阿布扎比原油管道項(xiàng)目海底管道底拖法施工技術(shù)

汪 方，段夢(mèng)蘭，張雪生，程國(guó)棟，郭 煒

（1.中國(guó)石油天然氣管道局海洋工程公司，河北廊坊 065000；2.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 102249；3.中國(guó)石油工程建設(shè)公司，北京 100120）

阿布扎比原油管道項(xiàng)目海底管道底拖法施工技術(shù)

汪 方1，段夢(mèng)蘭2，張雪生3，程國(guó)棟3，郭 煒3

（1.中國(guó)石油天然氣管道局海洋工程公司，河北廊坊 065000；2.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 102249；3.中國(guó)石油工程建設(shè)公司，北京 100120）

阿布扎比原油管道項(xiàng)目終端分部工程海底管道管徑大、拖拉距離長(zhǎng)、弧線路由等難點(diǎn)是工程設(shè)計(jì)人員所面臨的主要挑戰(zhàn)。針對(duì)該工程特點(diǎn)，分析了海底管道底拖法的選取理由，較全面地介紹了底拖法的主要施工工藝，探討了施工中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，包括控制拖管過(guò)程中管道側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)、防止走錨或斷纜以及遭遇惡劣海況的應(yīng)急措施。該工程底拖法施工的如期順利完工表明：在提升現(xiàn)有海上施工裝備能力的基礎(chǔ)上，拖管施工技術(shù)還能向更高的水平發(fā)展，其應(yīng)用也必將更廣泛。

海底管道；底拖；線性絞車；后向牽制錨；曲率半徑；棄管

0 引言

單點(diǎn)系泊 （SPM）接卸油技術(shù)是國(guó)際上為適應(yīng)采用超級(jí)油輪遠(yuǎn)距離運(yùn)輸原油的需要發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)技術(shù)，目前已在美國(guó)、西非、中東、東南亞等產(chǎn)油國(guó)或區(qū)域煉油中心廣泛應(yīng)用。該設(shè)施系統(tǒng)主要由水下管匯基盤 （PLEM）、水下/漂浮軟管、單點(diǎn)浮筒及錨泊系統(tǒng)等構(gòu)成[1]，海底管道與該系泊設(shè)施連接為一體，并向超級(jí)油輪裝油外輸或接受其卸油后輸送至陸上儲(chǔ)罐。因此，海底管道的鋪設(shè)方式及其與PLEM的連接方式選取兩者必須統(tǒng)籌考慮，以確保施工技術(shù)上可行、成本最優(yōu)。本文針對(duì)阿布扎比原油管道項(xiàng)目終端分部工程特點(diǎn)，分析了海底管道底拖法的選取理由，較全面地介紹了底拖法的主要施工工藝，探討了施工中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

1 工程概況

阿布扎比原油管道項(xiàng)目終端分部的海上終端項(xiàng)目所在地位于阿聯(lián)酋富吉拉 （Fujairah）東北部的港口附近，南鄰Vopak Horizon公司的原油罐區(qū)與單點(diǎn)系泊設(shè)施。工程主要包括3條D 1 219 mm（48 in）海底管道和3套最大可同時(shí)系泊載質(zhì)量為32萬(wàn)t的超級(jí)油輪的單點(diǎn)系泊設(shè)施，由中國(guó)石油工程建設(shè)公司于2008年11月授予荷蘭的Van Oord中東工程分公司EPC總分包。

3條海底管道的路由終點(diǎn)分別與各自對(duì)應(yīng)的一套單點(diǎn)系泊設(shè)施連接 （見(jiàn)圖1），從北向南依次為：管道3與SPM 03，管道2與SPM 02及管道1與SPM 01。從登陸點(diǎn)KP0直至路由終點(diǎn)，3條海底管道先后經(jīng)歷三管同溝、雙管同溝及單管在溝，水平面上呈3條大弧線。水深0～54.7 m，最深處位于管道3的終點(diǎn)處。

3條海底管道外徑均為1 241.4 mm，壁厚為25.4 mm，全長(zhǎng)13.45 km，其中管道3長(zhǎng)5.23 km；管道2長(zhǎng)3.21 km；管道1長(zhǎng)5.01 km。工程所需管材全部由業(yè)主阿聯(lián)酋國(guó)際石油投資公司 （IPIC）提供，管材規(guī)格為API 5L X65 PSL2、UOE成型直縫埋弧焊管。設(shè)計(jì)壓力4.2 MPa，設(shè)計(jì)壽命30年。外管為3PE防腐外加64 mm厚混凝土配重。輸送介質(zhì)為阿聯(lián)酋穆班輕質(zhì)含硫原油，常溫輸送；海底管道耐酸性腐蝕，無(wú)內(nèi)防腐處理。

2 施工概述

3條海底管道均采用底拖法 （整條管道不配浮筒）施工，即全部管道在陸上預(yù)制場(chǎng)地每24根焊接預(yù)制成長(zhǎng)294 m的標(biāo)準(zhǔn)管段后，再按順序每次傳送一個(gè)管段到下水滑道上，與上次拖拉完畢的管段進(jìn)行連頭，然后通過(guò)拋錨就位的拖管駁船甲板上并排安裝的兩臺(tái)3 MN線性絞車，將其沿預(yù)挖的管溝采用雙纜同步拖拉入海。依此法再拖拉后續(xù)管段入海，直至形成整條海底管道。

因管道3、管道1管長(zhǎng)均超過(guò)5 km，考慮到三個(gè)主要制約因素：其一，船上卷筒內(nèi)存儲(chǔ)的單條拖纜總長(zhǎng)僅4.5 km；其二，拖纜過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加絞車的拖拉負(fù)荷；其三，拖纜過(guò)長(zhǎng)，拖管時(shí)張緊的拖纜易在水平面弧線形的管溝中碰觸溝壁。為此，拖管前施工方預(yù)先分別在管道路由中間段、末段拋設(shè)一后向牽制錨于海床，分兩階段拖管。管道2因長(zhǎng)度相對(duì)較短，只需在管道路由末段拋設(shè)一后向牽制錨，一次拖管就位。鑒于管道3的拖管施工最具典型性，本文以其為例介紹海上拖管的施工工藝與關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

3 底拖法施工方案的選取

首先從成本上分析，采用鋪管船法[2]施工費(fèi)用高昂。據(jù)調(diào)查，現(xiàn)在國(guó)際市場(chǎng)上一艘鋪管船日租費(fèi)高達(dá)數(shù)十萬(wàn)美元[3]；而本工程擁有業(yè)主提供的理想管道預(yù)制場(chǎng)地和充裕的合同工期，采用拖管法則要經(jīng)濟(jì)得多。更重要的是，拖管施工前PLEM作為拖管頭與海底管道預(yù)先已在陸上焊接；若采用鋪管船法，按現(xiàn)在業(yè)界的通行做法，鋪設(shè)后的海底管道還需與PLEM在超過(guò)50 m深的海底進(jìn)行法蘭連接[4-5]，這給常規(guī)潛水帶來(lái)較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，且施工費(fèi)也很高。

其次，工程特有的水文、地質(zhì)與氣象特點(diǎn)為各種拖管法[6]中的底拖法創(chuàng)造了有利條件：

（1）底層流速小。施工海域海床以上1 m處10年重現(xiàn)期垂直于管道的流速約0.2 m/s，若在預(yù)挖后的3 m深管溝底拖管，受管溝掩護(hù)效應(yīng)影響[7]，則側(cè)向流對(duì)底拖的影響會(huì)更小。

（2）海底管道路由沿線淺地層海床巖性以膠結(jié)的鈣質(zhì)砂層為主，拖管時(shí)不易碰傷海底管道陽(yáng)極塊與配重層；海底管道負(fù)浮力較小 （水下相對(duì)密度為1.05），這使得具有一定承載力的砂層能限制管道的沉降量[8]，從而減小拖管阻力。

（3）海床坡度平緩，從近岸處到海底管道路由終點(diǎn)平均坡度約0.6°，可降低拖拉力。

（4）據(jù)海洋氣象調(diào)查資料，施工海域3～5月具備海上連續(xù)拖管的較理想時(shí)間窗口。

（5）底拖法受惡劣天氣的影響較小，拖管穩(wěn)定性好，就位軌跡容易控制[9]；拖管期間遇到緊急情況可臨時(shí)棄管撤離，且不需要牽制船。

4 拖管主要施工工藝

4.1 拖管所需的主要施工裝備

（1）拖管駁船Manta。Manta建造于1995年，入級(jí)法國(guó)船級(jí)社。船體主尺度：84m×24m×4.9m，作業(yè)吃水3.4 m，總噸位3 925 t。

（2）兩臺(tái)3 MN的線性絞車。絞車安裝在Manta的甲板中央，彼此并排布置且錯(cuò)開(kāi)約5m的間距。絞車型號(hào)為L(zhǎng)inear Winch KTC 300，主尺度：10.85 m×2.3 m×0.95 m，絞車質(zhì)量36 t，主油缸沖程1.7 m。絞車的兩套線性往復(fù)夾鉗采用連續(xù)拉纜的工作模式。

（3）大抓力的后向牽制錨，為線性絞車拖管作業(yè)提供足夠的后向牽制力。

（4）槽輪組塊。槽輪組塊頭部設(shè)計(jì)為滑橇型，以防止其在拖管時(shí)扎頭。槽輪組塊負(fù)浮力為306 kN，為減小拖管所需拖拉力，其頂部綁扎了4個(gè)鋼制浮力罐，每個(gè)罐可提供50 kN浮力。其尾部通過(guò)能承受5 000 kN安全工作負(fù)荷的CROSBY重型卸扣與PLEM頭部的拖力眼板連接，見(jiàn)圖2。

4.2 管段從存儲(chǔ)區(qū)傳輸至下水滑道

下水滑道位于陸上預(yù)制場(chǎng)地最北端，從預(yù)制場(chǎng)地一直延伸到入海點(diǎn)，全長(zhǎng)約600m，主要由水平支撐輥輪、側(cè)向限位輥輪及混凝土基座組成，見(jiàn)圖3。

滑道上共計(jì)有64個(gè)混凝土基座。其中預(yù)制場(chǎng)地內(nèi)1～32號(hào)基座上的管段為平直段，便于組對(duì)焊接；其余段設(shè)計(jì)為曲線過(guò)渡。55～64號(hào)基座兩側(cè)安裝有便于PLEM與槽輪組塊 （Sheave Block）拖拉下水的鋼板承載臺(tái)架。

預(yù)制場(chǎng)地內(nèi)的下水滑道1～32號(hào)基座外側(cè)附近等間距安裝有8臺(tái)絞車，用于將預(yù)制的管段從存儲(chǔ)區(qū)拖拉至滑道上。由于受側(cè)向限位輥輪阻擋，在管段橫向拖拉至滑道前，需先將1～32號(hào)之間的所有側(cè)向限位輥輪拔出套筒。

4.3 拋設(shè)兩臺(tái)后向牽制錨

由于管道3分兩階段拖管，拖管前需由一艘大型錨作拖輪和一艘小型拖輪相互配合，預(yù)先分別在管道路由KP4.850、KP7.530（管道路由終點(diǎn)的延伸）處拋設(shè)一后向牽制錨于海床上。兩錨均為Stevshark型大抓力錨，其中中間段、末段拖管的錨質(zhì)量分別為32 t、52.9 t。兩錨頂端均用卸扣連接一條φ 121 mm×1 200 m的拖纜，用于拖管時(shí)連接Manta船上的兩臺(tái)線性絞車，從而將拖管時(shí)的拖拉力從線性絞車傳遞給后向牽制錨；兩錨錨桿部位也均用卸扣連接一條φ 64 mm×70 m的錨頭纜。待錨拋設(shè)到海底后，連接兩錨的拖纜、錨頭纜另一端均系上鐵罐型錨漂，使其浮于海面。

4.4 管溝內(nèi)的拖纜布設(shè)

拖管的雙拖纜單條長(zhǎng)約4 500 m，由若干段鋼纜采用卡環(huán)連接成一體，通過(guò)纏繞下水滑道上的槽輪組塊內(nèi)的槽輪形成兩條并列的拖纜。

布設(shè)拖纜時(shí)，先將拖管駁船Manta四點(diǎn)系泊在管道3路由的近岸海面上，船尾朝向?qū)Π?。船上的一臺(tái)線性絞車內(nèi)的拖纜端頭連接一段φ 20 mm×220 m的引繩后，由小型拖輪將該引繩連同拖纜拖拉下水并牽引至對(duì)岸，再將其交由對(duì)岸一側(cè)的長(zhǎng)臂挖掘機(jī)牽引上岸。由挖掘機(jī)的抓斗牽引引繩，至下水滑道末端吊放就位的槽輪組塊首端，再將其繞過(guò)槽輪組塊內(nèi)橫臥的槽輪，然后挖掘機(jī)繼續(xù)牽引引繩反向行駛至入海處，最后將引繩交還拖輪并由拖輪將其與船上的另一臺(tái)線性絞車連接。

在拖纜繞過(guò)槽輪后，Manta即可遠(yuǎn)離對(duì)岸，邊移船邊在管溝內(nèi)同時(shí)布設(shè)雙拖纜。放纜時(shí)要留有一定張力，確保其就位保持順直狀態(tài)。直徑2.1 m的槽輪可確保兩條并行的拖纜能保持合適的間距，避免拖纜纏繞。

在Manta移船至管道路由的KP3.650附近后，中間階段的布纜工作結(jié)束。此時(shí)船上的兩臺(tái)線性絞車尾端用卸扣連接預(yù)拋設(shè)在海底質(zhì)量為32 t后向牽制錨的1 200 m長(zhǎng)拖纜，中間階段的海上拖管即可開(kāi)始。然后依照此法繼續(xù)實(shí)施最后階段的拖管布纜。

4.5 管段的連頭組對(duì)

下水滑道上管段的連頭組對(duì)設(shè)在KP0.043處，焊接工藝為：根焊、熱焊采用手工氬弧焊；填充、蓋面焊采用藥芯焊絲全自動(dòng)焊。焊縫經(jīng)檢測(cè)合格后，先冷纏雙層聚氯乙烯膠帶防腐補(bǔ)口；待電火花檢漏合格后，再由管頂向用鐵皮模具包覆的管節(jié)點(diǎn)環(huán)形空腔內(nèi)澆筑快速固化 （0.5 h固化成型）的纖維增強(qiáng)型混凝土漿[10]，使之與管道配重層平齊。因完成一個(gè)連頭需約16 h，平均每天只能拖一個(gè)管段入水。組對(duì)完畢后的管段由涂料工在管頂涂刷一醒目的平直白色條紋，用以監(jiān)測(cè)其在海底的拖行姿態(tài)。

4.6 海上拖管

拖管前，需對(duì)整個(gè)下水滑道進(jìn)行仔細(xì)檢查，在確認(rèn)滑道上管道、PLEM和槽輪組塊的就位正常后，陸上的拖管指揮長(zhǎng)用對(duì)講機(jī)向遠(yuǎn)處海面Manta船上的絞車操作員下達(dá)開(kāi)始拖管的命令。絞車操作員隨即啟動(dòng)絞車，兩絞車開(kāi)始同步緩慢張緊拖纜并拉動(dòng)管道。在此期間，絞車操作員記錄并報(bào)告拖管指揮長(zhǎng)各時(shí)段的拖纜張緊力與累計(jì)拖管長(zhǎng)度。兩絞車尾部安裝的張力測(cè)量?jī)x能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拖纜的拖拉力（見(jiàn)圖4）。待管段將拖至剩下最后一管節(jié)時(shí)，絞車開(kāi)始減速，拖管指揮長(zhǎng)及時(shí)呼叫絞車操作員注意管段剩下最后10 m、5 m，接著每經(jīng)過(guò)1 m呼叫一次，以確保管端正好就位于連頭處[11]。每拖完一個(gè)管段，用多波束回聲探測(cè)儀探測(cè)拖管頭，以獲得其就位姿態(tài)與位置。拖管期間，Manta船船長(zhǎng)需在中控室密切監(jiān)控船的系泊狀態(tài)；岸上施工人員則需在滑道沿線仔細(xì)檢查管節(jié)點(diǎn)混凝土層與水平、側(cè)向輥輪接觸處是否出現(xiàn)破損，若有破損則應(yīng)立即暫停拖管并進(jìn)行修補(bǔ)。

在PLEM拖拉入水前，為避免其側(cè)向滑脫鋼板支撐臺(tái)，在滑道兩側(cè)分別布置一臺(tái)長(zhǎng)臂挖掘機(jī)。兩挖掘機(jī)鏟斗分別與PLEM對(duì)應(yīng)一側(cè)的壓載框架底部的眼板通過(guò)高強(qiáng)度扁平吊帶連接，兩挖掘機(jī)同時(shí)繃緊吊帶，并沿著管道下水方向緩慢前行。待PLEM即將拖離滑道時(shí)，在其頂部綁扎8個(gè)空浮力罐以減小其負(fù)浮力；待PLEM下水后，派潛水員在其頂部安裝浮漂與信號(hào)應(yīng)答器，以便Manta船實(shí)時(shí)獲取拖管頭坐標(biāo)位置。

5 拖管施工過(guò)程中需解決的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

5.1 防止管道發(fā)生側(cè)向移位的控制技術(shù)

本項(xiàng)目3條海底管道路由呈3個(gè)巨大弧線形，如何保證在拖管過(guò)程中管道不發(fā)生內(nèi)弧向的側(cè)向移位甚至碰觸溝壁是拖管施工必須解決的技術(shù)難點(diǎn)。為此，工程技術(shù)人員對(duì)3條海底管道在曲線路由段通過(guò)建模進(jìn)行了分析計(jì)算，最后得出的結(jié)論是：為避免拖管過(guò)程中管道發(fā)生側(cè)向移動(dòng)，管道側(cè)向摩擦力應(yīng)足夠大，與之相應(yīng)的是經(jīng)過(guò)管道路由最小曲率半徑處的弧線段應(yīng)盡量短，這樣才能使其弧線段在拖拉力作用下不發(fā)生內(nèi)向的側(cè)移。經(jīng)分析計(jì)算得出的關(guān)系式如下，分析模型見(jiàn)圖5。

式中s——海底管道路由最小曲率半徑處允許的最大弧線段長(zhǎng)/m；

flat——管道與土的側(cè)向摩擦系數(shù)，取0.6；

flong——管道與土的縱向摩擦系數(shù)，取0.65（另外還需乘以1.1倍的啟動(dòng)系數(shù)）；

γ——管道水下單位長(zhǎng)度質(zhì)量/（kg/m），取75.7 kg/m；

R——管道路由水平面上的最小曲率半徑/m（管道3取 10 721 m）；

Frear——弧線段尾端的縱向力/kN。

5.2 防止管道發(fā)生扭轉(zhuǎn)的控制技術(shù)

管道發(fā)生扭轉(zhuǎn)主要是因拖管過(guò)程中的拖拉力沒(méi)有作用在管軸中心線上引起的。為解決管道的扭轉(zhuǎn)難題，工程設(shè)計(jì)人員主要采取了三項(xiàng)技術(shù)措施：

（1）將PLEM與槽輪組塊組成的拖管頭均設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體模塊，使其底平面能與海床充分接觸。

（2）選定了最佳的PLEM與槽輪組塊匹配重量，使兩者頂部在配置浮力罐后保證有307 kN的負(fù)浮力。

（3）將海底管道與PLEM內(nèi)的D 1 219 mm短管焊接為一體進(jìn)行拖管。

這樣做，拖管所產(chǎn)生的扭矩傳遞到PLEM框架后就被充分約束住。另外，在待拖拉的管段頂部涂刷有平直的白色條紋，以便拖管過(guò)程中對(duì)可能出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)用數(shù)顯角度儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5.3 防止出現(xiàn)走錨或斷纜的控制措施

本工程管道3理論計(jì)算的最大拖拉力約為4.1 MN，出現(xiàn)在拖管最后階段的初始。為保證后向牽制錨能提供足夠的抓力，Van Oord方選取了Stevshark型的大抓力錨，其中在中間階段、最后階段拖管時(shí)所用錨的質(zhì)量分別為32 t、52.9 t。工程施工所在地表層地質(zhì)為砂質(zhì)海床，根據(jù)拖管前的錨拉力試驗(yàn)，該類型錨能提供錨重10倍以上的抓力[12]。因此，選取的錨完全能滿足拖管所需的后向牽制力。

5.4 惡劣海況時(shí)的應(yīng)急措施

拖管期間拖管船一直系泊于海面長(zhǎng)達(dá)20天，遭遇熱帶氣旋等惡劣海況的概率較大，因此必須制訂應(yīng)急預(yù)案。方案如下：其一，在陸上端向管道內(nèi)泵入海水使其穩(wěn)管于管溝內(nèi)；其二，拖管頭綁扎浮漂后棄管；其三，船只/人員迅速撤離避險(xiǎn)。待海況好轉(zhuǎn)后，排除海底管道內(nèi)的海水并拾取拖管頭后即可繼續(xù)進(jìn)行拖管作業(yè)。開(kāi)始拖管前，與PLEM焊接的短管內(nèi)預(yù)先安裝了2個(gè)清管球pig1和pig2（見(jiàn)圖 6）。

圖6中pig1用于棄管時(shí)排除從陸上端泵入管道內(nèi)的海水；Pig2用于拖管結(jié)束后的清管/測(cè)徑。

6 結(jié)束語(yǔ)

拖管法鋪設(shè)海底管道的施工技術(shù)盡管在國(guó)內(nèi)已得到了較普遍的應(yīng)用，所使用的施工裝備與技術(shù)都大體類同，但本項(xiàng)目的底拖法施工與之相比卻有其獨(dú)特之處：第一，同一地點(diǎn)拖拉3條大直徑海底管道，且先后經(jīng)歷三管同溝、雙管同溝及單管在溝，水平面上呈3個(gè)大弧形的曲線路由變化；第二，海底管道以PLEM作為拖拉頭，這一獨(dú)特設(shè)計(jì)成功解決了拖管施工中遇到的諸多難題；第三，拖管距離長(zhǎng)，其中兩條海底管道長(zhǎng)度都在5 km以上。這些都是國(guó)內(nèi)的拖管施工所未曾經(jīng)歷的。期望本次拖管的成功實(shí)踐能為今后國(guó)內(nèi)其他海底管道拖管工程提供有益的借鑒，以進(jìn)一步提升國(guó)內(nèi)的施工技術(shù)總體水平。

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Bottom Tow Construction Technique Applied in Offshore Pipelines of ADCOP Crude Oil Terminal Project

WANG Fang（Offshore Engineering Company of China Petroleum Pipeline Bureau， Langfang 065000，China），DUAN Meng-lan，ZHANG Xue-sheng，et al.

The difficulties in the offshore pipeline construction of ADCOP Crude Oil Terminal Project include large diameter， long tow distance and curvature route， which challenge the project engineers.Aiming at these characteristics， this paper analyzes the reasons of selecting the bottom tow method， introduces the construction procedures of bottom tow method in detail，and discusses the key technical points in the construction， including controls of lateral displacement and twist of the pipeline in the tow process， prevention of dragging anchor and cable broken，and emergency measures when severe sea condition is encountered.The successful completion of this project demonstrates that on the basis of upgrading capabilities of the construction equipment，offshore pipeline tow technique can still step into a higher level and the application will be more extensive.

submarine pipeline;bottom tow;linear winch;holdback anchor;curvature radius;pipeline abandonment

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.04.008

汪 方 （1982-），男，湖北仙桃人，工程師，2005年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)從事海底管道項(xiàng)目施工與技術(shù)管理工作。

2011-05-09