綏中港海底管道下臥改造項目施工可行性研究

押延寧，史云龍

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

隨著能源需求量日益增加，人們進入大面積開發(fā)海洋資源的時代，沿海石油工程開發(fā)建設工程量日趨增多，隨之而來的海底能源管道鋪設量也日益增加。海底管道具有能源輸送、水源島際輸送以及污水排放等功能，其中最為重要的功能是能源輸送，隨著能源供給需求的日益增加，海底管道的輸送長度也隨之增加。目前中國海上油氣管道總長度已經(jīng)超過6 000 km，這些管道在近海岸線附近密集分布，導致大多數(shù)管線與現(xiàn)有航道存在交叉情況。但隨著航運的逐漸發(fā)展，越來越多的船舶需要加深航運深度，這種情況的出現(xiàn)導致海管的設計埋深需要重新調(diào)整。因此為了使船舶吃水深度進一步加深，打破吃水深度限制，海底管道需要采取下臥方式增加敷設深度。

本文以某海底管道路由調(diào)整需求為例，充分考慮航道交叉以及周邊管纜分布情況，確定管道下臥深度需求，對比兩種不同下臥方案后，在不停止運行的條件下采取改變原海底管道路由的下臥方式將管道下臥。

1 海底管道挖溝技術(shù)

1.1 海底管道挖溝方式

根據(jù)海底管道鋪設的先后順序，海管鋪設方式可以分為預挖溝鋪設和后挖溝鋪設兩種方法。另外根據(jù)挖泥船的種類不同，又可分為抓斗開挖、吸揚開挖、鏈斗開挖、水下鏟斗開挖和爆破開挖。目前所采用的挖溝機設備大多數(shù)是針對后挖溝施工設計，后挖溝作業(yè)的施工技術(shù)相對成熟、操控簡單、安全系數(shù)較高，并且對環(huán)境的破壞性較小。

1.2 海底管道挖溝施工原理

以水力噴射挖溝機運行為例，其工作原理是噴射泵形成的高壓水流經(jīng)過噴射臂噴出后，將海底管道下部的海床土打散，使其充分液化后，利用挖溝機上的抽吸臂通過射流原理將液化后的土體噴移至海溝外部，在管道下方形成管溝，海底管道會在自身重力的作用下逐漸下沉到管溝內(nèi)。

1.3 挖溝機系統(tǒng)組成

水面支持系統(tǒng)、挖溝機本體以及臍帶電纜是構(gòu)成挖溝機系統(tǒng)的重要組成部分：水面支持系統(tǒng)由發(fā)電機、臍帶電纜絞車、動力源、液壓站以及監(jiān)控室等構(gòu)成；挖溝機本體的核心為主體結(jié)構(gòu)，此外在主體結(jié)構(gòu)上會布置噴沖、液壓、抽吸、水下傳感以及電控等功能的輔助系統(tǒng)；臍帶電纜主要指連通水上與水下的臍帶電纜，其主要功能是完成動力與信號的傳輸。

2 常見的海底管道挖溝方法

2.1 機械挖溝法

機械挖溝主要通過鉸刀在海床表面直接開溝或采用開溝機在海床上直接挖出海溝。采用開溝犁的機械挖溝能夠?qū)崿F(xiàn)在海床上挖出較為整齊的管溝，并且不會對周圍土壤的抗剪強度造成影響，在挖出管溝的同時可以形成邊坡，挖出的土體短時間不會進入管溝。水下開溝犁根據(jù)其功能可分為管道敷設前開溝、邊鋪管邊挖溝和管道鋪設后挖溝。

2.2 水利挖溝法

水利挖溝法主要采用射排的方式形成海溝，通過高壓泵形成高壓水流，并將水流從高壓噴頭射出，高壓噴頭可以根據(jù)需求隨時改變水流方向。高壓水流能夠快速液化海底的土體，并利用排泥泵形成的高壓射流將液化后的土體快速排凈，形成完整的海溝。水利挖溝法與機械挖溝法對挖溝裝置的牽引方式是相同的，但水利挖溝法的動力源在船舶上，因此，這種方法更適合海底管道地質(zhì)條件較為復雜的施工環(huán)境。

2.3 機械與水利結(jié)合挖溝法

一般在遇到海底土體堅硬的情況時，會選擇機械與水利相結(jié)合的方法，即利用機械挖溝法的鉸刀部件的同時利用射水泵和排泥泵完成管溝的成型。

2.4 不挖溝進行海底管道埋設法

不挖溝進行海底管道埋設法的工作原理是在管道上方設置一個阻流板，當海底管道受到水流阻擋時，水流經(jīng)過管道的阻擋會產(chǎn)生一部分向下的流動，形成渦旋流動并不斷沖刷管道底部的土壤，進而挖動管道底部的淤泥，并將淤泥帶走。這樣在管道底部就可以形成一定深度的管溝，在管道自重的作用下原管道可以下降1.0～1.5倍管徑的深度。

3 后挖溝施工流程

3.1 預調(diào)查階段

在預調(diào)查階段，調(diào)查船需要利用海洋調(diào)查、鉆孔等對計劃開展施工的海域進行調(diào)查并提取土壤樣本，這些樣本參數(shù)是后期重要的設計依據(jù)。同時，研究人員也要通過這些信息深入了解埋設海域海底土壤的實際條件，并根據(jù)提取的土壤樣本進行深入分析，確定海底管道的鋪設深度、采用的挖溝方式以及相應的挖溝船和挖溝機型號。

3.2 挖溝船就位

挖溝船舶行駛至施工位置，在船舶周圍設置8個錨完成船位固定，并利用船舶上的衛(wèi)星定位系統(tǒng)和海管路由記錄位置信息，將船舶準確地定位在挖溝位置處。為了保證管道安全，在進行錨固定時，拋錨位置與海底管線的距離要大于200 m，若錨纜存在跨越管線的情況，那么拋錨位置與管線的距離要大于250 m。完成拋錨工作后要對錨纜進行拉拔測試，保證每一個錨均實現(xiàn)穩(wěn)定固定。

3.3 挖溝機下水

確保完成所有設備連接工作后，便可將挖溝機放入水中，同時將臍帶電纜和液壓軟管放入水中。開啟水下泵，對噴沖壓力和抽吸真空度進行測試，對泵的姿態(tài)和信號傳輸情況進行檢測，對噴沖臂與抽吸臂的運轉(zhuǎn)情況進行檢查，在完成對水下泵的全部檢測工作后便可以關(guān)閉水下泵。將挖溝機繼續(xù)下放至海床附近，完成挖溝機的定位工作，并利用對中機將挖溝機與待敷設的海管對正。

3.4 挖溝施工

挖溝機開始在起始點進行挖溝，同時船舶也開始移動沿海管鋪設線路挖溝，下放噴沖臂和抽吸臂開始造坡工作。在挖溝過程中采用聲納設備對挖溝的深度與寬度進行監(jiān)測，利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)監(jiān)測船舶與挖溝機的路線與位置，并不斷調(diào)整船位位置，確保挖溝機的線路未發(fā)生偏移。挖溝結(jié)束后，利用聲吶系統(tǒng)掃描管溝形成圖像，從而確定管溝深度等參數(shù)。

3.5 挖溝機回收

當挖溝施工完成或遇到極端海況時，需要暫停挖溝作業(yè)，要將挖溝機提升出水面，吊至甲板處穩(wěn)定固定，并關(guān)閉水下泵，同時將臍帶電纜與液壓軟管收回。

3.6 后調(diào)查階段

挖溝工作結(jié)束后，需要采用調(diào)查船對海底管道進行掃描，一般利用雙頻管道剖面儀完成掃描工作，獲得海底管道的真實埋深，最終檢驗挖溝效果。在檢測過程中，要將海管兩側(cè)10 m范圍內(nèi)未受到影響的海床平面視為基準面完成對海管實際深度的測試。

4 海底管道下臥改造項目介紹

根據(jù)2015年葫蘆島港總體規(guī)劃，規(guī)劃港區(qū)進港主航道與三條為中國海油綏中36-1 陸地終端提供原油的海底管道存在相互影響。為此，對15萬噸級航道與JZ25-1S CEP至SZ36-1陸地終端、SZ36-1CEP至陸地終端、LD10-1CEP至陸地終端三條海管的交叉區(qū)域進行了海管下臥改造施工的可行性研究，三條外輸管線的參數(shù)如表1所示，本項目所涉及的綏中港區(qū)15萬噸級航道參數(shù)如表2所示。

表1 三條海管基本參數(shù)

表2 航道參數(shù)

綜合考慮15萬噸航道底標高和海管的回填保護高度，確定了三條海管在航道影響區(qū)域的下臥深度，即管底標高。

JZ25-1S和LD10-1的管底標高為：

SZ36-1管線航道影響區(qū)域的預挖溝標高為：

5 海底管道下臥改造方案

5.1 改變原海底管道路由方案

考慮三條海管均為鋼套鋼保溫管，為避免管線保溫層失效，需要尋找最接近錨固件的管線作為換管切割處，確定打點坐標，并以預選的切割處為基準、平行管線方向開展挖溝作業(yè)，達到管線下臥標高位置。三條海管與航道交叉區(qū)域開挖參數(shù)如表3所示。挖溝施工檢測合格后，在溝底鋪設新的管道，新管道鋪設后要對其進行清管、測徑和試壓等一系列后續(xù)工作。

表3 海管與航道交叉區(qū)域開挖參數(shù)

新管線試壓合格后，完成對三條海底管線的整體清洗。對新鋪平管段進行后挖溝、膨脹彎處放置水泥壓塊，與航道交叉的區(qū)域范圍內(nèi)拋3.5 m厚碎石，對管線進行回填保護。管線投產(chǎn)，回收廢棄管線，施工復原。

5.2 不改變原海底管道路由方案

先對外輸管線進行停產(chǎn)清洗工作，清洗合格后在航道兩端的錨固件附近位置切割海管，并回收切割掉的舊海管，在斷管的一端管頭焊接法蘭，另一端焊接棄管封頭，之后放置管線到海床。以管線與航道交叉點中心為基準，沿著管線原路由、方向向兩端進行預挖溝，達到管線下臥標高位置，放坡比按1比40考慮。調(diào)查確認挖溝合格后，鋪管船回收帶有棄管封頭端的管線，之后沿海管路由向另一端進行鋪管，在靠近另一端時，焊接法蘭、連接棄管封頭之后棄管。水下測量兩管端的相對距離、調(diào)整角度，用短節(jié)或膨脹彎連接管線，對管線進行整體檢測合格后復產(chǎn)。連接短節(jié)或膨脹彎處放置水泥壓塊，管線與航道交叉的區(qū)域范圍內(nèi)拋碎石，對管線進行回填保護。

6 結(jié)論與建議

兩個方案均采用交叉段管道重新鋪設，開挖總量和回填總量都較大，依據(jù)環(huán)評相關(guān)要求必須有指定傾廢區(qū)域和回填取砂區(qū)，兩個方案都存在環(huán)境污染的風險。改變原海管路由停產(chǎn)周期短，經(jīng)濟影響稍?。徊桓淖冊９苈酚赏．a(chǎn)周期較長，經(jīng)濟影響面較大，兩種方案都會給整個相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈造成嚴重的負面影響。

不改變原海管路由的部分路由超出了原管線路由范圍，需重新做地質(zhì)調(diào)查，并須向國家有關(guān)主管部門申請海域使用證等證件。外輸油管線存在管壁結(jié)蠟，增加了清管的難度，且管線投入時間較長，管線出現(xiàn)老化，平管起吊可行性及海管試壓值選取需要進一步評估。綜合考慮兩個方案的優(yōu)缺點，在目前情況下，推薦采用改變原海底管道路由方案。同時建議從國家發(fā)展戰(zhàn)略的高度進行綜合性評估，擴大評估范圍，選擇能夠使企業(yè)和地方經(jīng)濟共同發(fā)展、達到雙贏的可行性措施。