平台管道和管线的安装及其它们与平台的连接是海上工作很大的挑战。 高技术的工艺安装水平和不懈的努力是必须的，与此同时各类安装船只的大小和费用已经发展到铺管工程行业有其自己的规范。最常用的安装方法和铺管船只将在此章节概述。 2.2.1 S-Lay s型铺管法
S –型铺管法是指管线在船上开始下水时保持水平，在下水的过程中逐渐变为S型，如图2.15 [2.55]所示。 铺管船首先是汇成管线和存放一节一节管子的地方。通常情况下，线性排列的系列站（焊接点）焊接40至80英尺（12-24米）的自由端线的长度。焊缝经过 X光检查和涂装之后，铺管船前进，管线入海。 该管线入海要在船尾通过一个精准的倾斜角度（见图2.16（b））。在斜坡的底端连接着一个长长的弧形的托管架 。托管架是一个开放的框架结构,用来来支持V形滚轮，从水平到倾斜暂停部分提供了一个控制型过渡。较早的托管架是刚性的，而现代的托管架是铰接的，由几个部分通过铰链连接组成。托管架的形状通过这些分段的连接角度形成。 其长度一般根据工作水深和管线的重量而定，传统的S-型铺管法的工作水深可以达330英尺（100米）。管道的悬浮长度部分通过位于斜坡的张紧器支撑。最常用的有
V型张紧器，通过履带压在管线的表面。管子通过旋转的轨道离开托管架。在这一部分，管线在托管架上受到相对较高的张紧力（见第10章）。
图2.15 s-型铺管法安装图示和荷载分布
托管架过短会导致管子在托管架尾部处过度弯曲，有可能使管子变形屈曲（见图8.4）。 这样的屈曲能够导致管子压裂和进水（ 湿弯 ）。管道进水会使管线变沉从而超过张紧力， 就会导致管线沉向海底。管线向上成弧形的部分被称为上弓段（上弧形）。管线以设定好的角度离开托管架,随着逐渐下沉，管线慢慢变直并向相反的方向弯曲，如图2.15所示。通常最大弯曲部分发生在靠近海床的悬垂段（下凹），通常也就到了最大水深。 因此，必须确保累积的弯曲和压力荷载能够保证安全。悬垂段的曲率通过施加在顶部的张紧力控制。无论何种原因船舶的突然一动或者张紧力的丢失都会导致过度的弯曲，局部屈曲和塌陷。（见第9章）。反过来，有局部坍塌，就有可能衍生局部屈曲。如图2.17。过了悬垂段，管线就会接触到海底到达他的目的地。如果海底较为平坦，管道可以考虑只受外部静水压载作用。它的设计往往是基于避免这种压力载荷（第四章）下的崩溃。铺管船的主要角之一，是提供持有悬吊紧张力和控制它的形状。在较早的驳船上，张紧力通过几条缆绳连接到锚上。缆绳连接到绞车上，驳船前进缆绳缠绕起来。这是一个很需要技术的操作,需要按照预先设计的路线保持铺管船的位置和方向。在操作过程中锚的损坏可能会导致突然偏航或驳船漂流，这反过来又可以导致在托管架尾部过度弯曲而屈曲。更多先进的S型铺管船在深水中用动态定位系统定位。动态定位是通过电脑控制,运用GPS小雪花的泪技术的推进器（可以自由控制的隐蔽的推进器）实现的。很明显动态定位系统需要更多的花费,但是这增加了铺管作业的效率 （对直径达30in以上的管道铺管速度高达4mi/d. ）如图2.16所示，是其中一个
大型动态定位S型铺管船。其半潜式主体结构是499英尺（152米）长，231英尺（70.5中号）。 它有一个铰接的节点和三个110ţ 张紧器。管道的长悬浮部分，更像是一个电缆，而不是梁。因此它的长度以及悬垂段曲率主要由水深度控制，浸没部分的管线重量以及张紧力施加到驳船上。虽然先进的S-铺管船可以承受很大的张紧力，但是这项操作也有相当显著的花费。因此，绝大多数管线都安装空管道，以便减少安装张力。安装设计的理念是首先要避免屈曲破坏，无论是上弓段还是悬垂段，第二就是以保持管道 在弹性范围内工作。悬垂段的曲率主要靠张紧力控制，然而过大的张紧力会对托管架上的管子有害，或许会使管线塑化。在某些情况下，较高的张紧力需要较大的安装船也会增加运营成本 。在一般情况下，无论是托管架上的塑性变形或者悬垂段的都是可以避免的，它会使管线横截面过度椭圆化和海底管线的螺旋化。
图2.16 Saipem’s Castoro Sei半潜式s形铺管船（a）照片（b）示意图
图2.17 管线安装过程中局部屈曲所衍生的整体屈曲
总体而言，安装参数的优化要考虑到所有这些问题以及材料和安装费用。传统的S-型铺管法已经成为水深 到3300英尺（1000米）的主要铺管方法。 而如今，S –型铺管船的工作水深几乎增加了一倍，这是因为动力定位的船舶设计和安装更大张紧力的更长的铰接托管架。图2.18所示Allseas vessel Solitaire的深水托管架2.40，2.57]。 T托管架长460英尺（1
40米）和张紧力可达1930基普（875吨）。此船曾用于安装水深达6,350英尺（1,935米）的娜基卡输油管18 [2.37]。管道安装过程中被淹，托管架在半径为330英尺（100米）的范围内活动。所施加的张紧力值达到约900基普（410吨）。这条船同样也安装了Okeanos24输气管线的大部分管线，从基卡和雷马到ainpass260的浅海水域。
图2.18 图示Solitaire深水托管架
2.2.2 J-Lay J型铺管法
随着水深的增加，传统S型铺管船的悬浮管道长度增加， 结果将导致施加到作业船的张力随之增大。此外，所需的的托管架长度增加，其形状变得更加复杂[2.55，2.57-2.59]。这些严格的要求可通过在水平位置开始管线的铺设避免其影响。J型铺管船是一种灵活的安装方法，管线从一个几乎接近垂直的的位置抛下，如图2.19所示 （实际角度在0度到15度之间，与垂直方向夹角为15度）在铺管道到海床过程中，因为其外形呈J形而得名为J型铺管船。J型铺管船与S型铺管船相比第一个不同就是悬浮管道长度减小。在这种情况下，张力管的作用是支撑较短的悬浮长度和控制悬垂段的曲率。一个随之而来的第二个作用是降低对船只的张力要求，同时显著减少所需的推进器能量 [2.58].在J型铺管船通常是只有一个焊接和一个检查站。出于这个原因， 通常使用较长的管节段，以提高作业效率。这通常由四到六个40英尺（12米）的管节，在岸上预先焊接完成。每段管道被举升到铺设塔，与悬浮部分管道对齐连接，然后焊接，检查，最后涂层。
在铺管船向前移动时，管道被下放在水中，安装长度与距海床长度相一致。在支持点以下的一个短的支撑结构（托管架）决定接近水面的管线的方向。由于着陆点并不是远远落后
船只， 因此管道的定位可以更精确。稍好的船只也不能避免只有很短长度接近水面的管线暴露与波浪运动这个事实。另外一个优点是，海床上管线较低的张紧力转换为简短的自由跨距[2.57，2.59] 。J 型铺管法比传统的S-型铺管法是有点慢，但它已被预计将能够安装水下11,000英尺（3,350米）的管道。在如此深的海水中J型铺管法管道荷载分布如图2.19高张紧力和接近海面的相对较小的外部压力，沿着较长的悬浮管道部分，压力逐渐增加，张紧力逐渐减小，高外部压力和悬垂段的弯曲挠度，以及施加到平坦的海底本质上的静水压力 ，这些荷载必须设计的。此外，在这样的深海水域，意外屈曲的可能性不能被忽视，所以屈曲报警器的安装通常是强制性的。J型铺管法最初是海上钻井平台的自然发展物，常见的做法是从船上垂直的悬挂一个长的管材 首个专门的J型铺管船安装设施在20世纪90年代早期用于麦克得莫特的动态定位德里克驳船（DB），50号。DB50在1993年用于安装两个12.75
图2.19 J形法的安装示意图和所受荷载情况
英寸的管线的20Mi（32千米）深水部分，管线与Shell's Auger张力腿平台[2.22, 2.25]的悬链线立管相连一个200英尺（61米）铺设塔被悬挂在大型驳船的右舷，由A型架支持（见图2.20）。铺设塔被固定到一个底座结构，使其能够有一个可调范围在0至20◦ 的 垂直倾斜度 。
图2.20 DP50及其铺设塔简图【2.25】
低于底座结构是一个托管架，延伸到水底50英尺（15米）。托管架支撑三个可缩回的全面环绕的辊机装配（每个缩回允许较厚的管节部分从垫圈中穿过）。该系统设计旨在一次处理一个四管接头。每167英尺（51米）节点上部有一个垫圈焊接点，用于支撑悬浮管道以及抑制屈曲[2.22-2.24]。管道在适当的地方由位于铺设塔支撑结构的基架支持 ，使其刚好在垫圈下方。在螺旋管道的情况下，垫圈有2英寸（51毫米）宽 ，超出12.75管外表面1.625（41.3毫米）。剩余的部分在岸上焊接。每个管段由水平举升到垂直位置都要经过一个定位板。管段与吊线对齐，焊接， 焊接是利用位于塔脚下的单站检查和涂装。在新节点顶部的垫圈在下部被占用，通过连接到张紧设施的结构，它可以支撑全部管线的重量。底部基座收回和管线逐渐降低入海中，在同时驳船前进。尽管该设施的新特性和单焊台已应用，在奥格项目安装速度达到1.9公里/ D（3.1公里/ D），而S 型铺管船两条管线在较浅的管段部分的最快速度2.26mi/d（3.63千米/天）自1998年以来，J型铺管船的一些新特性也已被开发出。其中最大的两个是 Saipem公司的S-7000 [2.58，2.60，2.61]和Herema的巴尔德[2.62，2.63]。两者都是大的半潜式起重船只，加入了J型铺管船的新特性。 第三个是Saipem公司的SaiBOS油田开发船（FDS）[2.54，2.61]。 S - 7000，采用动态定位的在同
行业中最大的半潜式起重船只的其中一只， 配备了一个可拆卸的427英尺（130米）的J-lay塔在船尾（见图2.21）。塔可变向高达偏离垂直方向20◦和处理在岸上焊接完的四管接头（160英尺- 49副乳腺米）。吊线被三履带式张紧器举升，每个有386基普（175吨）容量，而两个1100基普（500吨）的摩擦安全夹用于加强安全性。剩余节点通过电梯被举升到塔的上部。在塔中，节点被降低并与悬挂管线的端部对齐焊接、检查、涂装。管线逐渐被放低，同时船只前进。首次用于安装Hoover–Diana管线的主要部分，以及其所有的钢悬链线立管[2.27，2.61]。然后用于安装两管线Blue Stream 24，在水深达7,054英尺（2,150米）处穿过黑海（见表1.1）。尽管管线的尺寸及深水环境被考虑在内，这两条管线也被淹没[2.64]。巴尔德 是另一个动态定位的大型半潜式起重船 另外一个在2001年通过加上J型铺管架转换成一个深水工程船（DCV）。铺设塔，位于巴尔德的左舷，处理240英尺（73米）的十六节点关节，每个都有垫圈焊接到最顶端[2.62]。这项安装操作类似于 DB 50把管道在塔的基础部分加紧的操作。十六节点举升到顶部与其对齐、焊接和 焊缝
图2.21 Saipem 7000半潜式起重船及其船尾的铺设塔
图2.22 Saipem’s SaiBOS的油田开发船
进行检查和涂装。随后，上部的垫圈被2,300 kips (1,050 t)容量的起重机占用，下部的管线被降低240英尺（73米），而船只前进。 DCV巴尔德已广泛用于安装不同管线和悬链线立管的深水管段（见2.3节）。 SaiBOS油田开发船 （FDS），配备了J-型塔和起重机，比S-7000或Balder DCV（见图2.22）小，但更灵活的。 [2.61].此船靠动态定位，最大可处理22寸的管线安装在水深达8000英尺（2500米）。其铺设塔操作角度可从与垂直方向成汽化 - 6◦到45◦ 变化。吊管由摩擦式钳（Hang Off Clamp） 举升，该装置位于铺设塔塔下。固定在摩擦式钳下方的的托管架包括辊机用于在铺管操作过程中控制管线的曲率。一个四通管段水平的放置在铰接在塔底部的装载臂上。
装载臂然后举升嵌块到J型船塔，此处被钳具固定，降低到组装站，与悬吊管线对齐然后焊接。一旦焊接， 检查及涂装完毕，载荷转移到安装在铺设塔上的移动摩擦钳。悬挂钳打开，嵌块节点降低通过托管架，在同时船向前移动。设备的张紧能力是970基普（440吨）。
其他项目当中，SaiBOS FDS用于安装Girassol项目的两个16寸的输出管线，这个项目从F
PSO上卸下浮筒，如同2.1.2节所述
2.2.3 Reeling 卷筒法/卷管法
另一个效率较高的海洋管线安装方法是卷管船法[2.55]。在此方法中，通常是在远洋船停靠在码头时，将几英里长的管段卷到一个船上的一个 大直径卷筒上。船只前往安装现场，通过逐步的下放管子来安装。 装有卷筒的船只能够以两节的速度铺设管道。 T铺管方法的连续性和大部分制造工艺过程（组装，焊接，检验，涂层）在岸上进行，显著的减少了安装时间和这个项目的总体成本。通过卷管法铺设的第一道管线要追溯到第二次世界大战。在1944年，25里3英寸长预制好的管线被卷到浮动的卷筒上，通过拖船拉到英吉利海峡安装管线[2.65]。当管子离开卷筒时没有任何力使他变直。这次被称作
图2.23 全球工业的Chickasaw reel卷筒驳船（a）照片（b）示意图
表2.1商业铺管船的基本参数
PLUTO(海底管线)的行动很快的将燃料从英格兰输送给诺曼底的盟军。尽管在战后的数年中卷筒法定期的被使用，但第一艘能铺12.75寸管线大的滚筒船是Fluor公司的RB-2。这艘船，建于1970年，是一个艘275×80 英尺（84×24米）的平板驳船 ，配备了一个半径为20英尺（6.1米）的卧式卷管机和管线铺设时的矫直系统 。圣塔菲国际于1973年将这艘船和卷筒专利购买，并将它改名 契卡索 [2.65]。多年来契卡索主要是在墨西哥湾安装了大量的海底管线和输油管线。它经历了几次升级，在船队全球化产业中依旧可使用。（[2.66]参见图2.23）。 Th升级包括增加动力定位系统[2.67]，增加了张紧力（180kips- 82ţ），另外加长托管架等（表2.1列出了主要铺管特性规格参数）。由于具有了2500吨的卷管能力（例如，11.5公里的8英寸管道），如今这艘船在2500吨的输油管线和浅水正常水深的小直径管线安装方面依旧具有竞争力[例如，2.68]。 卷管法技术下一步的圣塔菲设计和建造的配备了Apache卷筒的远洋船。（见图2.24（a））[2.65，2.69]。
图2.24 Technip的Apache卷筒船（a）照片（b）示意图
在这艘卷管船上，卷筒是立式的，如图2.24所示[2.70]。卷筒宽22英尺（25m）中心半径27英尺（8.23m），轮缘直径82英尺（25m） ，卷管能力2000吨。因此，该卷筒可以铺设19.7公里 8英寸的管道。该船能够处理高达16英寸的管道。当管子离开卷筒入海时通过通过一个特殊的斜坡就会变直。图2.24（B）。管子经过一个上弓的斜坡（333
图2.25Apache上管线收放过程中的弯矩—曲率图
英尺半径- 10米）时会再次弯曲，进一步向下走特殊的矫直机会使管子向相反的方向弯曲。斜坡是一个105×30 英尺（32×9米）的结构，上面安装了水平传送器。 水平传送器运送所有的管线处理设备，如上弓轨道，矫直机和张紧轮。随着管线绕下卷筒，水平绞线器在轮缘之间往复运动， 保持管道与设备对齐。履带式张紧装置具有72t的张紧能力来抓紧暂时的这部分管线。额外的张力（ 约 90吨）能够以卷筒的方式作出反应。坡道倾斜度可以从水平面算起可以在18◦和60◦ (72 ◦特别增加）之间调整，可适应不同水深的安装。鉴于卷轴尺寸，缠绕和下放管线过程包括管线弯曲的过程都应在材料的塑性范围内。例如，以半径为27英尺的Apache卷筒为例， 12英寸弯管 的最大应变为1.93%，16英寸的管子的最大应变为2.41%。因此，壁厚的选择以及管子的力学特征必须保证能够避免局部屈曲（见第8章）。管线在卷筒上弯曲或拉直的过程中通过运用不同水平的拉力可以进一步避免此类局部屈曲的发生。额外的塑性弯曲周期由这艘船的工作参数来确定。 图2.25显示了历史上管道在安装时的弯矩-曲率示意图。管子在卷筒上弯曲时曲率到k1是第一次塑性变形汽车安全驾驶技术(0–1).在管子展开过程中，由于张力管拉直（1-2），管子通过斜坡的上弓段时会再次弯曲到曲率k3。在经过上弓段的下游时，管线会再次拉直（3-4）最终会在矫直器上反向弯曲，所以管子的卸载最总结束在0力矩和 0曲率（近似）。这样的弯曲荷载会影响管子的几何形变并可
能影响管子的疲劳寿命。尽管这一过程设计时避免了局部屈曲，但在管线塑性范围内的持续振动偏移会使得管线接头部分发生椭圆形变，导致某些永久伸长和材料力学性能的变化 。当张力施加在弯曲部位时， 所有这些都将加重（见第10章）。应力椭圆会改变的管道的工作性能，会减少其抵御外部压力的能力，这往往是深水管线最主要的外在荷载（见第四章）。诱导伸长率会对焊缝产生不利的影响，可能导致疲劳开裂。 这样的疲劳寿命的减少对于钢悬链线立管来说是很严重的问题[2.71，2.72]。对于卷管和放管的力学问题将在这系列书的Vol. 3中专门的一章进行讨论。尽管存在这些挑战，但Apache已经能够在世界各地为海上石油和天然气生产铺设管道。 在每个位置都有个基地，在基地预制和储存长约1km的管线。安装船穿梭于基地和安装现场，装载和安装管道，直到项目完成。多年来，该船多次升级（例如，[2.73]），并已成功卷起的绝缘管以及多层管系统（例如，[2.74，2.75]）。 尽管最近生产出新的和更大的卷管船只，但Apache在常规水深大管径管线和深水小管径管线的铺设安装上仍是有力的竞争者（如今由Technip经营）。然而，72◦最大倾斜的坡道和船舶推力是他的软肋。 A随着水深度的增加，必须增加安装角度 使得船舶的张紧力和水平推力保持在一个合理的水平。在过去几年中已经开发了几个新的卷管船。表2.1中列出一个选择卷管船型号的主要参数指标。其中最突出的一艘新的卷管船只是Technip在
2001年推出的 深蓝号多用途作业船 [2.76] （见图2.26）。深蓝号长678英尺（206米t检验法）配备两个钢性卷筒，一个挠性卷筒和一个大型起重机。卷筒的参数在表2.1中列出，最大能够卷起直径18寸的管子和最多能装载5500吨[2.76，2.77]。该船在中间拥有16.5×16.5 英尺（5×5 米 ）的月池，上面安装了坡道。 在安装过程中，管道 通过坡道上方30英尺（9米）的半径的轮车，下坡过程中矫直，并通过矫直器向相反的方向弯曲，最终结束在0曲率和0弯曲（大约）。吊线由两个总共550t张力的轨道式张紧器支撑。这艘船的设计，斜坡倾角会能在任何地方从水平面算起的90◦~ 58◦之间调整。有了这些改善，深蓝号可以将18英寸的管线安装到水深8,200英尺（2,500米）。J形坡道也使得安装管线的最大直径达到30英寸。这艘船已经参加了几个深海项目，包括Na Kika [2.37], Marlin [2.77], Devils Tower - [2.78], Matterhorn [2.79], K2 [2.80]和其他一些。全球性产业，还开发了一个新的卷管船只， 大力士号[2.81，2.82]。 这是一艘大型的动态定位井架驳船（482×140 英尺- 147×43米），配备了大型起重机和管道安装设施（见图2.27）。这是一艘多功能作业船，它可用于在S-型铺管法或卷管法，能用于深水也能用于浅水。就像Chickasaw，大力士号的卷筒是水平方向的，但不同之处 它是可移动的。它的轮毂半径28.5英尺（9米），具有6500t装管能力，卷管直径为4-18英寸（表2.1）。 T大力士号的矫直机与的类似，通过托管架将管
道送入海中。 张紧力1200kips（544吨）。 S该船自2001年建造以来，已参加了几个墨西哥湾的管道安装工程，如Petronius, Zia and Gunnison。另外两艘由Subsea 7经营的卷管船的卷筒参数在表2.1中列出的[2.83]。 T 首先是 Navica Skandi ，它的卷管设备是从DSND的 Fennica 号转移来的[2.84]。 I它曾广泛的在巴西近海作业。 第二艘名为“ 七大洋”， 是一艘更大的船，将在2007年建成出坞。
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