在开发海底石油资源, 进行海上油田的生产过程中, 油气田平台群之间, 通常通过海底电缆, 将中心平台或单点储油轮与其它生产平台连接起来, 这样只需要在一个平台上设立电站, 就可以满足所有平台的生产和生活用电需求, 避免了在各个平台上均要设立较大型电站的问题, 在很大程度上减少了开发费用[1];另一方面, 使用海底电缆还可以对一些无人生产平台、水下管汇、采油树等进行远距离控制, 解决平台之间的通讯问题。
平台间海底电缆在开始铺设及铺设完成后, 需要分别将电缆的头部、尾部抽拉上采油平台, 接入海缆箱, 以完成整个电缆的施工过程。高效、安全的完成电缆抽拉工作, 可以节省船天, 降低施工成本。本文通过一个项目实例, 介绍了海底电缆抽拉方法, 并对平台改造进行了分析, 为以后类似项目的实施提供技术指导和施工经验。
1 海底电缆抽拉过程
1.1 海底电缆铺设简介
平台间海底电缆的铺设过程主要分成6个阶段, 依次为路由调查与垃圾清理、起始端电缆抽拉、正常铺设、终止端电缆抽拉、海底电缆接线及测试、挖沟。其中海底电缆的起始端和终止端需要通过在平台上预先布置好绞车, 在施工船舶配合下, 将电缆抽拉上平台。
1.2 起始端电缆抽拉
如图1所示, 在正常铺设开始前, 需要通过在平台上布置好绞车, 将绞车钢丝绳通过电缆护管, 下放到海底后, 施工船舶将钢丝绳回收到甲板上与海底电缆进行连接;之后, 在船舶、绞车、ROV的配合下, 船舶将海底电缆慢慢下放至海底, 同时平台上绞车同步收紧钢丝绳, 将海底电缆牵引到护管喇叭口附近;然后绞车继续收绳, 将电缆抽入护管, 在这个过程中, ROV需要在旁边实时监视工作情况, 必要时辅助绞车将电缆抽拉头抽入护管, 防止电缆卡住;电缆进入护管后, 在绞车钢丝绳的持续作用下, 最终将电缆起始端抽拉上平台;
1.3 终止端电缆抽拉上平台
当船舶到达终止平台附近后, 船舶开始终止端电缆S弯铺设, 以留出足够的余量, 同时根据需要, 可在电缆上面设置浮袋等装置, 以减少抽拉时电缆与泥面的摩擦力。
终止端抽拉与起始端类似, 通过平台上预先布置好的绞车, 将电缆通过护管抽拉上导管架平台, 不同的是, 终止端电缆采用水下挂钩方式, 将绞车钢丝绳与电缆进行连接, 抽拉力比起始端大。
1.4 二次抽拉方法
由于平台层高限制, 在施工过程中, 一般只能一次性将电缆抽出2-3m, 而实际需要抽出15-20m的长度, 因此需要进行二次抽拉, 直到将电缆抽出足够的长度。以下是工程中采用的两种二次抽拉方案:
方案一:如图2所示, 在钢丝绳连接在电缆头部的拖拉头上, 抽出最高长度后, 在护管口底部安装一个电缆抽拉抱卡, 将钢丝绳连接到电缆抽拉抱卡上;在电缆抽拉抱卡达到最大高度后, 在电缆底部安装另外一个电缆抽拉抱卡, 交替进行抽拉, 直至抽出需要的长度。
方案二:如图3所示, 根据需要抽出的电缆长度, 在电缆端上隔一段距离, 用一个拖拉网套将一根高强度尼龙绳与电缆平行固定在一起, 在电缆头部抽出护管口后, 将钢丝绳与高强度尼龙绳连接, 通过抽拉尼龙绳, 即可将电缆一起抽拉出来。
方案对比:方案一中电缆每抽出一定高度后, 要拆除安装抽拉管卡, 需要花费较长的时间, 效率较低;方案二中抽拉可以连续进行, 效率较高, 但是钢丝绳与尼龙绳连接的索具一般无法直接通过滑轮, 每经过一处滑轮时, 抽拉需要中止, 在工程中可采用方案一, 将电缆提升一定高度后, 使尼龙绳穿过滑轮, 再与钢丝绳连接, 其效率取决于需要通过的滑轮数量。
2 平台改造及强度计算
在方案设计中, 钢丝绳最终如图2、图3所示, 一般要求垂直进入护管;吊耳位置一般选择在横梁叉点, 或者斜撑, 大梁等强度较高的位置上;设备位置选定后, 根据强度计算结果, 决定是否对平台进行加强改造。
本文以中海油某海缆铺设项目为例, 该平台为海缆铺设终止平台, 原设计为无人值守平台, 平台小, 高强度横梁较少, 同时电缆护管口与电缆接线箱不在同一层甲板上, 施工难度较大。下面简要介绍该平台的设备布置及强度计算结果。
2.1 设备布置
建立该平台抽拉区域结构模型, 如图4所示, 钢丝绳从绞车出来经过滑轮支架、导向滑轮1、导向滑轮2三次变向后进入电缆护管。钢丝绳最终与护管有一定的角度, 导向滑轮1位置甲板横梁 (H300X150) 较小, 因此焊接在此处的斜撑上。
2.2 强度计算
该平台所在区域海水深度约100m, 所用电缆在空气中重量2.9kg/m, 海缆自重约2.9Te。钢丝绳上的力由海底电缆本身的重量, 包括附着海水重量、海缆与电缆护管及海床泥面的摩擦力 (起始端电缆可以不考虑) 组成, 按经验取自重的2倍, 即5.8Te进行强度计算, 模型载荷如图7所示, 将力直接加在杆件节点上, 其大小等于钢丝绳在此处合力大小, 计算模型如图5所示。
实际施工过程中, 根据布置好的拉力计, 监控到实际的拉力约3.5-4Te, 可知按5.8Te进行计算, 其安全系数约为1.5 (开放海域系数取2.0, 遮蔽海域系数不小于1.5[2]) , 因此是一个比较合理的数值。
2.3 计算结果
SACS计算结果如图6所示, 其计算依据为WSD AISC 9th/API RP 2A-WSD 21st, 综合UC值最大为0.74, 小于1, 其发生在滑轮支架底部杆件上, 符合规范要求。因此该平台设备吊点位置选择合理, 强度能满足使用要求。
3 结语
本文介绍了海底电缆抽拉上平台的过程及二次抽拉的方法, 并通过一个实例介绍了海平台改造和设备布置方案, 计算结果表明此设计方案强度满足使用要求。项目的成功实施, 验证了计算结果, 可以为后续类似项目的实施提供了一定的经验和技术指导。
3.1 二次抽拉时采用尼龙绳加拖拉网套的方式, 可以高效的将电缆抽足够的长度;
3.2 终止端平台抽拉时, 抽拉力最大, 包含了海缆自重、附着海水重量、与电缆护管、及电缆在海床上的摩擦力;计算平台结构强度时, 该合力取为自重的2倍, 其安全系数约1.5, 可以保证结构的强度要求;
3.3 通过合理的选择吊耳位置, 如大梁、交叉点或者圆柱梁上, 可以保证有足够的强度, 减少平台改造工作量;
摘要：随着海洋石油开发的发展, 海底电缆在海洋平台之间电力供应、生产通讯及水下生产系统控制等方面, 扮演着越来越重要的角色。在海底电缆铺设的起始和终止阶段, 通常采用绞车等装置将电缆从海底抽拉至平台上后, 接入电缆接线箱。抽拉之前, 根据规划好的钢丝绳路由及绞车、滑轮等设备位置, 通过计算分析, 对平台结构进行局部改造, 加强薄弱部位, 使其满足抽拉强度要求。本文通过实际项目工程, 详细介绍了海底电缆抽拉过程、二次抽拉方法及平台布置方案, 并利用SACS对设计方案进行强度校核, 为以后类似项目的实施提供技术指导和经验。
关键词：海底电缆,抽拉,二次抽拉,平台改造,SACS,强度分析
参考文献
[1] 房晓明.平台间海底电缆铺设.中国海上油气 (工程) , 1991.
[2] API RP 2A-WSD 21st Edition.Recommended Practice forPlanning, Designing and Constructing fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[M].2000.
[3] American Institute of Steel Construction (AISC) .Manual ofSteel Construction-Allowable Stress Design[M].9th edition, 1989.
[4] 单辉祖.材料力学[Ι]第三版, 高等教育出版社, 2009