超大管徑海底管道長(zhǎng)距離登陸拖拉技術(shù)研究

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

超大管徑海底管道長(zhǎng)距離登陸拖拉技術(shù)研究

黃鈺

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

針對(duì)超大管徑海底管道長(zhǎng)距離登陸拖拉技術(shù)，分別從安裝方法、計(jì)算分析、數(shù)值修正等方面進(jìn)行了研究。對(duì)大管徑海底管道長(zhǎng)距離拖拉與常規(guī)海管拖拉進(jìn)行比較，重點(diǎn)分析了設(shè)計(jì)及施工中的難點(diǎn)，并在施工方法及設(shè)計(jì)原理上提出了解決措施。對(duì)于混合拖拉法，采用有限元方法對(duì)管道拖拉過程中的局部彎曲形變及屈曲校核進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，有效規(guī)避了拖拉過程中彎曲變形對(duì)海管局部屈曲產(chǎn)生的不利影響。針對(duì)超大管徑管道在DNV規(guī)范中的適用性進(jìn)行了研究，并對(duì)DNV所推薦校核方法進(jìn)行了修正。為超大管徑海底管道長(zhǎng)距離登陸拖拉的設(shè)計(jì)及施工提供技術(shù)支持。

海底管道；拖拉安裝；超大管徑；長(zhǎng)距離；有限元分析

Abstract：The subsea pipeline landfall pulling technology for huge diameter and long distance from the aspects of installation method，calculation and value modification are introduced in this paper.Subsea pipeline landfall pulling technology with huge diameter and long distance is compared with normal pulling，and the challenge of design and installation for subsea pipeline landfall pulling technology with huge diameter and long distance is investigated deeply.The measure is supplied for installation method and design principle.For integrated pulling method，local bending and buckling during pipeline pulling is analyzed by FEA to avoid the local buckling which is caused by bending.The application for the pipeline with huge diameter for DNV code has been investigated，and the method of modification is supplied for the local buckling check based on DNV code.This paper provides the support in technology of design and installation for subsea pipeline landfall pulling technology with huge diameter and long distance.

Keywords：subsea pipeline；pulling；huge diameter；long distance；FEA

1954年，Brown&Root公司在墨西哥灣成功安裝完成了世界第1條海底管道[1]，經(jīng)過60多a的發(fā)展，海底管道已經(jīng)成為海洋油氣輸送最為主要的方式之一。隨著海洋工程技術(shù)的整體發(fā)展，海底管道安裝技術(shù)也日趨成熟。拖拉安裝技術(shù)作為海底管道安裝的一種重要技術(shù)，在登陸區(qū)域得到廣泛應(yīng)用。由于拖拉安裝過程中海底管道受水深、波浪、海流、土壤等環(huán)境因素影響較大，采用拖拉法安裝的海底管道通常為?762 mm(30英寸)以下的中小管徑管道，且拖拉距離較短，通常小于2 km。隨著海洋石油開發(fā)的發(fā)展，在一些近海及淺水海域，?1 016 mm(40英寸)以上的超大管徑海底管道也面臨采用拖拉方法進(jìn)行長(zhǎng)距離安裝的問題。

1 登陸拖拉技術(shù)分類

海底管道登陸拖拉技術(shù)根據(jù)海底管道在水中狀態(tài)的不同通常分為浮拖法、離底拖法和底拖法。

1.1浮拖法

采用浮拖法拖拉安裝管道時(shí)，海底管道大部分處于漂浮狀態(tài)，如圖1所示。浮拖法在拖拉過程中受波浪、海流影響較大，易發(fā)生側(cè)向位移，多用于水文條件較好海域。由于拖拉過程中海底管道不與海床發(fā)生接觸，故拖拉過程中所需拖拉力較小，不需要大型的牽引設(shè)備。

圖1 海底管道浮拖法示意

1.2離底拖法

采用離底拖法拖拉安裝管道時(shí)，海底管道在水中大部分處于懸浮狀態(tài)，如圖2所示。離底拖法在拖拉過程中管道受波浪影響較小，受海流影響較大。由于管道不與海床接觸，所需拖拉力較小。相對(duì)于浮拖法，離底拖法在拖拉過程中易于控制，適用于長(zhǎng)距離海底管道拖拉。由于管道大部分處于懸浮狀態(tài)，離底拖法拖拉過程中需要精確控制管道水下重力。

圖2 海底管道離底拖法示意

1.3底拖法

采用底拖法拖拉安裝管道時(shí)，海底管道在水中大部分與海床接觸，如圖3所示。底拖法在拖拉過程中受波浪及海流影響較小，海底管道在水中拖拉軌跡易于控制。由于與海床接觸，所需拖拉力較大，通常需要大型牽引設(shè)備。

圖3 海底管道底拖法示意

2 超大管徑海底管道長(zhǎng)距離拖拉技術(shù)

相比于常規(guī)管徑海底管道拖拉安裝技術(shù)，超大管徑海底管道長(zhǎng)距離登陸拖拉主要存在以下難點(diǎn)：

1) 管徑大，受波浪及海流影響較大，拖拉過程中拖拉軌跡難以控制，易發(fā)生側(cè)向位移。

2) 受管道穩(wěn)定性影響，超大管徑海底管道通常涂覆較厚的混凝土配重層，管道的水下重力較大，即與海床摩擦力大。

3) 長(zhǎng)距離拖拉，海底管道與海床之間存在吸附風(fēng)險(xiǎn)，管道拖拉再啟動(dòng)難度較大。

針對(duì)以上難點(diǎn)，在常規(guī)管徑海底管道拖拉技術(shù)的基礎(chǔ)上，超大管徑長(zhǎng)距離海底管道登陸拖拉主要需要從以下幾方面對(duì)拖拉技術(shù)進(jìn)行研究。

2.1拖拉方法選擇

由于超大管徑海底管道長(zhǎng)距離拖拉，受管徑影響，在拖拉過程中管道整體受波浪及海流作用影響極大，如果采用浮拖法或離底拖法，在拖拉軌跡控制上存在較大難度。但是，對(duì)于超大管徑海底管道，管道水下重力較大，特別是對(duì)于長(zhǎng)距離海底管道拖拉，如果整體采用底拖法，受管道與海床摩擦影響，所需管道拖拉力極大，對(duì)牽引設(shè)備能力要求極高。

綜合以上特征，超大管道海底管道長(zhǎng)距離拖拉建議采用以底拖法與浮拖法或離底拖法相結(jié)合的混合拖拉安裝方法?？紤]到拖拉軌跡控制為主要制約因素，拖拉過程中，以底拖法為主，具體采用浮拖法或離底拖法，需要結(jié)合管道路由水深進(jìn)行評(píng)估。

混合拖拉法如圖4所示。

圖4 海底管道混合拖拉法示意

由于超大管徑海底管道自身水下重力較大，拖拉過程中，通過在海底管道局部布置浮筒，實(shí)現(xiàn)拖拉過程中的浮拖或離底拖。由于浮筒對(duì)海底管道局部產(chǎn)生上浮力，導(dǎo)致海底管道局部發(fā)生彎曲形變，需要對(duì)管道拖拉過程中的局部彎曲強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，避免管道發(fā)生屈曲破壞。

圖5為應(yīng)用商業(yè)有限元軟件AUTOPIPE模擬拖拉過程中的海底管道受浮筒作用所發(fā)生彎曲形變的分析模型，進(jìn)而校核海底管道所發(fā)生彎曲形變是否滿足強(qiáng)度要求。

圖5 海底管道局部彎曲校核有限元模型

2.2管道拖拉力計(jì)算

超大管徑海底管道拖拉分析的主要難點(diǎn)在于管道拖拉力的計(jì)算。管道在底拖過程中，所受的主要外部載荷為管道與土壤之間的摩擦力。由于超大管徑海底管道自身水下重力較大，為避免在拖拉過程中管道與海床產(chǎn)生較大摩擦力，需要在管道上精確布置浮筒，以控制管道水下重力。

管道在底拖過程中，管道拖拉力在數(shù)值上由2部分組成，一部分是剩余鋪設(shè)張力[2]，另一部分為摩擦力。其中，所受摩擦力主要來自于鋼絲繩及管道與海床土壤之間的摩擦，根據(jù)剩余鋪設(shè)張力與摩擦力之和，最終確定牽引設(shè)備所需拖拉力。對(duì)于長(zhǎng)距離管道拖拉，由于管道存在與海床發(fā)生吸附的風(fēng)險(xiǎn)，在最終拖拉力的確定上，通?？紤]1.2～2.0倍的安全系數(shù)。

圖6 浮筒示意

2.3限位樁布置

在長(zhǎng)距離海底管道拖拉過程中，管道的拖拉軌跡控制存在較大難度。特別是在水深較淺的海域，由于超大管徑管道受波浪及海流作用明顯，拖拉過程中管道易發(fā)生側(cè)向位移，為拖拉作業(yè)帶來較大風(fēng)險(xiǎn)。通過在管道拖拉路由兩側(cè)安裝限位樁，可以有效控制管道在拖拉過程中的拖拉軌跡，限制管道側(cè)向位移。

由于海上安裝限位樁的成本較高，在限位樁布置上，應(yīng)盡量增大限位樁間距，減少限位樁數(shù)量。對(duì)于限位樁間距的確定，通常考慮管道在波浪力影響下與限位樁的碰撞強(qiáng)度，以及管道許用自由懸跨的要求。

對(duì)于海底管道所受波浪力，通常采用莫里森方程進(jìn)行計(jì)算，管道與限位樁之間的碰撞強(qiáng)度采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬。

應(yīng)用莫里森公式計(jì)算波浪力，如式(1)所示。

(1)

針對(duì)限位樁間距評(píng)估，可以依據(jù)DNV-RP-105規(guī)范中對(duì)于海底管道自由懸跨的要求，使限位樁的間距滿足安裝期海底管道最大許用懸跨的要求。管道懸跨狀態(tài)下的自振頻率如式(2)[6]所示。

(2)

式中：Pcr為臨界屈曲荷載；Leff為有效跨長(zhǎng)；Seff為有效軸力(拉力為正)；me為有效質(zhì)量；δ為靜態(tài)變形；E為彈性模量；I為慣性矩；CSF為混凝土剛度增強(qiáng)因子。

海底管道有效跨長(zhǎng)依據(jù)DNV-RP-105規(guī)范，如式(3)[6]和式(4)[6]所示：

當(dāng)β≥2.7時(shí)，

(3)

當(dāng)β<2.7時(shí)，

(4)

式中：K為相對(duì)土壤剛度；L為海管的自由懸跨長(zhǎng)度。

2.4超大管徑管道局部屈曲校核修正

在海底管道拖拉分析中，需要對(duì)海底管道進(jìn)行局部屈曲校核。依據(jù)DNV-OS-F101規(guī)范，安裝期海底管道受彎矩、有效軸力、外部壓力的影響，局部屈曲校核通常依據(jù)式(5)[6]：

(5)

式中：γSC為安全等級(jí)抗力系數(shù)；γm為材料抗力系數(shù)；Md為設(shè)計(jì)彎矩；Mp為塑性彎矩抗力；Sd為設(shè)計(jì)有效軸力；Sp為特征塑性軸力抗力；pe為外壓；pc為壓潰壓力。

由于DNV-OS-F101規(guī)范中針對(duì)公式(5)的適用條件為管道徑厚比小于等于45，即D/t≤45，對(duì)于超大管徑海底管道，徑厚比通常大于45，所以在進(jìn)行局部屈曲校核時(shí)需要對(duì)式(5)進(jìn)行修正。

對(duì)于管道在純彎曲作用下的抗屈服極限，隨著徑厚比的增加，管道所能承受的極限彎矩減小[3]。對(duì)于管道在軸向力、彎矩和外壓組合作用下的抗屈曲極限，在徑厚比大于45的管道校核中，需要根據(jù)管道實(shí)際徑厚比減小塑性彎矩抗力Mp，如式(6)[4]所示：

(6)

3 結(jié)語

超大管徑海底管道長(zhǎng)距離拖拉登陸，相比常規(guī)拖拉安裝，存在所需拖拉力較大、拖拉軌跡難以把控、易與海床發(fā)生吸附等難點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)極少。對(duì)于拖拉過程的海底管道局部屈曲校核，由于超大管徑管道不適用于DNV-0S-F101規(guī)范中的徑厚比要求，所給定的校核方法也需要進(jìn)行修正。針對(duì)上述問題，本文建議超大管徑海底管道長(zhǎng)距離登陸拖拉采用混合拖拉法，即采用底拖法與浮拖法或離底拖法相結(jié)合的拖拉方法。在拖拉過程中，需要通過合理布置浮筒，精確計(jì)算拖拉過程中管道水下重力，并在管道拖拉路由兩側(cè)安裝拖拉限位樁，避免管道在拖拉過程中發(fā)生側(cè)向位移，限位樁間距采用許用自由懸跨理論進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于拖拉過程中的管道局部彎曲以及管道碰撞強(qiáng)度校核，采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬。針對(duì)超大管徑管道采用DNV-0S-F101規(guī)范進(jìn)行局部屈曲校核，通過減小計(jì)算中的塑性彎矩抗力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于DNV-0S-F101局部屈曲校核方法的修正。超大管徑海底管道長(zhǎng)距離登陸拖拉技術(shù)作為近岸及淺水海域最重要的海底管道安裝技術(shù)，隨著在工程應(yīng)用中的推廣及日趨成熟，將對(duì)近海海洋油氣田的開發(fā)產(chǎn)生重要的影響。

[1] 黨學(xué)博，龔順風(fēng)，金偉良，等.海底管道鋪設(shè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國海洋平臺(tái)，2010(5)：5-10.

[2] 劉志剛，李慶，孫國民.登陸海底管道近岸段施工方法研究[J].中國造船，2009(增)：669-676.

[3] 李志剛.深水海底管道鋪設(shè)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4] Weustink O W A.Bombax48-inch Pipeline Installation[J].OTC 15272，2003.

[5] DNV-OS-F101， SUBMARINE PIPELINE SYSTEM[S].2005.[6] DNV-RP-F105，F(xiàn)REE SPANNING PIPELINE[S].2006.[7] 孫奇?zhèn)?海底管道鋪設(shè)施工安裝方法研究[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012(7)：105.

[8] 趙冬巖.大口徑海底管道的設(shè)計(jì)對(duì)策[J].中國海上油氣，1995(6) ：14-17.

[9] 黨學(xué)博，龔順風(fēng)，金偉良，等.S型鋪管中上彎段管道受力研究[J].船舶力學(xué)，2012，16(8)：935-942.

[10] 馮現(xiàn)洪，劉剛，楊琥.一種海底管道近岸拖拉分析方法的工程應(yīng)用[C]// 第十五屆中國海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，2011 ：368-371.

InvestigationofSubseaPipelineLandfallPullingTechnologyforHugeDiameterandLongDistance

HUANG Yu

(OffshoreOilEngineeringCo.，Ltd.，Tianjing300451，China)

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.014

1001-3482(2017)05-0067-05

2017-02-16

黃 鈺(1985-)，男，工程師，從事海底管道、深水立管及相關(guān)管道附件的設(shè)計(jì)及研究工作，E-mail：huangyu@mail.cooec.com.cn。