay。Reellay

的卷简立式放置。Carousellay的卷简卧式放置。由于没有管线接长作业，从

而铺管船不需要锚泊，因此，Reellay法的铺管速度快。同时，陆地的管线接

长作业也大大提高了焊接质量。但是，由于管线的缠绕和拉直引起塑性变形，因此，Reellay法对管线的损伤较大，必须经过大量的计算来确保管线的塑性应

变和椭圆变形满足规范要求。Reellay法的铺管长度和直径均受到卷简尺寸的

限制，铺管长度是卷筒的可缠绕管线长度，直径则必须满足弯曲应变和椭圆变形

要求。

5、其他方法

上述四种铺管方法主要用于刚性管(rigidpipe)的铺设，其中Reellay也

可用于柔性管铺设。对于柔性管和脐带缆的铺设，还有Carousellay(见图4)

和Verticallay(见图5)两种方法，其中，Carousellay也可用于刚性管铺设?。Carousellay和Verticallay铺管法与Reellay铺管法相似，管线展开后经

过一个矫直机构入水。Carousellay的入水方式与S．lay相似，管线矫直后经

托管架入水。Verticallay的入水方式与Reellay相似，但矫直机构是垂直的，

且管线是通过铺管船中部的月池入水的。

6、发展趋势

基于目前的铺管船，S-lay的铺管直径最大，Reellay的铺管直径最小。Reel lay的铺管速度最快，J-1ay的铺管速度最慢。铺管速度的快慢主要取决于管线

的接长方式，S-Lay的管线接长是水平位置施工的，因此，可同时进行多条焊缝

的焊接，且不同连接段的焊接和防腐保温层／混凝土重力层施工可同时进行。

J-lay的管线连接是在J-lay塔上完成的，同时只能进行一条焊缝的焊接，而Reel lay法在海上没有焊接作业。

为解决海洋工程在深水油气开发所面临的众多技术难题，国内外学者对海底

管道铺设技术进行了广泛研究，提出了很多有效地计算方法，今后的研究方向主

要有以下几方面：

（1）综合利用多种计算方法求解管道铺设问题，根据不同铺管条件选择最

优方法，在满足计算精度的前提下，是计算更有效率，适用范围更广。

（2）进一步研究海流、波浪、内波及铺管船运动等环境载荷作用下管道的

动力响应，以及管道与铺管船之间的动力耦合问题。

（3）随着铺管水深越来越大，管道承受的静水压力迅速增加，有必要研究

铺管过程中管道局部弯曲，弯曲传播现象及管道止屈器的优化选型。

（4）为保证管道安全和铺管精度，需要研究稳定、高效的铺管监测技术及

相应设备，实现对管道结构和铺管设备的实时监测与分析，为工作人员调整铺管

参数提供参考。