梁光輝，成二輝

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

大尺寸雙層海底管道舷側(cè)起吊輔助措施

梁光輝，成二輝

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

舷側(cè)起吊是海底管道進(jìn)行鋪設(shè)或維修過程中常用的方法，風(fēng)險(xiǎn)性較高，尤其對(duì)于大尺寸雙層管道，必須采取有效的輔助方法，保證起吊過程的安全。文章創(chuàng)新性地提出了采用長(zhǎng)條形輔助起吊氣囊、單點(diǎn)輔助提升浮袋、施工船甲板吊機(jī)、防滑卡子、單點(diǎn)提升五種措施進(jìn)行舷側(cè)起吊輔助，并針對(duì)前三種措施進(jìn)行了計(jì)算分析及效果對(duì)比，結(jié)果表明這些措施有助于大尺寸管道的舷側(cè)起吊，浮袋可防止下彎段懸跨過長(zhǎng)造成管內(nèi)應(yīng)力過大，長(zhǎng)條形輔助起吊氣囊和施工船甲板吊機(jī)輔助作業(yè)可有效減少舷吊受力并合理控制管內(nèi)應(yīng)力分布，保證起吊作業(yè)安全可控。

雙層海底管道；起吊；輔助措施；氣囊

1 概述

舷側(cè)起吊是海底管道鋪設(shè)或維修過程中常用的一種方法，廣泛應(yīng)用于近岸段新建海底管道的水面對(duì)接、法蘭的更換、損傷應(yīng)急維修等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近十年來，國(guó)內(nèi)海底管道應(yīng)急維修約20例，其中采用舷側(cè)起吊方法進(jìn)行維修的工程接近一半。

常規(guī)的舷側(cè)起吊作業(yè)步驟主要有：

（1）起吊段海底管道吹泥暴露。

（2）水下吊點(diǎn)位置吊帶連接。

（3）按舷側(cè)起吊計(jì)算報(bào)告進(jìn)行管道起吊。

（4）法蘭或管段焊接、檢驗(yàn)及防腐。

（5）按舷側(cè)起吊計(jì)算報(bào)告進(jìn)行管道下放[1-4]。如圖1所示。

圖1 舷側(cè)起吊示意

海底管道舷側(cè)起吊本身是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)較高的作業(yè)，尤其是對(duì)于大尺寸雙層且充滿海水的海底管道，風(fēng)險(xiǎn)更高。管道尺寸和自重大，對(duì)于舷側(cè)起吊設(shè)備（舷吊、卷揚(yáng)機(jī)等）的能力要求較高，管道母材發(fā)生損傷的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大。

本文以海底管道舷側(cè)起吊的計(jì)算分析為理論基礎(chǔ)，提出了針對(duì)大尺寸雙層管道安全起吊行之有效的措施，可為今后類似工程作業(yè)提供借鑒。

2 大尺寸管道舷側(cè)起吊措施

尺寸較小的海底管道舷側(cè)起吊采用如圖1所示的常規(guī)起吊方式即可，但對(duì)于大尺寸雙層且充滿海水的海底管道，必須增加多項(xiàng)輔助措施以保證起吊過程的安全。

2.1 長(zhǎng)條形輔助起吊氣囊

在海底管道舷側(cè)起吊作業(yè)中應(yīng)用長(zhǎng)條形輔助起吊氣囊（以下簡(jiǎn)稱氣囊，見圖2）尚屬首例，氣囊可以為水下海底管道提供一定的浮力，減小起吊時(shí)鋼絲繩的張力，保證起吊過程更加平穩(wěn)安全。

圖2 長(zhǎng)條形輔助起吊氣囊

氣囊的尺寸及噸位與起吊海底管道的重量及需要提供的浮力有關(guān)，太小的氣囊起不到輔助作用，太大的氣囊又會(huì)適得其反，需要用軟件對(duì)起吊作業(yè)過程進(jìn)行試算，再選擇合適的氣囊及其尺寸。

氣囊上設(shè)置若干吊點(diǎn)，在海上施工之前需要做負(fù)重試驗(yàn)，吊點(diǎn)的強(qiáng)度必須大于氣囊所能提供的浮力，保證在起吊作業(yè)時(shí)吊點(diǎn)的安全可靠。

2.2 單點(diǎn)輔助提升浮袋

單點(diǎn)輔助提升浮袋（以下簡(jiǎn)稱浮袋）是水下較為常用的提供浮力的輔助裝備，見圖3。潛水員在水下將浮袋與海底管道連在一起后，使用空壓機(jī)通過氣帶給浮袋充氣，為管道提供一定的浮力。

與長(zhǎng)條形輔助起吊氣囊不同的是，浮袋提供的是單點(diǎn)浮力，氣囊提供的是長(zhǎng)距離均布浮力。浮袋可以與氣囊組合使用，共同完成大尺寸管道的起吊作業(yè)。浮袋噸位大小也要根據(jù)海底管道的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步計(jì)算后進(jìn)行選擇。

圖3 浮袋

2.3 施工船甲板吊機(jī)輔助作業(yè)

在常規(guī)海底管道舷側(cè)起吊作業(yè)中，選用2～3個(gè)舷吊即可（見圖4）。按照計(jì)算分析報(bào)告的步驟，舷吊依次提升一定的高度，直到將海底管道提升至預(yù)定位置滿足水上作業(yè)的需求。在使用海底管道計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，可以設(shè)定每次提升的高度，來試算管道的應(yīng)力及舷吊鋼絲繩的受力，如果不滿足要求，則需重新設(shè)定提升高度再次計(jì)算。

對(duì)于大尺寸管道，當(dāng)管道自重過大或者舷吊間距過大時(shí)，使用甲板吊機(jī)進(jìn)行輔助起吊，可使整個(gè)作業(yè)過程更具可控性。起吊過程中，可將吊機(jī)噸位設(shè)為固定值，隨著舷吊依次提升，吊機(jī)可自動(dòng)調(diào)整提升的高度以保證吊重處于相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。

圖4 甲板吊機(jī)輔助舷側(cè)起吊作業(yè)

對(duì)于大尺寸管道，舷吊鋼絲繩的受力較大，相應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。本文創(chuàng)新性地提出使用甲板吊機(jī)配合舷吊完成舷側(cè)起吊作業(yè)，可使整個(gè)作業(yè)過程更具可控性。該起管方式優(yōu)勢(shì)在于：

（1）甲板吊機(jī)分擔(dān)部分載荷，可有效減少舷吊承受的載荷，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）計(jì)算模擬中首先將甲板吊機(jī)鋼絲繩受力設(shè)定為固定值，舷吊再依次起吊，根據(jù)計(jì)算情況適時(shí)提高吊機(jī)鋼絲繩受力，即保證吊機(jī)鋼絲繩在一段時(shí)間內(nèi)為穩(wěn)定值。在現(xiàn)場(chǎng)施工中即可避免吊機(jī)鋼絲繩提升高度不便計(jì)量的問題，且這種方式更加安全可靠。

2.4 防滑卡子輔助作業(yè)

大尺寸管道舷側(cè)起吊時(shí)由于鋼絲繩受力大，為避免吊帶在管壁上滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易卡子，將其安裝在吊帶一側(cè)。圖5為國(guó)內(nèi)某大尺寸管道舷側(cè)起吊時(shí)使用的防滑卡子，主要是起到預(yù)防作用，防止吊帶在管道上滑動(dòng)，可為今后工程項(xiàng)目提供借鑒。

圖5 國(guó)內(nèi)某大尺寸管道舷側(cè)起吊中使用的防滑卡子

2.5 單點(diǎn)提升輔助作業(yè)

海底管道舷側(cè)起吊前管道多為埋設(shè)入泥狀態(tài)，常規(guī)做法是使用挖溝機(jī)開挖管道使其完全暴露。但經(jīng)常遇到因泥質(zhì)等原因?qū)е麻_挖暴露作業(yè)時(shí)間過長(zhǎng)，在工程實(shí)踐中可采用單點(diǎn)提升使管道暴露出泥面，便于下一步的吊點(diǎn)連接等工作，該措施在工程實(shí)踐中取得較好的效果。為使該作業(yè)更安全可靠，需要進(jìn)一步模擬分析以提供理論支持，這也是今后需要解決的問題，本文暫不論述。

3 輔助措施計(jì)算模擬

3.1 計(jì)算軟件對(duì)比

目前可進(jìn)行海底管道舷側(cè)起吊計(jì)算分析軟件主要有BCT-35、SUSPEND、OFFPIPE，三者各自特點(diǎn)如下。

（1）BCT-35是專門用于舷側(cè)起吊計(jì)算的軟件，界面較為簡(jiǎn)單，可提供多種管端約束類型來模擬多種不同的工況，如可進(jìn)行海底管道水面對(duì)接分析。

（2）SUSPEND可進(jìn)行膨脹彎吊裝、平管舷側(cè)起吊計(jì)算分析，并可進(jìn)行平管及膨脹彎的整體起吊分析，這是其他兩個(gè)軟件所不具備的功能。

（3）OFFPIPE多用于海底管道鋪設(shè)、棄置、回收的計(jì)算分析，用其進(jìn)行海底管道舷側(cè)起吊計(jì)算優(yōu)勢(shì)在于：其一數(shù)據(jù)輸入可采用界面輸入及文件輸入兩種方式，便于數(shù)據(jù)處理及編輯；其二模擬雙層管道更準(zhǔn)確，并可分別輸出外管及內(nèi)管的計(jì)算結(jié)果；其三管道起吊的步驟可設(shè)定提升值也可設(shè)定吊繩張力，使得計(jì)算分析更加靈活。

本文采用OFFPIPE軟件進(jìn)行模擬分析。

3.2 輔助措施模擬

以渤海某油田一條雙層管道為例，其基本參數(shù)見表1。分別對(duì)上述三種輔助措施進(jìn)行模擬計(jì)算，并與不施加輔助措施的工況進(jìn)行對(duì)比。

3.2.1 氣囊計(jì)算模擬

使用OFFPIPE軟件對(duì)起吊過程進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)比無輔助措施和安裝氣囊的兩種工況，分析大尺寸管道起吊過程中氣囊的輔助作用。圖6、圖7分別為無輔助措施和安裝氣囊的起吊示意圖。

其中舷吊D1距離管頭8 m，舷吊D1與D2距離15.5 m，D2與D3距離28.3 m；考慮潮位后，計(jì)算水深為19.8 m；管中充滿海水；圖7比圖6增加了兩個(gè)10 t的長(zhǎng)條形氣囊。

表1 某油田雙層管參數(shù)

圖6 無輔助措施的起吊示意

圖7 安裝氣囊的起吊示意

不同于BCT-35及SUSPEND軟件，OFFPIPE可以很好地模擬雙層管道，使用*BUND命令將已經(jīng)定義的兩個(gè)管道數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即可完成對(duì)雙層管的定義，如：

如上程序語句即完成了上述雙層管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的定義。

整個(gè)起吊過程分為21步，因篇幅有限，選取其中1步進(jìn)行模擬比較，見表2。

表2 無輔助措施與安裝氣囊工況計(jì)算分析對(duì)比

由表2可以看出，使用兩個(gè)10 t（100 kN）氣囊之后，氣囊所提供的浮力可平衡管道大部分的重量，三個(gè)舷吊的吊繩張力大大減少，因而起吊過程就更加安全可靠。但使用氣囊后管道內(nèi)部的應(yīng)力不一定會(huì)減小，甚至有可能增加，這是由于上彎段受兩個(gè)氣囊提供的浮力豎向位移變大，使得下彎段產(chǎn)生更大的彎矩，相應(yīng)的彎曲應(yīng)力也就增加了。如果在整個(gè)起吊過程中，管道應(yīng)力可控制在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，則無需增加其他措施；如果管道下彎段應(yīng)力超出了許用應(yīng)力范圍，則應(yīng)視情況在下彎段增加氣囊或浮袋。

3.2.2 浮袋計(jì)算模擬

使用OFFPIPE軟件分別模擬無輔助措施（見圖6）和安裝浮袋（見圖8）的工況。

舷吊布置、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等與氣囊計(jì)算模擬中數(shù)據(jù)相同，浮袋可提供最大浮力為60 kN，與舷吊D3距離為20 m。

圖8 安裝浮袋的起吊示意

浮袋計(jì)算模擬方法與氣囊相同，選取其中1步進(jìn)行模擬比較，見表3。

由表3可以看出，在下彎段安裝6 t（60 kN）浮袋后，舷吊D3吊繩張力及管道最大應(yīng)力大幅降低。浮袋與海底管道是單點(diǎn)連接，在水下充氣后尺寸較大，適合用于下彎段，可有效減少下彎段管道的應(yīng)力，避免由于下彎段懸跨過長(zhǎng)造成應(yīng)力損傷。

表3 無輔助措施與安裝浮袋計(jì)算分析對(duì)比

3.2.3 甲板吊機(jī)輔助計(jì)算模擬

使用OFFPIPE軟件分別模擬無輔助措施（見圖6）和使用甲板吊機(jī)（見圖9）的兩種工況。舷吊布置、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等信息與氣囊計(jì)算模擬數(shù)據(jù)相同；海底管道在舷吊2、舷吊3中間位置與甲板吊機(jī)連接。

圖9 甲板吊機(jī)輔助起吊示意

甲板吊機(jī)計(jì)算模擬方法與氣囊相同，選取其中1步進(jìn)行模擬比較，見表4。

表4 無輔助措施與使用甲板吊機(jī)輔助計(jì)算分析對(duì)比

由表4可以看出，使用甲板吊機(jī)進(jìn)行輔助起吊，有效減小了臨近舷吊的受力，且甲板吊機(jī)可以持續(xù)監(jiān)視起吊的重量，使起吊作業(yè)安全更加有保障。

4 輔助措施效果對(duì)比

大尺寸、雙層且充滿水的海底管道的舷側(cè)起吊作業(yè)是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)非常高的工程，采用一定的輔助措施可以使整個(gè)作業(yè)過程更加安全、可控。本文提到的輔助措施中，單點(diǎn)輔助提升浮袋方法使用最為頻繁，即使在非大尺寸管道舷側(cè)起吊項(xiàng)目中也較為常用。但浮袋多用在管道下彎段，防止由于舷側(cè)起吊過程中下彎段懸跨過長(zhǎng)造成管內(nèi)應(yīng)力過大。當(dāng)管道尺寸較大時(shí)，就必須考慮配合使用長(zhǎng)條形輔助起吊氣囊或甲板吊機(jī)輔助措施。使用長(zhǎng)條形輔助起吊氣囊和使用甲板吊機(jī)輔助起吊可以起到相同的作用，但兩者也有區(qū)別：

（1）長(zhǎng)條形輔助起吊氣囊輔助提升力分布比較均勻，管道本身的受力比較均衡，可以避免由于應(yīng)力集中造成的管道損傷。這是使用甲板吊機(jī)輔助作業(yè)所不具備的優(yōu)勢(shì)。

（2）使用長(zhǎng)條形輔助起吊氣囊時(shí)，在管道起吊接近水面或出水后，可能會(huì)出現(xiàn)氣囊露出水面浮力減小或失去浮力的情況，此時(shí)對(duì)管道的輔助作用就減弱了。而使用甲板吊機(jī)輔助作業(yè)就不會(huì)產(chǎn)生這種問題。

綜上所述，在大尺寸海底管道舷側(cè)起吊作業(yè)前，建議使用海底管道計(jì)算軟件對(duì)幾種輔助措施進(jìn)行模擬分析，從而選擇最合理的輔助措施組合方式。

[1]焦冬梅，高峰，杜永軍，等.雙層海底管道起吊分析方法研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2013，39（3）：4-5.

[2]高原，焦冬梅，桂津.大管徑海管水面對(duì)接技術(shù)[J].中國(guó)造船，2008，49（S2）：569-574.

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Davit L ifting Auxiliary Methods for L arge Size Submarine Pipe-in-pipe Pipeline

Liang Guanghui，Cheng Erhui
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

Davit lifting at shipboard is commonly used in the process of submarine pipeline laying or maintenance.The operation risk is very high，especially for large size submarine pipe-in-pipe pipeline.Effective auxiliary methods must be taken，and detailed calculation and analysis of lifting process are needed to ensure the safety of lifting.This paper puts forward five methods to assist davit lifting of large size submarine pipeline，including elongated auxiliary lifting airbag，single point lifting airbag，derrick crane on the barge，antiskid clamp and single point lifting.Calculation analysis and comparison are done for the first three methods in this paper.The results show that these measures can assist davit lifting effectively.The single point lifting airbag can prevent too high stress occurred at the sagging part of the pipeline.The elongated auxiliary lifting airbag and derrick crane on the barge can effectively reduce the davit loads，so as to make the whole lifting process safe and controllable.

pipe-in-pipe submarine pipeline；davit lift；auxiliary measure；air bag

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.005

梁光輝（1983-），男，江蘇徐州人，工程師，2007年畢業(yè)于天津大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事海底管道檢測(cè)維修工作。

2014-05-08