海底管道充水鋪設(shè)技術(shù)

焦冬梅，余志兵，杜永軍，韓 旭

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

0 引言

海底管道鋪設(shè)有多種施工方法，而施工方法的選擇，需要結(jié)合實(shí)際情況從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工期等因素綜合考慮。在安裝期 （安裝期是指從管道放置在海底之后到投產(chǎn)之前的這一期間），對于裸置于海床上的管道，在波流等自然環(huán)境因素的作用和影響下，依靠其自身重量不足以保持穩(wěn)定時(shí)，可采用充水鋪設(shè)的方法，確保其穩(wěn)定性。

1 充水鋪設(shè)

充水鋪設(shè)是指在海底管道正常鋪設(shè)階段，從鋪設(shè)船舶上間斷性地向管道內(nèi)注入一定量淡水的鋪設(shè)方法。充水鋪設(shè)不僅能解決海底管道穩(wěn)定性問題，同時(shí)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）減少制作費(fèi)用。在海底管道穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，增加壁厚或配重層是實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定性的方法之一，但管道制作費(fèi)用也會(huì)隨之增加。而采用充水鋪設(shè)法可達(dá)到減少壁厚或節(jié)省混凝土配重的效果，從而可在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的前提下節(jié)省管道制作費(fèi)用。尤其對于注水管道和污水管道，因其安全級(jí)別相對油氣管道低，更可考慮采用此種方法。

（2）提升船舶能力。受管道制作加工和鋪設(shè)等作業(yè)的限制，混凝土加重層不能任意地配置。例如，對于大尺寸的排污管道，管徑＋配重層的截面尺寸有可能超過鋪管船的作業(yè)管徑范圍。可去除重層，充分發(fā)揮船舶的鋪管能力，為鋪設(shè)管道選取設(shè)備方面提供更大的空間。

2 側(cè)向穩(wěn)定性分析

海底管道在海床上的穩(wěn)定性分析是海底管道設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要方面。若穩(wěn)定性達(dá)不到要求，海底管道可能會(huì)出現(xiàn)側(cè)向或垂向位移過大，導(dǎo)致海底管道發(fā)生屈曲破壞。而海底管道的穩(wěn)定性與管道的水下重量、環(huán)境荷載以及海底土壤阻力有直接的關(guān)系。安裝期管道穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的目的在于確保管道水下重量充分滿足安裝穩(wěn)定性準(zhǔn)則的要求。

穩(wěn)定性評(píng)價(jià)基于選定的路由、各種自然條件和管道本身的工藝、施工及運(yùn)行參數(shù)等。海底管道的穩(wěn)定性包括側(cè)向穩(wěn)定和垂向穩(wěn)定。一般情況下，在管道安裝期，將管道的側(cè)向穩(wěn)定性作為主要考慮要素，故本文將著重對其進(jìn)行介紹。如圖1所示，置于海床表面的海底管道，受到的作用力有流體升力FL、拖曳力FD、流體附加質(zhì)量力FI、土壤的摩擦力Ff、海床的支撐力FS、被動(dòng)土阻力FH及管道自身的重力WS。

圖1 海底管道受力模型

依據(jù)DNV RP E305“On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines”的要求[1]，選用一年一遇的環(huán)境條件進(jìn)行安裝期側(cè)向穩(wěn)定性分析。采用通用商業(yè)軟件AGALEVEL2中的準(zhǔn)靜態(tài)方法進(jìn)行分析，該軟件能較好地模擬水動(dòng)力條件下的管土相互作用，并考慮管道由于小振幅而產(chǎn)生的沉陷對管道水動(dòng)力的影響。

通過輸入所需的環(huán)境參數(shù)、管道特性、土壤條件，程序模擬連續(xù)4 h和額外3 h的風(fēng)暴潮條件，得到模擬時(shí)域內(nèi)的管道所受水動(dòng)力。根據(jù)土壤數(shù)據(jù)及管道沉降量計(jì)算出土壤對管道的側(cè)向阻力：土壤摩擦力Ff=μ·（WS-FL）和被動(dòng)土阻力FH（包括由管道自重引起的沉降量所產(chǎn)生的被動(dòng)土阻力和管道水平運(yùn)動(dòng)引起的附加沉降量所產(chǎn)生的被動(dòng)土阻力）。根據(jù)DNV RP E305規(guī)范定義如下安全系數(shù)：

式中 μ——側(cè)向摩擦系數(shù)；

WS——單位長度管道水下重力/（N/m）；

FL——流體升力/N；

FH——被動(dòng)土阻力/N；

FD——拖曳力/N；

FI——附加質(zhì)量力/N。

AGA LEVEL2的水動(dòng)力計(jì)算考慮了波流的相互作用、部分覆蓋土的作用和管道移動(dòng)的影響。同時(shí)，管道沉降后，土壤對管道的作用力考慮了加載歷史的影響，包括土壤摩擦力和管道沉降引起的被動(dòng)土阻力[2-3]。

AGA的校核準(zhǔn)則是最小安全系數(shù)，當(dāng)它同時(shí)滿足以下條件時(shí)，管道是側(cè)向穩(wěn)定的[2-3]：

（1）4 h風(fēng)暴潮結(jié)束時(shí) U1/100（1.66倍有義波速）情況下的管道穩(wěn)定 （安全系數(shù)大于1）。

（2）3 h追加的風(fēng)暴潮結(jié)束時(shí)U1/1000（1.86倍有義波速）情況下的管道穩(wěn)定 （安全系數(shù)大于1）。

3 海底管道充水鋪設(shè)分析

海底管道充水鋪設(shè)分析方法與空管鋪設(shè)一致，一般采用通用商業(yè)軟件OFFPIPE，依據(jù)DNV等相關(guān)規(guī)范的要求，通過輸入所需的管道/纜繩參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、鋪管設(shè)備參數(shù)，建立模型并分析 （管道重量須按管內(nèi)充水來考慮）。對于分析結(jié)果，可采用應(yīng)力／應(yīng)變或荷載組合校核等方法作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

（1）DNV 1981 “Rules for Submarine Pipeline Systems”。

（2） DNV-OS-F101-2000 “Submarine Pipeline Systems” （或其修訂版）。

由于篇幅限制，下面僅列舉DNV 1981“Rules for Submarine Pipeline Systems”規(guī)范中的許用應(yīng)力法。安裝期的管道總應(yīng)力須滿足以下要求[4-5]：

式中N——軸向力/N；

A——管道橫截面積/m2；

M——彎矩/N·m；

W——管道截面模量/m3；

σy——環(huán)向應(yīng)力/Pa；

σF——公稱最小屈服強(qiáng)度/Pa；

η——應(yīng)用系數(shù)。

4 充水鋪設(shè)施工工藝 （見圖2～3）

海底管道充水鋪設(shè)的施工方法與海底管道常規(guī)鋪設(shè)施工方法基本相同，都包括起始鋪設(shè)、正常鋪設(shè)、臨時(shí)棄管和回收、終止鋪設(shè)。兩者的區(qū)別在于前者比后者增加了注水過程。海底管道充水鋪設(shè)時(shí)，放置一根注水軟管于鋪設(shè)的管道中，注水軟管的起始端與屈曲探測器鋼絲繩相連接，末端置于管道上彎段。屈曲探測器一般放置于管道著泥點(diǎn)后適當(dāng)位置。注水軟管應(yīng)足夠長，確保注入淡水在重力作用下沿管壁流入下彎段。注水操作步驟如下：

（1）將注水管道連接至注水軟管。打開注水閥門，向管道中注水。每次注水量及注水速度應(yīng)符合該管道鋪設(shè)的設(shè)計(jì)要求。

（2）注水完畢后，關(guān)閉注水閥門，拆下注水管道。

（3）向前移船，鋪設(shè)一根管道至海底。

（4）組對、焊接下一根管道，同時(shí)利用絞車向前拖拉屈曲探測器及注水軟管，直到注水軟管起始端位于所鋪設(shè)管道外側(cè)，以便于連接注水管道。

（5）重復(fù) （1）～（4）步，直至鋪管作業(yè)完成。

5 工程實(shí)例

5.1 管道參數(shù)

以渤海灣某海底注水管道為例。該管道為單層管，由鋼管層和3PE防腐層組成。鋼管公稱直徑為323.9 mm，壁厚為12.7 mm，鋼材等級(jí)為API 5L X65，管道全長7 km，設(shè)計(jì)壽命為25年。管道相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 管道特性參數(shù)

5.2 安裝期管道穩(wěn)定性計(jì)算

設(shè)計(jì)水深23.1 m，海水密度為1 025 kg/m3。土壤為極軟黏土，剪切強(qiáng)度為3.5 kPa。

環(huán)境荷載 （波流）按照1年重現(xiàn)期對應(yīng)的參數(shù)值選取，并分析以下兩種工況：

工況1：最大流速和相應(yīng)的波高。距水面20.8m處（0.9倍的設(shè)計(jì)水深）的流速為0.9 m/s，有效波高3.1 m，峰值周期6.6 s。

工況2：最大波高和相應(yīng)的流速。距水面20.8m處的流速為0.63 m/s，有效波高3.4 m，峰值周期8.3 s。

管道設(shè)計(jì)壽命為25年。海底管道側(cè)向穩(wěn)定性分析結(jié)果見表2。

表2 海底管道側(cè)向穩(wěn)定性分析結(jié)果

5.3 海底管道鋪設(shè)強(qiáng)度分析

采用OFFPIPE軟件進(jìn)行海底管道鋪設(shè)靜態(tài)強(qiáng)度分析，分析以下兩種工況并進(jìn)行比較：

工況1：空管鋪設(shè)。

工況2：海底管道注水鋪設(shè)，海底管道內(nèi)充水20%，并假設(shè)水的重量均布加載于管道上。

使用同一條鋪管船，并將鋪管參數(shù) （張緊器張力、托管架角度、支撐滾輪高度）和環(huán)境參數(shù) （水深等）設(shè)為一致，鋪管強(qiáng)度分析結(jié)果見表3。

表3 海底管道鋪設(shè)靜態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果

由表3可知：兩種工況下的海底管道應(yīng)力均達(dá)到了規(guī)范要求。但在充水鋪設(shè)狀態(tài)下，由于管道重量加重，導(dǎo)致管道應(yīng)力增大。

6 結(jié)束語

充水鋪設(shè)法作為一種非常規(guī)鋪設(shè)方法，在某些情況下，可用于無混凝土配重層管道施工，并滿足管道在安裝期的穩(wěn)定性要求，尤其適用于安全級(jí)別低的管道，比如注水管道和排污管道。當(dāng)然對某些處于相對硬質(zhì)海床且底流較大的管道而言，若側(cè)向穩(wěn)定性無法滿足規(guī)范要求，也可以按照上述充水鋪設(shè)方法來執(zhí)行。

由于充水鋪設(shè)是在常規(guī)鋪設(shè)法的基礎(chǔ)上增加了注水操作，因此不可避免地會(huì)影響到海上整體施工效率和工程投資。尤其對于長距離、大口徑管道，若全程實(shí)施充水鋪設(shè)，不僅應(yīng)充分考慮到注水設(shè)備在鋪管船上的布置問題，還必須重點(diǎn)評(píng)估托管架的承重力。因此在前期方案設(shè)計(jì)階段，建議全面考慮海域、環(huán)境條件及生產(chǎn)類型等實(shí)際情況，并通過方案經(jīng)濟(jì)性對比，選擇性地采用充水鋪設(shè)方法。

[1]DNV RP E305-1988，On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines[S].

[2]趙冬巖.海底管道穩(wěn)定性綜述[J].中國海上油氣（工程），1998，10（5）：1-2.

[3]陳思，趙冬巖.新規(guī)范中海底管道穩(wěn)定性半動(dòng)態(tài)分析方法的比較研究[J].中國造船，2009，50（增刊）：628-630.

[4]DNV1981，Rules for Submarine Pipeline Systems[S].

[5]孫成贊，王允.OFFPIPE軟件在海底管道鋪設(shè)中的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2005，31（5）：49-52.