海底管道的交越防護(hù)措施研究

高嵩，錢玲玲，楊芬，席櫻瑞, 王佳

（海洋石油工程股份有限公司，天津塘沽 300452)

1 引言

近年來，隨著國家對海洋油氣資源開發(fā)力度的加大，海底油氣管道及電（光）纜的路由布置越趨錯(cuò)綜復(fù)雜。因海域空間受限及整體規(guī)劃需求等，管纜相互之間出現(xiàn)交叉跨越的情況越來越普遍。由于海底管纜在運(yùn)營期間會(huì)產(chǎn)生熱傳導(dǎo)、多向移位及電磁干擾，因此對于交叉位置，若無任何保護(hù)方式的交叉處理，將對管纜的長期安全運(yùn)營造成嚴(yán)重威脅。

目前，處理海底管纜交叉點(diǎn)的防護(hù)方法有多種選擇，常見的混凝土壓塊處理方法尤為普遍，該方法是將壓塊直接覆蓋在被跨管纜的上方，具有施工成本低、操作流程簡單、適用范圍廣等特點(diǎn)[1-2]。然而，受交叉管纜的結(jié)構(gòu)屬性、擬建海管的埋設(shè)保護(hù)設(shè)計(jì)及被跨管纜的所處狀態(tài)等因素的影響，混凝土壓塊處理交叉可能不是最優(yōu)的選擇。如對于海床沖刷區(qū)域，普通的混凝土壓塊可能加劇海床的沖刷，從而對管纜增加過大的額外載荷。因此，針對海底管纜的交越處理方式，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)、環(huán)境條件及工程經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行合理選擇。

本文主要介紹了海底管纜的跨越常規(guī)設(shè)計(jì)要求，以及當(dāng)前海洋工程行業(yè)常用的交叉點(diǎn)處理方法，同時(shí)還詳細(xì)介紹了這些處理措施的構(gòu)造屬性及優(yōu)缺點(diǎn)，明確了選擇方案應(yīng)考慮的因素，施工過程的技術(shù)難點(diǎn)，可為今后類似工程項(xiàng)目提供參考依據(jù)。

2 海管跨越設(shè)計(jì)

2.0 跨越形式

應(yīng)根據(jù)擬建海管與被跨管纜的位置關(guān)系，正確選擇交叉跨越的保護(hù)形式，如對不埋設(shè)管纜，可采用支墩或壓塊覆蓋[3]。確定跨越形式后，可以根據(jù)工程實(shí)際情況，合理選擇交越點(diǎn)處的管纜保護(hù)措施。

2.1 交越角度

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，通常設(shè)置為不小于30度。當(dāng)交叉角度較小，除了需要重點(diǎn)提高擬建海管的鋪設(shè)公差外，還需要擴(kuò)大交越點(diǎn)的管纜防護(hù)范圍，確保擬建海管與被跨管纜保證永久的安全間距。

2.2 交叉位置

關(guān)于擬建海管與被跨管纜的跨越點(diǎn)，應(yīng)盡量選擇在直線路由段進(jìn)行交叉。這是因?yàn)榭刂坪９芑【€路由的鋪設(shè)精度具有較大難度，且不利于交叉防護(hù)的水下操作。

2.3 安全間距

相互交越的管纜之間應(yīng)設(shè)置永久性的隔離，這主要是為了避免兩者在運(yùn)營期間產(chǎn)生相互干擾。按照DNV -OS-F101的通用規(guī)定，兩者在跨越位置的最小安全間距不應(yīng)小于0.3m。

3 海管跨越防護(hù)方式

3.1 壓塊墊防護(hù)法

壓塊墊防護(hù)法，指在已建海底管(纜)上方直接放置墊狀壓塊的交叉點(diǎn)處理方法，這是工程上當(dāng)前最常用的一種處理方式。如圖 1所示，它由離散型小石塊通過繩索連接在一起，從而形成墊狀結(jié)構(gòu)物。小石塊的厚度通常為0.3m，這不僅保證了管纜之間的安全間距，而且對被覆蓋的管纜不會(huì)施加過大的負(fù)載。

圖1 常用的壓塊跨越處理

目前，常用的壓塊墊普遍為連鎖排結(jié)構(gòu)形式。按照材質(zhì)進(jìn)行分類，壓塊墊可分為混凝土壓塊墊（普通型和改進(jìn)型），瀝青填充壓塊墊，石頭和砂瀝青混合填充壓塊墊。

（1）混凝土壓塊墊是用在海管跨越防護(hù)中的一種典型產(chǎn)品，它具有一定的柔軟性，放置在管道/臍帶纜的上方后，能夠與海管纜及海床較好地貼合在一起。它由高強(qiáng)度混凝土異形塊和防紫外線的聚丙烯繩組成。此種離散模式的結(jié)構(gòu)減少了開路效應(yīng)，可以為管道提供力學(xué)保護(hù)且能夠保證其側(cè)向穩(wěn)定性。該產(chǎn)品的制作及施工成本較低，但容易引起海床的沖刷，而且防漁網(wǎng)的拖拽性能差。常用到的幾何尺寸為6m(長)x 3m(寬)，如圖2所示。

圖2 普通型混凝土壓塊墊

（2）一種改進(jìn)型的混凝土壓塊墊，其結(jié)構(gòu)外型更加圓滑，利于洋流的流動(dòng)。因此，除了實(shí)現(xiàn)管道的穩(wěn)定性及力學(xué)保護(hù)外，還可以防止海床沖刷。另外，該產(chǎn)品還可以布置在處于溝槽/非溝槽管道彎曲的交叉處。其標(biāo)準(zhǔn)幾何尺寸可達(dá)10m(長)x 3m(寬)，見圖3。

圖3 改進(jìn)型混凝土壓塊墊

（3）瀝青填充壓塊墊是由一種結(jié)實(shí)耐用的帆布包膜組成，其內(nèi)部填充了密實(shí)的加強(qiáng)型瀝青膠粘劑，主要目的是為了提高自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，見圖4。在低溫條件下，瀝青呈固態(tài)，但也能保持一定的高度柔軟性，應(yīng)對不斷變化的海床條件，非常適合用作管道的支撐，穩(wěn)定性和外保護(hù)需求。由于該產(chǎn)品可以解決海床沖刷問題，因此針對有海床沖刷的海管跨越的防護(hù)處理可以優(yōu)先選擇。標(biāo)準(zhǔn)幾何尺寸可達(dá)10m(長)X 3m(寬)。

圖4 瀝青填充壓塊墊

（4）石頭和砂瀝青混合填充壓塊墊其外部由土工布包裹，內(nèi)部填充石頭和砂瀝青膠泥，并且采用鋼絲編織網(wǎng)加固，見圖5。填石有棱形、圓形。該墊塊可長期暴露于在海水中，結(jié)構(gòu)仍然牢固。內(nèi)部的砂瀝青膠泥由瀝青、石灰石(或水泥)、適當(dāng)級(jí)配的砂和特殊添加劑混合而成。如需考慮防錨墜落保護(hù)，可在內(nèi)部增加加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)。標(biāo)準(zhǔn)的幾何尺寸為6.0m(長) x 2.35m(寬)。

圖5 混合填充壓塊墊

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)（支墩）法

常見的橋梁結(jié)構(gòu)為馬鞍型，如圖6所示，該結(jié)構(gòu)為混凝土支墩，適用與小口徑海管，且受跨越角度誤差的限制，一般適用海底電纜的交跨越。其結(jié)構(gòu)形式比較簡單，弧線橋面比較適合海底電（光）纜的跨越。Pi型橋梁結(jié)構(gòu)的適用范圍較廣，可采用鋼結(jié)構(gòu)形式，但需要增加磨損層及水下陽極等。

圖6 馬鞍型混凝土支墩

一種新型的鋼結(jié)構(gòu)支墩，其頂部及泥面處的兩側(cè)管件與擬建海管的接觸區(qū)域設(shè)置有橡膠墊，除了防止磨損管道涂層外，還可以增大相互摩擦力，保證海管的側(cè)向穩(wěn)定性。另外，該裝置的頂部設(shè)置有限位扣以以對擬建管線進(jìn)行限位[4]。該裝置的結(jié)構(gòu)形式比較簡單，尺寸不大，但對水下安裝的精度要求比較高，如圖7所示。

圖7 馬鞍型鋼結(jié)構(gòu)支墩

3.3 枕木型支墩法

枕木型支墩也稱sleeper，通常安裝在海管跨越點(diǎn)兩側(cè)，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，可以放置單個(gè)或多個(gè)。擬建海管從其上方鋪設(shè)通過，其結(jié)構(gòu)形式可分為鋼筋混凝土及鋼制結(jié)構(gòu)。由于該結(jié)構(gòu)的尺寸及重量較大，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合水文環(huán)境、海床地質(zhì)與地形條件，以及管道的結(jié)構(gòu)屬性等方面的特殊要求。為了避免海管受波流作用及整體屈曲的影響后發(fā)生水平偏移及滑落至海床，通常會(huì)在頂端面設(shè)置限制支架。另外，為了防止擬建海管滑動(dòng)過程中磨損涂層外，一般要求在接觸面上增加橡膠等材料，如圖8-9所示。

圖8 枕木型混凝土結(jié)構(gòu)支墩

3.4 聚合物

3.4.1 包裹式聚合物

該產(chǎn)品常用在柔性海管及電（光）纜的跨越設(shè)計(jì)中，也稱uraduct，如圖10所示。為中空半殼結(jié)構(gòu)，由高密度聚乙烯材料組成。Uraduct包覆在柔性管的外表面，采用耐腐蝕金屬條帶進(jìn)行緊固。該產(chǎn)品具有良好的沖擊性能強(qiáng)度和耐磨性，且能保證柔性管纜的彎曲性能不受過彎的影響。一般在鋪管船上進(jìn)行安裝，施工效率較高。近年來的一些研究表明，該產(chǎn)品可以推廣到鋼制海管的跨越設(shè)計(jì)中。

圖9 枕木型鋼結(jié)構(gòu)支墩

圖10 uraduct

3.4.2 聚氨酯柔性墊

該產(chǎn)品由聚氨酯材料制成。適合長時(shí)間使用長期海底應(yīng)用，且性能不會(huì)退化。它的結(jié)構(gòu)形式類同混凝土壓塊，但在抗沖擊或磨損保護(hù)方面具有極大優(yōu)勢。可以在其內(nèi)部填充重晶石材料以保證其座底穩(wěn)定性，同時(shí)還可以抵抗足夠的外力。它具有高度的柔軟性，貼合性非常好。通常用于多個(gè)柔性管跨越點(diǎn)的防護(hù)處理。該產(chǎn)品的重量輕，便于運(yùn)輸和安裝，對柔性管及海底光纜不會(huì)造成磨損，如圖11所示。除了用在管纜交叉的防護(hù)，它還可以大面積地覆蓋在海床上，“存儲(chǔ)”鉆井船留下的鉆屑，以便進(jìn)行回收處理。

圖11 聚氨酯柔性墊

3.5 水下拋石法

水下拋石法分兩種類型，一類是在管(纜)交叉點(diǎn)兩側(cè)構(gòu)筑成一定高度及坡度的碎石堆層，然后在其上方鋪設(shè)擬建海管，見圖12。另一類是在被跨越管(纜)的上方直接進(jìn)行拋石，然后鋪設(shè)擬建管道[5]，見圖13。堆石層的設(shè)計(jì)不僅需要考慮一定的粒徑配比，同時(shí)還需要考慮其長期穩(wěn)定性。由于深水的海床底部流速較小，因此該方法常用于深水海管的交叉防護(hù)處理。另外，該方法通常需要擬建海管具有較好的鋪設(shè)精度，且施工成本較高，需要專業(yè)的拋石工程船。

圖12 在海管下方拋石

圖13 在海管上方拋石

4 結(jié)語

隨著我國油氣田的大力開發(fā)，海底管纜的布置將更加密集，管纜路由的交叉跨越將會(huì)逐漸增多。本文主要介紹了跨越海底管纜常見的交叉處理防護(hù)措施，目前這些措施已在許多實(shí)際項(xiàng)目中獲得廣泛使用。另外，在確定某類交叉跨越防護(hù)措施前，需要根據(jù)跨越管纜的結(jié)構(gòu)屬性，跨越周邊區(qū)域的水下設(shè)施布置情況，當(dāng)?shù)睾Ｓ虻沫h(huán)保要求等綜合考慮。同時(shí)，初步確定后防護(hù)措施后，仍需要結(jié)合詳細(xì)的管纜強(qiáng)度分析，在滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求下才能最終確定。合理的交叉保護(hù)方案既能夠減少后期維護(hù)及施工成本，又可以使海底管纜得到有效的保護(hù)，對海洋油氣田的長期安全運(yùn)營起著重要的作用。