海管懸跨防治工程試驗

雷震名　熊海榮　蘇冠瑜　張萬里　夏寶宏

摘 要：本文對國內(nèi)外海底管線懸跨防治措施進行了介紹，以一種新型人工水草懸跨抑制裝置為研究對象設(shè)計并實施對比工程試驗，驗證了新型人工水草懸跨抑制裝置對懸跨的防治效果，對海底管道懸跨處理和抑制裝置研發(fā)及施工具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：海底管道；懸跨防治；人工水草；對比試驗

中圖分類號：TE5 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）7-0069-05

1引言

海底管線是海洋石油生產(chǎn)設(shè)施的重要組成部分，是整個海上油田生產(chǎn)系統(tǒng)的聯(lián)系樞紐，海底管線的正常運行是海上原油生產(chǎn)的重要保障。海底管道懸跨是指出現(xiàn)在海底管道上且與海床表面不直接接觸的懸空段[1]。

懸跨的形成對海底管道有兩種不利影響：①由于管道自重及波浪、流此類環(huán)境荷載等因素會使懸跨段管道產(chǎn)生過大的彎矩，可能直接造成管道的破壞；②當(dāng)海水流經(jīng)懸跨管道時，在一定流速條件下，懸跨管道兩側(cè)會出現(xiàn)漩渦，并以一定的頻率交替泄放，從而在結(jié)構(gòu)表面形成周期荷載，使懸跨管道在順流方向及橫流方向上發(fā)生振動，即渦激振動，很可能對海底管道造成疲勞損傷乃至破壞[2]。

2懸跨治理措施

目前海管懸跨治理措施按照原理可分為主動支撐法、吹泥沉降法、加重法和降流促淤法等。

2.1主動支撐法

主動支撐法是在海管懸跨段下方，放置支架或某種填充物，對海管懸跨段起到支撐作用[3]。按照支撐和填充物的種類可分為以下幾種方法：沙袋填充法、礫石拋放法、水下支撐樁法、灌漿法等。

2.2吹泥沉降法

吹泥沉降法就是利用水流的沖刷力將懸跨兩肩逐漸削短，使海管沉降，以達到消除懸跨要求。該種方法通過懸浮式噴射挖溝機對懸跨高點進行削坡，從而使地貌平整，即通過高壓水噴射將海底管道下面的土壤沖開形成溝槽的方法，海底管道沉入溝槽后，通過海流或波浪的運動將位于溝槽旁的擾動土壤回填。噴射式挖溝機適用于沙土和剪切強度低于50kPa的軟粘土，它能將海管埋設(shè)到海底泥面以下，可有效防止海底管道的外部損傷，但是工程費用較高，施工風(fēng)險高，需要對管道進行挖溝應(yīng)力分析，且受天氣影響較大。懸浮式噴射挖溝機見圖2。

2.3加重法

加重法是指在懸空管道上加壓載塊，該方法適用于懸跨段比較長，懸空量較小的管道?，F(xiàn)在應(yīng)用的主要方法包括瀝青沉床、混凝土沉床和混凝土拱座等[4]。

2.4降流促淤法

海底管道被鋪設(shè)到由松散沉積物（如沙）構(gòu)成的海底時，管道附近就會發(fā)生侵蝕，侵蝕是一種自然現(xiàn)象。水流碰到海管時局部流場改變，流速加大，并產(chǎn)生渦流，這些特性都將造成海底表面剪應(yīng)力加大，從而使海底沉積物被抬升、懸浮，從海管附近沖向下游，侵蝕逐漸積累，形成懸跨。

由于海底被沖刷是由流速過大引起的，所以要從根本上解決沖刷侵蝕問題，就必須降低流速且降低與流速相關(guān)的沉積物搬運率，即降流促淤[5]。

降流促淤法的主要措施是種植人工海草。將人工海草縫合到加重的墊子上，或者用錨樁將人工海草墊固定在海底，利用它來降低管線附近的局部流速和湍流，不僅可阻止侵蝕作用，還可使人工合成的海草葉之間的沙質(zhì)沉積物不斷堆積下來。

海草吸附懸移物質(zhì)并阻礙其再懸浮，伴隨海流而至的細粒懸移物質(zhì)，很容易海草帶及其鄰近的低流速區(qū)發(fā)生沉積。海草的葉、莖對于細粒物質(zhì)也有一定的吸附作用，沉落在其上的細粒物質(zhì)也比較難以重新懸浮起來而被潮水搬運走。

人工海草的降流促淤方法具有以下幾點優(yōu)勢：①一次性安裝，永久解決海底侵蝕問題，不需要重復(fù)維護；②安裝后可立即降低甚至停止海底沖刷；③逐漸形成由纖維加固的永久性沙壩，不影響海洋生物的生長和漁業(yè)活動；④適用性強，適用于深水和淺水；⑤加強海底承載力，人工海草的自然攪動可以加強泥沙的壓實作用，從而提高海底承載力。

3工程試驗

為了驗證一種新型人工水草懸跨抑制裝置對海管懸跨的治理效果，本文設(shè)計并進行了相關(guān)的海上工程試驗，試驗方案流程如下圖所示。

3.1試驗海域選擇

考慮本次工程試驗周期較長， 而在大型港口或碼頭，容易受到船舶進港、?？考昂降赖挠绊?，不適合本次試驗。因此選定海床局部沖刷的某河流入海區(qū)域A作為海上工程試驗地點。

A海域的環(huán)境及地質(zhì)條件調(diào)查結(jié)果如下。

3.2安放海管

預(yù)制兩根相同規(guī)格的海管（Φ273×10mm裸管，長度為36m），平行鋪設(shè)并錨固到選定的試驗海域泥面上。

首先進行試驗海管（第一段海管）安放，在海管適當(dāng)位置綁扎晃繩，吊機起吊按圖示位置放置在海床上，海管與碼頭邊沿夾角約為45度，海管管頭距離碼頭邊沿最近距離約為3～5米，海管管頭距離碼頭邊沿最遠距離約為30米，海管放置海床后由潛水員下水解除晃繩。對比海管（第二段海管）與試驗海管距離30～40m，并保持平行，安裝程序相同。

對比海管安裝到位后，在兩管段兩端安裝6個抓力錨，防止因海底流速過大沖擊海管造成路由嚴重偏移。每個抓力錨干重約0.1噸，由吊機起吊并下放，潛水員水下協(xié)助通過Φ14鋼絲纜將其與管口焊接的耳板連接。

3.3預(yù)制懸跨

兩段海管安裝到位后，在懸浮式挖溝機兩側(cè)綁扎穩(wěn)繩，通過260噸汽車吊起吊下放至水下。通過聲吶監(jiān)控，調(diào)整吊機角度或位置完成挖溝機水下就位，就位完畢后，開啟液壓站，利用挖溝機產(chǎn)生的大流量噴射水流，對管底海床進行沖刷，從而對管底海床土壤進行液化，液化土壤隨水流沖走，形成管溝。最終完成兩條管線沿管道方向跨距6米、跨高0.4米懸跨段的預(yù)制作業(yè)。并由潛水員下水進行試驗管懸跨預(yù)制位置探摸確認，并報告記錄，懸跨長度、跨高等溝型情況內(nèi)容。

3.4安放懸跨抑制裝置

新型人工水草壓塊單塊規(guī)格為3米*2米*0.6米，單重3.4噸。裝置在試驗海管附近入水著床后，通知潛水員下水進行壓塊擺放，若裝置安裝位置偏移試驗管路由，潛水員水下通知電話員調(diào)整吊機吊鉤角度或位置，待潛水員出水后，吊機再起吊調(diào)整至潛水員指定位置；抑制裝置就位后，潛水員通知電話員要求吊機保持位置不變，潛水員使用潛水刀割斷抑制裝置與吊架掛鉤的尼龍纜，完成一塊的安裝；完成一塊裝置安裝后，潛水員出水吊機再起吊吊架，重復(fù)以上步驟；陸地人員記錄抑制裝置擺放位置。

4數(shù)據(jù)監(jiān)測與記錄

4.1監(jiān)測時間

試驗周期為六個月，海管與抑制裝置安裝完成后共進行三次數(shù)據(jù)監(jiān)測，每次監(jiān)測時間為五天，監(jiān)測內(nèi)容包括旁掃監(jiān)測抑制裝置與管道狀態(tài)、淺剖監(jiān)測管道覆土情況、潛水員水下探摸、流速監(jiān)測等。

掃測、淺剖及流速監(jiān)測設(shè)備如下圖所示。

4.2第一次監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.2.1多波束掃測

本次掃測區(qū)域大小為125m×184m，水深分布在-1.7至-7.8米，由兩側(cè)碼頭岸線向航道中間逐漸變深。試驗海管所在位置水深由-2.7米逐漸加深到-5.99米， 對比海管所在位置水深由-2.5米逐漸加深到-6.4米。

4.2.2海管狀態(tài)

本次掃測通過多波束水深點生成的水深地域圖可以清楚地查看海管的狀態(tài)，下表為第一段管線在觀測段處的詳細信息表，距離的起算點為靠近碼頭壁近端的管線位置。

4.2.4潛水探摸

探摸顯示試驗管線狀態(tài)良好，未見其他異常，管線最大懸空高度為0.7m，跨長約8m。

探摸顯示對比管線狀態(tài)良好，未見其他異常，管線最大懸空高度為0.6m，跨長約10m。

4.3第二次監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.3.1海管狀態(tài)

本次掃測通過多波束水深點生成的水深地域圖可以清楚地查看海管的狀態(tài)，下表為第一段管線在觀測段處的詳細信息表，距離的起算點為靠近碼頭壁近端的管線位置。

4.3.3潛水探摸

探摸顯示試驗管線及壓塊狀態(tài)良好，未見其他異常，管線最大懸空高度為0.2m，跨長約8m。

探摸顯示對比管線狀態(tài)良好，未見其他異常，管線最大懸空高度為0.15m，跨長約13m。

4.4.3潛水探摸

探摸顯示試驗管線及壓塊狀態(tài)良好，未見其他異常，管線懸跨基本消失。

探摸顯示對比管線狀態(tài)良好，未見其他異常，管線最大懸空高度為35cm，跨長約16m。

5結(jié)論

為驗證新型人工水草懸跨抑制裝置的效果，本文設(shè)計并實施了為期六個月的對比工程試驗，試驗結(jié)論如下。

（1）流速監(jiān)測結(jié)果表明：所選海域底流速不小于0.4m/s，為沖刷海域，自然回淤少。

（2）三次旁掃和潛水探摸數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?2所示：試驗海管（安裝新型抑制裝置）跨長基本沒有變化，但是跨高明顯減??；對比海管跨長逐漸增長，跨高增大。

工程試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，新型人工水草海管懸跨抑制裝置可以有效地滯緩海流流速，抑制海流對懸跨的侵蝕，同時促進懸移物在懸跨處的沉積，對海底管線懸跨的治理效果明顯。

參考文獻：

[1] 唐曉旭，胡國后.海底石油管道懸跨的綜合治理[J]. 油氣田地面工程，2011， 30 （ 7 ） ： 38-39.

[2] 馬坤明. 結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計在海底管道懸跨治理方面的應(yīng)用[J]. 石油和化工設(shè)備，2017， 20（2）：47-50。

[3] 紹懷海，胡洪勤，徐政峰.灘海油田海底管道懸空治理[J].石油規(guī)劃設(shè)計，2003，14 （11）：27-28.

[4] 張劍波，袁超紅.海底管道檢測與維修技術(shù)[J].石油礦場機械，2005，34 （5）：6-10.

[5] 魏中格，齊雅茹.海底管道維修技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2002，28 （4）：30-32.