海底管道跨越方法研究

季 磊，李 旭，付 強(qiáng)，喻 凡，劉 晨

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海底管道跨越方法研究

季 磊，李 旭，付 強(qiáng)，喻 凡，劉 晨

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海底管道作為海上油氣輸送的生命線，其設(shè)計(jì)、建造及安裝的規(guī)模在近年來(lái)不斷擴(kuò)大。目前在中國(guó)渤海海域，已形成渤中、渤南、墾利等多個(gè)油田群，油氣管線的路由布置錯(cuò)綜復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)管線與管線、管線與電纜之間的跨越問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，介紹了管線跨越的幾種設(shè)計(jì)方法，以保證新建管道能夠安全地跨越運(yùn)行中的已建管道為前提，闡述了跨越形式的選擇依據(jù)。以我國(guó)海域最常見(jiàn)的高位敷設(shè)跨越為重點(diǎn)，通過(guò)算例說(shuō)明了跨越分析的計(jì)算方法。

海底管道；管道跨越；跨越方式；跨越計(jì)算

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)在海洋油氣開(kāi)發(fā)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在渤海、東海、南海海域都取得了跨越式的發(fā)展，尤其在渤海海域，海上采油平臺(tái)及海底管道的建設(shè)已進(jìn)入?yún)^(qū)域化建設(shè)階段，而海底管道的布置也逐步趨于網(wǎng)絡(luò)化。在這種情況下，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)管線與管線、管線與電纜之間的跨越問(wèn)題。僅2013年，海洋石油工程股份有限公司在鋪設(shè)海底管道的過(guò)程中處理跨越點(diǎn)的數(shù)量就達(dá)三十余個(gè)，而跨越形式的選擇則需要從技術(shù)、投資和工期等因素綜合考慮。

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外工程中經(jīng)常出現(xiàn)的幾種跨越形式，主要論述了新建管線跨越已建管線的設(shè)計(jì)方法和高位敷設(shè)跨越管線的計(jì)算方法，前提是不影響油氣生產(chǎn)，并且盡量減少作業(yè)人員的風(fēng)險(xiǎn)。

1 海底管道跨越的主要形式

目前在海底管道的跨越施工中主要分為以下幾種跨越方式：高位敷設(shè)跨越，低位跨越，橋式跨越，組合式跨越。下面分別加以介紹。

1.1 高位敷設(shè)跨越

高位敷設(shè)跨越的特征是已建海管埋設(shè)于海床以下而新建海管可直接鋪設(shè)在海床上。該種跨越方式主要適用于海床表面為非硬質(zhì)海床的管道跨越鋪設(shè)。我國(guó)渤海及東海海域已開(kāi)發(fā)的油氣田中，絕大多數(shù)油氣田所在的海床表面都屬于軟質(zhì)海床，海床表面多為黏土或松散的沙土，易于利用挖溝機(jī)對(duì)海管進(jìn)行挖溝埋設(shè)，且已建海管的埋深一般在1～1.5 m[1]。但由于部分已建海管在海底埋設(shè)多年，在海底水流的沖刷作用下，海管的埋設(shè)深度已發(fā)生變化，有的甚至已經(jīng)暴露于海床表面，因此，若新建海管的路由跨越已建海管，則通常在已建海管的正上方海床鋪設(shè)0.3 m厚的混凝土墊塊。這樣操作的依據(jù)是DNV OS F101(2000)的規(guī)范要求：兩條存在跨越關(guān)系的管線之間需要至少0.3 m的垂向距離[2]。

然而，除跨越點(diǎn)附近的海管是鋪設(shè)到海床上的，其他部分最終仍然要埋設(shè)到海床以下1～1.5 m，因此，新建管線需要有一段足夠長(zhǎng)的過(guò)渡長(zhǎng)度保證新建海管能夠自然平緩地跨越已建海管。同時(shí)，海管管壁所承受的應(yīng)力也應(yīng)當(dāng)符合規(guī)范要求。

例如，當(dāng)一條新建18英寸(1英寸=2.54 cm)的雙層海管跨越一條已建6英寸海管時(shí)，已建海管位于海床表面以下1.5 m，新建海管的跨越部分水平長(zhǎng)度達(dá)到了240 m。

一般來(lái)說(shuō)，一旦新建管線路由確定后，其后的工作順序?yàn)椋菏占A(yù)調(diào)查和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，完成管線跨越的受力分析，繪制管線跨越圖紙；海上施工人員根據(jù)圖紙對(duì)跨越點(diǎn)附近海床進(jìn)行預(yù)處理，即將混凝土墊塊或者沙袋預(yù)先放置到指定位置以確保0.3 m的豎直隔離層；鋪管船航行于路由廊道上，鋪設(shè)新建管線并進(jìn)行后挖溝埋設(shè)；由輔助工程船將混凝土壓塊放到暴露在海床上的海管，以起到保護(hù)作用。高位敷設(shè)跨越典型剖面如圖1所示。

圖1 高位敷設(shè)跨越Fig.1 High-laying crossing

1.2 低位跨越

低位跨越的特征是位于海床表面的被跨越管線需要降低，而新建的跨越管線也需要埋設(shè)。此種跨越形式主要適用于海床的土質(zhì)為軟質(zhì)沙土或黏土，能夠利用特殊設(shè)備對(duì)海床進(jìn)行噴射挖溝，且利于管材埋設(shè)，目的是使位于指定跨越點(diǎn)處的管線要有至少1 m 的覆蓋和0.3 m 的隔離。一般來(lái)說(shuō)，已建海管在跨越點(diǎn)處需要提供的過(guò)渡段長(zhǎng)度要足夠長(zhǎng)，同時(shí)海管管壁所承受應(yīng)力也要在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)，其所需過(guò)渡段長(zhǎng)度的計(jì)算方法與高位敷設(shè)跨越類似，且埋設(shè)深度越深，需要的過(guò)渡段越長(zhǎng)。

例如，平臺(tái)附近管線布局復(fù)雜，導(dǎo)致在幾米之內(nèi)就存在多個(gè)管線跨越點(diǎn)。將位于海床表面的管線降低2 m與建造和安裝復(fù)雜的橋式跨越相比更容易實(shí)現(xiàn)，且成本更加低廉。如果在跨越點(diǎn)預(yù)處理時(shí)發(fā)現(xiàn)已建管線已經(jīng)沉降進(jìn)了泥里，且新建管線不需要埋設(shè)，則不需對(duì)已建管線進(jìn)行人工干預(yù)沉降，只需在跨越點(diǎn)附近進(jìn)行墊塊或沙袋的預(yù)處理即可。低位跨越典型剖面如圖2所示。

圖2 低位跨越Fig.2 Low crossing

1.3 橋式跨越

橋式跨越的特征是新建管線在跨越點(diǎn)兩側(cè)利用預(yù)制的膨脹彎來(lái)進(jìn)行跨越。該種跨越適用于在平臺(tái)附近存在許多放置在海床上的已建管線和膨脹彎，不可能降低已建管線而又不得不進(jìn)行跨越的情況。原因包括以下幾點(diǎn)：(1)要保證膨脹彎能夠自由移動(dòng)不受限制，膨脹彎不能被埋設(shè)，必須保證袒露在海床上；(2)必須保證用于降低管線位置的挖溝設(shè)備所在工程船舶距平臺(tái)大于一定距離；(3)由于距離立管太近，跨越點(diǎn)附近膨脹彎的長(zhǎng)度無(wú)法滿足管線跨越所需過(guò)渡段的長(zhǎng)度要求，且管線所受應(yīng)力將會(huì)超過(guò)規(guī)范要求。

在這些情況中，橋式跨越是利用帶5D彎管預(yù)制的法蘭膨脹彎去匹配已建管線兩側(cè)已經(jīng)安裝的管線。橋式跨越一般利用混凝土墊塊或沙袋來(lái)支撐管線，以確保至少0.3 m的隔離距離。一般情況下，一根用于跨越的預(yù)制膨脹彎能夠跨越一條或多條已建管線。橋式跨越典型剖面如圖3所示。

圖3 橋式跨越Fig.3 Bridge crossing

1.4 組合式跨越

組合式跨越的特征是新建管線的一側(cè)為預(yù)制的膨脹彎，另一側(cè)則將管道鋪設(shè)在預(yù)制的斜面上，從而跨過(guò)已建管線[3]。這種方法適用于向遠(yuǎn)離平臺(tái)方向鋪設(shè)，且跨越一個(gè)平臺(tái)附近的已建管線。這就需要新建管線所設(shè)計(jì)斜面的上部水平部分留有足夠長(zhǎng)的距離，以便于架設(shè)的海管端部在自重下能夠保持水平，且便于與預(yù)制膨脹彎進(jìn)行連接。施工順序一般如下：(1)放置墊塊或沙袋以形成設(shè)計(jì)要求的支撐剖面；(2)將海管起始鋪設(shè)在自上而下傾斜的支撐上，并繼續(xù)沿路由鋪設(shè)；(3)測(cè)量并安裝管線與膨脹彎。組合跨越典型剖面如圖4所示。

圖4 組合式跨越Fig.4 Hybrid crossing

2 跨越分析計(jì)算方法

高位敷設(shè)跨越是我國(guó)海域最常見(jiàn)的跨越方法，具有操作簡(jiǎn)單、風(fēng)險(xiǎn)較小等特點(diǎn)，同時(shí)能夠滿足DNV OS F101(2000版) 規(guī)范對(duì)于跨越設(shè)計(jì)、施工的要求。下面利用AutoPIPE軟件對(duì)高位敷設(shè)跨越管線進(jìn)行分析。該軟件是基于計(jì)算機(jī)程序開(kāi)發(fā)的有限元軟件，能夠模擬管線在功能荷載與環(huán)境荷載共同作用下的受力情況，且能夠加載熱膨脹荷載。

高位敷設(shè)跨越分析的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)管線鋪設(shè)剖面，使管線無(wú)論在動(dòng)態(tài)荷載下還是在靜態(tài)荷載下都能滿足規(guī)范要求的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。

分析中，首先計(jì)算管線允許的彎曲應(yīng)力，并形成一個(gè)初步的鋪設(shè)剖面，然后優(yōu)化剖面形式，使計(jì)算結(jié)果滿足管線的空間和應(yīng)力要求。具體步驟如下。

(1) 數(shù)據(jù)收集。新建管線的路由應(yīng)對(duì)照調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)，需要記錄沿線潛在的路由障礙，并收集被跨越已建管線可利用的數(shù)據(jù)，例如管徑、壁厚、混凝土配重和比重、埋設(shè)深度、水文數(shù)據(jù)、輸送介質(zhì)參數(shù)等。

(2) 鋪設(shè)剖面設(shè)計(jì)。根據(jù)已建管線的位置及周圍環(huán)境，考慮要求埋深和過(guò)渡長(zhǎng)度，初步設(shè)計(jì)新建管線的鋪設(shè)剖面，用于指導(dǎo)新建管線的有限元建模。

(3) 高位敷設(shè)跨越計(jì)算。利用AutoPIPE有限元軟件，根據(jù)跨越布置圖對(duì)新建管線進(jìn)行建模，加載溫度、壓力等功能荷載，并加載波流、土壤等環(huán)境荷載，同時(shí)將熱膨脹產(chǎn)生的管線位移加載到端部，然后計(jì)算管道應(yīng)力。若管道應(yīng)力不能滿足規(guī)范要求，則應(yīng)調(diào)整管線鋪設(shè)剖面，直至滿足規(guī)范要求為止；如管道應(yīng)力滿足規(guī)范要求，則再根據(jù)管道的受力情況嘗試是否可以再對(duì)管線鋪設(shè)剖面進(jìn)行優(yōu)化。

其他跨越形式的計(jì)算程序與高位敷設(shè)跨越類似，但首先需要根據(jù)實(shí)際情況確定跨越形式，再考慮邊界條件以及環(huán)境條件的選取，以便較準(zhǔn)確地模擬海管的受力情況，最終得出最優(yōu)化的跨越結(jié)構(gòu)形式。下面給出渤海某實(shí)際項(xiàng)目中一例高位敷設(shè)跨越形式的計(jì)算實(shí)例。

2.1 算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

此案例是一條海管管徑為12英寸/18英寸的雙層保溫鋼管，需要跨越一條已建6英寸單層海底管道，而跨越點(diǎn)兩側(cè)的海管仍需保證至少1.5 m的埋深。海管路由水深為19.2～20.1 m。海床表面土壤均為軟黏土。需要考慮到，應(yīng)在跨越點(diǎn)處的海床上鋪設(shè)一段0.3 m厚的混凝土墊塊，用以保證兩條海管之間的隔離距離。

該算例考慮3種計(jì)算工況。工況一：水壓試驗(yàn)工況；工況二：操作工況；工況三：操作工況+200年一遇地震工況(偶然工況)[1]。

跨越點(diǎn)的海管布置如圖5所示。

圖5 跨越點(diǎn)海管布置Fig.5 Arrangement of pipeline at the crossing position

2.2 算例計(jì)算結(jié)果

利用有限元計(jì)算軟件AutoPIPE進(jìn)行跨越點(diǎn)處新建海管的受力分析，通過(guò)建模，加載海管所受功能荷載和環(huán)境荷載，計(jì)算海管的應(yīng)力狀況[4]。圖6為跨越點(diǎn)處的應(yīng)力分析模型。

圖6 跨越點(diǎn)處應(yīng)力分析模型Fig.6 Stress model at the crossing position

根據(jù)對(duì)跨越點(diǎn)處海管關(guān)鍵位置的荷載作用校核，得出表1所示計(jì)算結(jié)果。

表1 計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在所有工況下，海管的應(yīng)力UC值均小于1，因此，跨越點(diǎn)處的海管布置合理。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文所述跨越方法都已在國(guó)內(nèi)外主要海上油田已建油氣管線的跨越布置中得到了應(yīng)用。設(shè)計(jì)這些跨越所采用的標(biāo)準(zhǔn)必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)考量并且應(yīng)當(dāng)足夠保守。選用跨越形式時(shí)應(yīng)考慮管線所處的不同環(huán)境和它的物理約束。高位敷設(shè)跨越法在我國(guó)淺水海域的應(yīng)用較廣，但隨著作業(yè)水深的增加和海底管網(wǎng)的逐漸密集，其他幾種跨越形式的應(yīng)用將會(huì)逐漸增多。由于海底管道建設(shè)工程規(guī)模大、投資多，施工方案的合理選擇對(duì)于節(jié)省投資、節(jié)約工期都有重要作用。本研究可為以后的海底管道跨越施工提供借鑒和參考。

[1] 劉志剛, 李慶, 孫國(guó)民. 海底埋設(shè)管道跨越分析研究[C]. 第十四屆中國(guó)海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集(上冊(cè))，2009.

[2] Det Norske Veritas. DNV OS F101. Submarine pipeline systems [S]. 2000.

[3] Diri C M, Speirs A P, Khoury T C, et al. Subsea pipeline crossings in the Cantarell Field, Bay of Campeche, Mexico [C]. OTC, 1999.

[4] 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編委會(huì). 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南(第5冊(cè))：海洋石油工程海底管道設(shè)計(jì)[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2007.

InvestigationonSubseaPipelineCrossingMethods

JI Lei, LI Xu, FU Qiang, YU Fan, LIU Chen

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

As the lifeline of offshore oil and gas transportation, the design, construction and installation of subsea pipelines are expanding in recent years. At present, many oil fields have been constructed in the Bohai Sea, for which the pipeline route arrangement is very complicated, and crossing often appears between pipeline and pipeline or pipeline and cable. For this issue, we introduce several design methods of pipeline crossing. The selection of crossing method, aiming at ensuring the safe crossing of the new pipelines across the pipeline which has been built before, is described. For high-laying crossing which is the most frequently used subsea pipeline crossing method in China, the calculation method of crossing analysis is demonstrated with an example.

subsea pipeline; pipeline crossing; crossing method; crossing analysis

2015-07-24

季磊(1986—)，男，工程師，主要從事海底油氣管道方面的研究。

TE973.92

A

2095-7297(2015)05-0316-04