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深水剛性跨接管安裝操控作業(yè)及風險研究

文檔作者：周禮段夢蘭張康邱盼劉秉奇文檔來源：中國石油大學海洋油氣研究中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年11月23日
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２０１５年第４４卷
第１０期第６頁
石油礦場機械
犗犐犔　犉犐犈犔犇　犈犙犝犐犘犕犈犖犜
　
２０１５，４４（１０）：６１０
文章編號：１００１３４８２（２０１５）１００００６０５
深水剛性跨接管安裝操控作業(yè)及風險研究
周　禮，段夢蘭，張　康，邱　盼，劉秉奇
（中國石油大學海洋油氣研究中心，北京１０２２４９）
摘要：在深水油氣田開發(fā)模式中，跨接管作為重要的連接元件用于連接管線與采油樹、管線與管匯、
管匯與采油樹、管匯與立管等水下生產(chǎn)設施，其安裝技術是構(gòu)建水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要內(nèi)容。以某深
水氣田Ｍ 型跨接管安裝過程為例，介紹了跨接管下放安裝作業(yè)方法及要求，利用事故樹分析方法
對其進行風險研究，找出安裝過程中的關鍵環(huán)節(jié)，并提出控制措施，旨在為我國深水跨接管下放安
裝提供參考。
關鍵詞：剛性跨接管；下放安裝；事故樹
中圖分類號：ＴＥ９５２　　　文獻標識碼：Ａ　　　犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１３４８２．２０１５．１０．００２
犚犲狊犲犪狉犮犺狅狀犐狀狊狋犪犾犾犪狋犻狅狀犆狅狀狋狉狅犾犪狀犱犚犻狊犽狅犳犇犲犲狆狑犪狋犲狉犚犻犵犻犱犑狌犿狆犲狉狊
ＺＨＯＵ Ｌｉ，ＤＵＡＮ Ｍｅｎｇｌａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｋａｎｇ，ＱＩＵ Ｐａｎ，ＬＩＵ Ｂｉｎｇｑｉ
（犗犳犳狊犺狅狉犲犗犻犾／犌犪狊犚犲狊犲犪狉犮犺犆犲狀狋犲狉，犆犺犻狀犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犘犲狋狉狅犾犲狌犿，犅犲犻犼犻狀犵１０２２４９，犆犺犻狀犪）
犃犫狊狋狉犪犮狋：ＪｕｍｐｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｔｏｃｏｎｎｅｃｔｐｉｐｅｌｉｎｅａｎｄＣｈｒｉｓｔｍａｓｔｒｅｅ，ｐｉｐｅｌｉｎｅａｎｄＰＬＥＭ，
ＰＬＥＭａｎｄＣｈｒｉｓｔｍａｓｔｒｅｅ，ＰＬＥＭ ａｎｄｒｉｓｅｒｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｙｐｅｏｆｄｅｅｐｗａｔｅｒｏｉｌａｎｄｇａｓ
ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｊｕｍｐｓａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｓｕｂｓｅａｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ’ｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｍａｓｔｅｒｔｈｅ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｊｕｍｐｅｒｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ．ＷｉｔｈａｋｉｎｄｏｆＭｓｈａｐｅｊｕｍｐｅｒａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏ
ｄｕｃｅｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｊｕｍｐｅｒｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｉｎｄｅｔａｉｌ．ＴｈｅｎａｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＦＴＡ
ｉｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓｉｎｔｈｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｐｒｏｖｉｄｅｓｏｍｅ
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｊｕｍｐｅｒｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｉｎｄｅｅｐｗａｔｅｒ，ｓｏｍｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅａｓｕｒｅｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．
犓犲狔狑狅狉犱狊：ｒｉｇｉｄｊｕｍｐｅｒ；ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ；ｆａｕｌｔｔｒｅｅａｎａｌｙｓｉｓ
　　當前，海洋油氣勘探開發(fā)已由淺海走向深海，水
下生產(chǎn)系統(tǒng)由于其在開發(fā)深水油氣田時具有明顯的
綜合經(jīng)濟優(yōu)勢，已經(jīng)被世界上很多國家作為油氣田
開發(fā)的一種重要方式廣泛研究和應用［１］。水下生產(chǎn)
系統(tǒng)主要由油井、采油樹、井口、臍帶纜、立管、管匯、
控制系統(tǒng)、搭配出油管、跨接管組成?？缃庸苁撬?
生產(chǎn)系統(tǒng)中重要的近距離連接設備，用于連接管線
與采油樹、管線與管匯、管匯與采油樹、管匯與立管
等水下生產(chǎn)設施［２］。
隨著世界各大石油公司在深海領域不斷增加投
入，海洋石油水下裝備的需求也將日趨增大，但國內(nèi)
對于深水裝備的安裝操作仍主要由國外公司完成，
還不能完全自主掌握如深水跨接管這樣的大型水下
結(jié)構(gòu)物安裝操控作業(yè)技術［３］。本文以某１５００ｍ 深
水氣田為例，詳細闡述深水跨接管的安裝作業(yè)，并用
ＦＴＡ 法對作業(yè)過程進行風險研究以期完善整個安
裝過程。

　收稿日期：２０１５０４０５
　基金項目：國家科技重大專項“水下管匯連接器樣機研制”（２０１１ＺＸ０５０２６００３０２）；國家科技重大專項“深水水下生產(chǎn)設施
制造、測試裝備及技術”（２０１１ＺＸ０５０２７００４）
　作者簡介：周　禮（１９９０），男，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事海洋油氣工程研究，Ｅｍａｉｌ：ｚｈｏｕｌｉｏｋ＠１２６．ｃｏｍ。
１　深水剛性跨接管
１．１　結(jié)構(gòu)形式
如圖１所示，跨接管可以按照其連接方式的不
同分為垂直跨接管和水平跨接管。其中，垂直跨接
管按其具體形狀又可分為Ｍ 形（彎管）、Ｍ 形（肘
彎）、倒Ｕ 形［４５］。可以根據(jù)水下系統(tǒng)的具體情況選
擇相應形式的跨接管。
１—Ｍ 形（彎管）；２—Ｍ 形（肘彎）；３—倒Ｕ 形
ａ　垂直跨接管
ｂ　水平跨接管
圖１　常見的剛性跨接管
１．２　功能實現(xiàn)
水下跨接管主要通過跨接管兩端的連接器與其
他水下結(jié)構(gòu)的轂座相連，連接器根據(jù)跨接管形式的
不同分為垂直連接器和水平連接器。Ｍ 形跨接管
所使用的垂直連接器［６８］如圖２所示。
圖２　跨接管連接器與轂座連接示意
　　連接器的工作原理為：在連接器及安裝工具整
體與轂座完成對中后，啟動液壓缸推動驅(qū)動環(huán)使其
沿軸向向下運動的同時，卡爪向內(nèi)回收將跨接管末
端與其他水下設備上的轂座鎖緊，進行密封測試后
即實現(xiàn)了跨接管的連接功能。
２　跨接管安裝作業(yè)過程
２．１　總體流程
剛性跨接管的總體提升結(jié)構(gòu)如圖３所示，在跨
接管駛離陸地之前，首先要做好相關準備工作，包
括：檢測和布置分布梁吊點、索具等；隨后將分布梁
和跨接管放置在運輸支架上由拖船運往目標海域。
到達目標海域后，再次進行相關檢查工作，確保安裝
船吊機的相關索具安裝可靠，連接器安裝工具已鎖
定在連接器上，然后借助ＲＯＶ 對水下轂座進行檢
查，確認水下相關標識和有無障礙物等。
圖３　跨接管提升總體結(jié)構(gòu)
　　在完成一系列準備工作后，可借助安裝船進行
下放作業(yè)，首先被下放的是ＲＯＶ 工作籃，它可攜帶
相關工具到水下對轂座進行一些前期處理，例如移
除壓力帽、對轂座進行清潔、安裝巖屑帽等。在所有
前期工作完成后，可進行跨接管下放安裝工作。總
體安裝流程如圖４所示。
圖４　總體安裝流程
２．２　具體步驟
受篇幅所限，本小節(jié)將僅對整個安裝過程的核
心部分———即圖４中所述跨接管安裝部分進行詳細
闡述。
２．２．１　整體下放過程
１）　進行完相關準備工作后，使安裝船停泊至
預先設定的安全作業(yè)海域，然后為主吊機和絞車安
　第４４卷　第１０期　　　　　　周　禮，等：深水剛性跨接管安裝操控作業(yè)及風險研究 ·７·

裝上部索具，將裝載有跨接管的駁船停泊至與安裝
船平行的位置。
２）　連接主吊機上部索具和分布梁上部索具，
為分布梁和跨接管安裝操控繩，然后啟動絞車使其
索具進入水中待命。
３）　首先啟動主吊機，開始提升分布梁，使其脫
離運輸支架，借助操控繩控制分布梁，繼續(xù)提升，直
至分布梁整體完全處于跨接管正上方且與其平行的
位置。
４）　提升跨接管使其離開運輸支架至足夠高
度，使其不因安裝船和駁船的升沉運動而發(fā)生碰撞，
之后駁船駛離安裝船，如圖５。將絞車索具下放至
５０ｍ 水深處，在此等候后續(xù)進行的載荷轉(zhuǎn)移操作。
圖５　整體下放過程
　?。担∠路趴缃庸苓M入水中，并解除跨接管操控
繩，將跨接管下放至水深約５０ ｍ 處，停止下放，準
備與絞車進行載荷轉(zhuǎn)移。
６）　將在主吊機上部索具上的自由索環(huán)連接至
絞車索具的掛鉤上，主吊機緩慢下放，由于所承受的
載荷逐漸轉(zhuǎn)移至絞車上，其連接索具逐漸松弛，由
ＲＯＶ 將主吊機上的索環(huán)卸下，由此完成了由主吊機
向絞車的載荷轉(zhuǎn)移，如圖６。
圖６　載荷轉(zhuǎn)移操作
　?。罚±^續(xù)通過絞車下放跨接管，至距離海床２５
ｍ 處時停車，此時可將主吊機索具回收至水面。
８）　按照既定路徑，調(diào)整安裝船位置至目標安
裝海域，啟動安裝船的ＡＨＣ（升沉補償系統(tǒng)）；然后
由ＲＯＶ 移除轂座上的巖屑帽，２個ＲＯＶ 分別各自
調(diào)節(jié)控制１個位于跨接管兩端的連接器安裝工具，
以協(xié)助跨接管進行著陸操作。
９）　借助ＲＯＶ 控制跨接管兩端的安裝工具與
水下設施的轂座對中，嚴格控制絞車下放速度，使其
不超過規(guī)定極限速度（０．６ｍ／ｓ），借助安裝工具進行
軟著陸，并使跨接管上部索具逐漸松弛。
在連接分布梁下部索具時，可通過控制不同吊
點索具的長度來使跨接管整體與水平線呈一定角度
（約１～２°），這樣可以使跨接管先在一端著陸，然后
經(jīng)繞一端旋轉(zhuǎn)后再進行另一端著陸。
２．２．２　分布梁回收及連接器鎖緊過程
１）　ＲＯＶ 解除分布梁下部索具，使其與跨接管
分離，絞車提升分布梁至距離海床２５ｍ 處，ＲＯＶ 通
過一系列操作將跨接管連接器和轂座進行鎖緊（如
圖７），對連接器進行密封測試后，將安裝船移動至
安全操作海域。
圖７　水下跨接管連接器鎖緊過程
　　２）　回收分布梁至距離水面５０ ｍ 處，將主吊
機索具同樣下放至距離水面５０ ｍ 處，二者進行載
荷轉(zhuǎn)移，同２．２．１中第６步，使絞車索具完全回收至
安裝船。
３）　將操控繩連接至分布梁后，繼續(xù)由主吊機回
收分布梁，并穿越飛濺區(qū)，然后將駁船停泊至與安裝
船平行的位置，在操控繩的控制下，下放分布梁至駁
船上的運輸支架上，解除相關索具及操控繩的連接。
２．２．３　安裝工具回收過程
１）　將安裝工具回收索具連接至絞車，絞車下
放至距離海床２５ ｍ 處；同時，為輔助吊機（起重量
·８· 　　　　　　　　　　　 石 油 礦 場 機 械 　　　　　　　　　　　　　　　?。玻埃保的辏保霸隆?

較低）安裝回收索具，并下放至距離水面５０ｍ 處等
待進行載荷轉(zhuǎn)移操作。
２）　將安裝船駛至目標海域，絞車繼續(xù)下放。
借助ＲＯＶ 將安裝工具上的索具（可在浮力模塊的
作用下處于豎直浮起狀態(tài)）與回收索具相連，ＲＯＶ
操作使安裝工具與跨接管連接器解鎖，在絞車對繩
索施加輕微張力后，檢查索具是否處于豎直狀態(tài)。
緩慢提升連接器安裝工具至距離海床２５ ｍ 處，
停車。
３）　移動安裝船至安全作業(yè)區(qū)域，繼續(xù)回收至
距離水面５０ｍ 處，進行載荷轉(zhuǎn)移操作（具體見第６
步），將載荷轉(zhuǎn)移至輔助吊機（安裝船上起重量較輕
的吊機）。
４）　通過ＲＯＶ 釋放安裝工具底部的操控繩，
輔助吊機繼續(xù)回收安裝工具，同時將絞車回收。
５）　將駁船停泊至與安裝船平行的位置，將安
裝工具提升至足夠高度，由工作人員控制安裝工具
操控繩使安裝工具緩慢地著陸于駁船；進行同樣的
操作以回收另一安裝工具。安裝工具回收過程如
圖８。
圖８　安裝工具回收過程
３　基于犉犜犃的跨接管安裝過程風險研究
３．１　犉犜犃構(gòu)建
事故樹分析又稱故障樹分析，是從結(jié)果到原因
找出與事故有關的各種因素之間因果關系和邏輯關
系的作圖分析法。該方法把系統(tǒng)可能發(fā)生的事故放
在圖的最上面（頂上事件Ｔｏｐｅｖｅｎｔ），按系統(tǒng)構(gòu)成
要素之間的關系，分析與事故有關的原因。具體過
程是通過頂上事件進行逐層邏輯推導直至找出基本
原因事件（Ｂａｓｉｃｅｖｅｎｔ），找出導致事故發(fā)生的基本
原因組合，通過定性與定量分析，找出事先未能預測
到的原因事件［９１０］。跨接管安裝過程事故樹如圖９。
圖９　跨接管安裝過程事故樹
３．２　跨接管安裝過程事故樹分析
在事故樹中凡是能導致頂上事件發(fā)生的基本事
件的集合稱為割集；凡能導致頂上事件發(fā)生的最低
限度的基本事件的集合（也可以說不包含其他割集
的割集）稱為最小割集。事故樹中最小割集越多，頂
上事件發(fā)生的可能性就越大，系統(tǒng)就越危險。相反
地，在事故樹中，有１ 組基本事件不發(fā)生，頂上事件
就不發(fā)生，這一基本事件的集合稱為徑集。凡是不
能導致頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合
（也可以說不包含其他任何徑集的徑集）叫最小徑
集。最小徑集越多，頂上事件不發(fā)生的途徑就越多，
系統(tǒng)也就越安全。結(jié)構(gòu)重要度分析是分析基本事件
對頂上事件的影響程度，可以從中找出影響事故的
主要原因，從而采取有效措施應對事故的發(fā)生，制定
應急預案。
３．２．１　本事故樹最小割集
借助中國礦業(yè)大學孟現(xiàn)飛老師編制的ＦＴＡ 分
析軟件，可以得出本事故樹共有１０個最小割集：
　第４４卷　第１０期　　　　　　周　禮，等：深水剛性跨接管安裝操控作業(yè)及風險研究 ·９·

１）?。兀保醵更c失效。
２）?。兀保埃?，安裝工具故障。
３）?。兀保保?，連接器卡爪鎖緊不到位。
４）?。兀?Ｘ３｝，開口度變形過大＆ 檢查不
到位。
５）?。兀矗?，吊點布置不合理。
６）　｛Ｘ５｝，下放速度過快。
７）?。兀叮?，制動過猛。
８）?。兀罚?，極端海況。
９）　｛Ｘ８｝，下放速度過快。
１０）?。兀梗?，未開啟升沉補償系統(tǒng)。
則結(jié)構(gòu)重要度排序為：Ｉ（Ｘ１１）＝Ｉ（Ｘ１０）＝Ｉ（Ｘ９）＝
Ｉ（Ｘ８）＝Ｉ（Ｘ７）＝Ｉ（Ｘ６）＝Ｉ（Ｘ５）＝Ｉ（Ｘ４）＝Ｉ（Ｘ１）＞
Ｉ（Ｘ３）＝Ｉ（Ｘ２）
３．２．２　分析結(jié)論
１）　從事故樹的邏輯關系看，有６ 個邏輯或門
和１個邏輯與門，最小割集有１０ 個，最小徑集有２
個，最小割集數(shù)量較多，說明造成事故的途徑很多，
而控制事故的途徑略少，且需要控制的事件多而面
廣，因此系統(tǒng)的危險性較大
２）　由結(jié)構(gòu)重要度排序來看，各個基本事件結(jié)
構(gòu)重要度趨于平均，由于結(jié)構(gòu)重要度體現(xiàn)的是基本
事件在事故樹中結(jié)構(gòu)上的重要程度，因此它本身具
有局限性。同時又由于缺乏各個基本事件的發(fā)生概
率，所以無法進一步評估其重要度。這里需要指出
的是，根據(jù)相關資料，基本事件Ｘ１１ 發(fā)生的概率較
大，這里應特別提出。
３）　本次分析著重找出安裝過程失效邏輯關系
和導致失效的基本事件，確定出導致失效事件的發(fā)
展途徑，借此找出阻止其發(fā)生的方法，以此作為現(xiàn)場
施工作業(yè)的參考。
３．２．３　控制措施
１）　嚴格制定并執(zhí)行各項規(guī)章和管理制度，例
如操作人員應按照標準執(zhí)行作業(yè)程序，做好對于天
氣海況的預測，制定合理的與之對應的作業(yè)計劃。
加強崗位責任制的落實，做好安全自控與互控，保證
現(xiàn)場作業(yè)安全有序。
２）　提高作業(yè)人員業(yè)務素質(zhì)。對吊車司機要加
強應急處置技能訓練；合理布置吊點，下放前要做好
定位工作。
３）　確保繩索、分布梁、吊耳等材料組裝合格，
在作業(yè)前要檢查到位，保證作業(yè)過程中不出問題。
４）　做好碰撞試驗，使之具備良好的抗碰撞
能力。
５）　做好應急預案。
４　結(jié)論
深水跨接管作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中一種重要的連
接元件，結(jié)構(gòu)龐大，安裝難度大，目前國內(nèi)不具有獨
立對其進行安裝的能力。本文結(jié)合一種典型剛性跨
接管，詳細介紹了其獨特的安裝過程。為了能進一
步突出安裝過程中的重點環(huán)節(jié)，利用ＦＴＡ 分析方
法，找出了整個安裝過程中需注意的關鍵環(huán)節(jié)，針對
其列出了相關控制措施，對于我國今后能獨立進行
大型水下結(jié)構(gòu)物的下放安裝具有一定的指導意義。
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·１０· 　　　　　　　　　　　 石 油 礦 場 機 械 　　　　　　　　　　　　　　　?。玻埃保的辏保霸隆?
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03-11