孫國民

(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

0 引 言

海底管道是海洋油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)和保障，具備高投入、高風(fēng)險(xiǎn)和高收益的特點(diǎn)。路由設(shè)計(jì)是海管設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵一環(huán)，對(duì)海管的安全性和可靠性具有深遠(yuǎn)影響，體現(xiàn)在海管的設(shè)計(jì)、鋪設(shè)、運(yùn)營和維護(hù)等全壽命周期內(nèi)。

在過去的幾十年中，中國海上油氣田建設(shè)主要集中在渤海等淺?；蚩拷懙氐暮Ｓ?。這些區(qū)域的共同特點(diǎn)是海床總體而言較為平坦，地質(zhì)情況相對(duì)較為簡單。因此，在過往項(xiàng)目中，海管路由設(shè)計(jì)并不表現(xiàn)為一個(gè)棘手的問題。但近年來，隨著中國海上油氣田開發(fā)進(jìn)軍南海和海外、走向深水，這一狀況正在發(fā)生著明顯變化。路由選擇技術(shù)已逐漸成為海底管道設(shè)計(jì)需要解決的首要難題。以2014 年開發(fā)的南海某項(xiàng)目為例，其海底管道路由存在海床極度崎嶇不平和地質(zhì)狀況復(fù)雜多變等困難，給海底管道的設(shè)計(jì)和鋪設(shè)等帶來極大挑戰(zhàn)。

1 路由選擇面臨的海床地質(zhì)特征

1.1 不同土壤屬性

土壤是巖石風(fēng)化作用的產(chǎn)物，一般而言，土壤性能可分為“排水”或“不排水特性”。一種土壤(砂或粘土)是否具有排水性能，取決于加載強(qiáng)度，與土壤滲透率有關(guān)。一般認(rèn)為粘土的性能不排水，因?yàn)榧虞d強(qiáng)度通常遠(yuǎn)大于孔隙水能夠移入或移出土壤顆粒間孔隙的強(qiáng)度。粘土的滲透率非常低，為10－9m/s 數(shù)量級(jí)。粘土強(qiáng)度設(shè)定為“不排水抗剪強(qiáng)度”，由符號(hào)Su或Cu表示。一般認(rèn)為砂的性能排水，因?yàn)榭紫端軌蛟诖笥诩虞d強(qiáng)度時(shí)移入或移出土壤顆粒間的孔隙。砂的強(qiáng)度則按照摩擦角以符號(hào)φ 表示。然而，如果粘土所受的剪切力非常低，使孔隙水有足夠時(shí)間移入或移出土壤顆粒間的孔隙，那么其將不具有不排水抗剪強(qiáng)度。其性能反而更像是砂，可適用粘土摩擦角。與此類似，如果砂在極快加載的作用下承受剪切力，使孔隙水沒有移動(dòng)，砂就具有不排水性能。

針對(duì)海底管道，一般采取土壤統(tǒng)一分類系統(tǒng)。離岸土壤既可以是砂質(zhì)土，也可以是粘性土。管道所要求的土壤參數(shù)分別為砂土類和粘土類(見表1)，一些重要參數(shù)的建議值(見表2)。

表1 砂質(zhì)土和粘性土的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of sand and clay

表2 典型海底土壤的關(guān)鍵參數(shù)建議值Tab.2 Recommend parameters for typical subsea soil

1.2 海床不平整

在海底管道鋪設(shè)的過程中，海管路由區(qū)域范圍內(nèi)不可避免的會(huì)遇到一些復(fù)雜地質(zhì)條件，比如裸露的巖石，沙坡、沙脊、海溝，以及一些海底裝置和已建海底管道、電纜等，這些海床表面的地形、地貌，都會(huì)使海床表面變得不平整，使海管在鋪設(shè)后形成不同長度的懸跨，給海管路由規(guī)劃和海上鋪設(shè)帶來困難。以O(shè)rmen Lange［1］項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目有2條長度為120 km，30″的登陸輸氣管道，路由依次通過一個(gè)非常不規(guī)則的海床和大而零落的斜坡區(qū)域，通過大型拖網(wǎng)捕魚區(qū)和成千上萬的大礫石地區(qū)，并需爬上坡度為30°的陡峭山坡，以蛇形的路由通過狹窄的海底峽谷和通道上岸。

圖1 Ormen Lange 氣田項(xiàng)目海管路由三維地形圖Fig.1 3D Topography of subsea pipeline route in ormen lange project

1.3 海床沖刷

海底管道鋪設(shè)于海底以后，打破了原有水下流場的平衡，引起局部水流速度加快，形成了一定范圍的流速梯度集中區(qū)，并構(gòu)成對(duì)海底的強(qiáng)剪切作用，會(huì)導(dǎo)致沖刷的出現(xiàn);同時(shí)，海管的存在還改變了水流的運(yùn)動(dòng)方向，使之產(chǎn)生繞流和局部大比尺漩渦，更加速了海底的沖刷作用。海底管道下方附近的海床泥沙顆粒被逐漸侵蝕、淘空使管線懸空。如果懸空段過長，管線會(huì)在重力作用下斷裂;同時(shí)，由于管線后方尾渦的存在，以及波浪力的周期作用而發(fā)生振蕩，造成疲勞破壞;懸空著的管道也容易被漁網(wǎng)船錨等鉤住，進(jìn)而發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。海底管道一旦失事將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境災(zāi)難。

因此，波流的沖刷對(duì)海底管道的安全運(yùn)行帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)，有必要在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段對(duì)海管沖刷的可能性進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)沖刷剖面、深度進(jìn)行預(yù)估，進(jìn)而研究出可行的海底管道沖刷防護(hù)措施。

1.4 海床斷層

地震誘發(fā)導(dǎo)致海床移動(dòng)有水平移動(dòng)、上下移動(dòng)、水平＆上下移動(dòng)同時(shí)發(fā)生3 種形態(tài)。伴隨地震產(chǎn)生對(duì)海管運(yùn)營不利的因素包括:斷層、懸跨、滑移等突發(fā)災(zāi)害，直接或間接威脅海管運(yùn)營安全。

圖2 斷層運(yùn)動(dòng)形態(tài)示意圖［2］Fig.2 Schematic models of fault movement

地震會(huì)直接導(dǎo)致管線瞬間屈服破壞，其屈曲主要有梁式屈曲和殼式屈曲2 種。地震斷層對(duì)海底管道的影響可按埋設(shè)與未埋設(shè)2 種形式來分析，實(shí)際上，海底裸露管道經(jīng)常被淺埋，這時(shí)得到的應(yīng)力通常有些保守，但比較符合工程上的要求。這樣，地震時(shí)對(duì)處于地震斷層的海底管道應(yīng)力計(jì)算就可簡化為“埋設(shè)”一種形式。

1.5 海床土壤液化

土壤液化后果會(huì)帶來承載力的降低，導(dǎo)致海管上浮或下沉。海管的相對(duì)比重一般大于1，在液化土壤中一般會(huì)下沉，下沉后海管會(huì)產(chǎn)生新的變形，需要對(duì)海管進(jìn)行校核。土壤液化還會(huì)帶來軸向和側(cè)向摩擦力的喪失，土壤液化后，軸向摩擦的降低會(huì)導(dǎo)致海管端部膨脹量增大，立管及膨脹彎應(yīng)力分析應(yīng)確保能承受土壤液化后海管端部膨脹量。在有側(cè)向或隆起屈曲趨勢(shì)的海管部分，土壤液化的部分可能是誘發(fā)屈曲的一個(gè)因素。

2 海底管道路由選擇流程及接受標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)海管路由，一般按照如圖3 所示流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 海管路由設(shè)計(jì)流程Fig.3 Process of subsea pipeline route selection

由于海底管道所處環(huán)境條件的不確定性，需要考慮的設(shè)計(jì)因素較復(fù)雜，而前期對(duì)于管道路由規(guī)劃需要考慮的主要原則如下:

1)管道系統(tǒng)不宜靠近無關(guān)的構(gòu)筑物、其他管道系統(tǒng)、沉船、漂礫等;

2)必須跨越的海管、海纜，應(yīng)保持至少0.3 m的垂直距離;

3)為防止由落物、漁具、船舶、拋錨引起的不能接受的損傷，管道應(yīng)受到保護(hù)，可通過下列一種或聯(lián)合措施實(shí)現(xiàn)保護(hù):混凝土涂層;埋設(shè);覆蓋(如砂，石礫，墊子等);其他機(jī)械保護(hù)。

海底管道在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)盡量按照直線路由規(guī)劃，使距離最短，達(dá)到材料最省和建造施工費(fèi)用最少的目的，但在復(fù)雜地形條件下會(huì)在管道規(guī)劃的直線路由上存在障礙，需要改變直線路線，形成曲線路由，一般需要考慮如下因素:

1)最小水平彎曲半徑產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求;

2)使懸跨及跨越數(shù)量最少;

3)避免洼地和海底障礙物引起的過大懸跨及額外彎曲;

4)優(yōu)化管道懸跨設(shè)計(jì)及施工方法;

5)考慮管道路由地質(zhì)特證及其變化;

6)避免錨區(qū)(如存在);

7)避免可能的有害區(qū)域(如地震斷層)、麻區(qū)及水下障礙;

8)保證易于和安全地進(jìn)行海管安裝及近平臺(tái)回接安裝;

9)考慮第三方安裝結(jié)構(gòu)(如已存在管線及平臺(tái));

10)考慮安裝的可實(shí)施性，容易性和經(jīng)濟(jì)性;

11)考慮管道運(yùn)行階段的可操作性。

3 設(shè)計(jì)方法

3.1 海管路由初選

海管路由初選在不同階段有不同的定義，在前期可選性研究階段，由于未進(jìn)行詳細(xì)的路由調(diào)查，需要根據(jù)已有的資料，如相鄰海域的地質(zhì)情況和水深變化情況，根據(jù)最短距離的原則和已知障礙物的位置進(jìn)行初選，在該階段下得到的路線關(guān)鍵點(diǎn)在經(jīng)評(píng)審后可用于后續(xù)路由調(diào)查的調(diào)查區(qū)域的定義。

在路由調(diào)查完成后，一般得到路由調(diào)查區(qū)域內(nèi)的水深情況，物探和地質(zhì)條件情況，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，在工程設(shè)計(jì)階段的路由初選定義為規(guī)避已知的障礙得到的初步路由。

路由初選的結(jié)果是得到如下信息用于表征海管路線:

1)坐標(biāo)系統(tǒng)的定義(一般與路由調(diào)查報(bào)告一致);

具體而言，基于人的技術(shù)運(yùn)用由以下方面構(gòu)成。第一，個(gè)體的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)將形成職務(wù)犯罪調(diào)查中的決策技術(shù)。第二，個(gè)體的知識(shí)體系將形成傳統(tǒng)的調(diào)查技術(shù)，如調(diào)查謀略技術(shù)的形成與運(yùn)用。第三，個(gè)體的調(diào)查閱歷將會(huì)作為經(jīng)驗(yàn)而傳承，如調(diào)查措施中的細(xì)節(jié)問題，調(diào)查訊問中的心理分析等等。第四，個(gè)體本身、交際范圍與社會(huì)運(yùn)行將會(huì)促進(jìn)調(diào)查技術(shù)的社會(huì)化展開，如調(diào)查中的線人技術(shù)，就需要調(diào)查機(jī)關(guān)在布控線人時(shí)要兼顧線人的選建、線人的職業(yè)、性格、社會(huì)關(guān)系、背景，線人技術(shù)的前期社會(huì)效果以及線人制度的最終調(diào)查效果等因素。

2)起始點(diǎn)坐標(biāo);

3)終止點(diǎn)坐標(biāo);

4)拐點(diǎn)坐標(biāo)(如存在);

5)路由拐點(diǎn)處的路由彎曲半徑(如存在);

6)跨越點(diǎn)坐標(biāo)(如存在);

7)關(guān)鍵尺寸(如距已有結(jié)構(gòu)物的最小距離)。

3.2 基于三維數(shù)字化海床的海底管道路由建模

針對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)情況，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的三維海床建模，以在路由初選的情況下隨著工程設(shè)計(jì)的深入進(jìn)行管道路由的論證及優(yōu)化，確保管道路由設(shè)計(jì)的最優(yōu)化及施工量最優(yōu)。

工程界內(nèi)三維海床的建模需要依賴相應(yīng)的地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件，從目前經(jīng)驗(yàn)上可考慮的軟件包括:Fledermaus，Global Mapper 和ArcGIS。

采用這些三維軟件建立海床的目的是為了將實(shí)際的數(shù)據(jù)更加可視化地進(jìn)行顯示，并且通過不同軟件自帶的工具進(jìn)行相應(yīng)的顯示、分析和判斷功能，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)大量三維數(shù)據(jù)輔助路由設(shè)計(jì)的功能。

圖4 南海某項(xiàng)目三維數(shù)字海床示意圖Fig.4 3D topography of subsea in south china sea

圖5 南海某登陸管線水深截面圖Fig.5 Water depth of cross section graph of subsea landing pipeline in south china sea

3.3 最小彎曲半徑

如進(jìn)行曲線鋪設(shè)需要考慮管道在位后管道的彎曲應(yīng)力，據(jù)此確定最小彎曲半徑，彎曲引起的管道應(yīng)力:

因此考慮受力的最小彎曲半徑為:

式中:E 為鋼管的楊氏模量，一般碳鋼管取值2.07 GPa;D 為鋼管的名義外徑;SMYS 為鋼管的最小屈服強(qiáng)度;η 為安裝期彎曲應(yīng)力許用系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值為0.1，需要結(jié)合管道在位受力確定。

當(dāng)管道位于海床上時(shí)，需要考慮鋪設(shè)張力的影響，摩擦力應(yīng)足以克服兩端鋪管殘余張力，以免管道失穩(wěn)力平衡方程為:

因此考慮鋪設(shè)張力的最小彎曲半徑:

式中:Tbottom為海底鋪設(shè)后的管道底部殘余張力;μlat為管道與海床的側(cè)向摩擦系數(shù);Wsub為管道的水下重。

以上考慮鋪設(shè)張力的最小彎曲半徑實(shí)際應(yīng)考慮一定的安全余量。

3.4 海底管道在位強(qiáng)度分析及懸跨分析

海底管道位于海床上所受的荷載包括:溫度、內(nèi)部及外部壓力、管道路由彎曲應(yīng)力、鋪設(shè)剩余張力波浪、流等，根據(jù)路由調(diào)查方提供的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行相應(yīng)的海床不平整度分析，確定海管在各種工況下的受力和懸跨是否滿足規(guī)范要求，對(duì)于各種荷載的作用原理和規(guī)范準(zhǔn)則，需要參考項(xiàng)目的設(shè)計(jì)主標(biāo) 準(zhǔn) (如 DNV － OS － F101［3］，ASME 31.4/31.8［4－5］等)，可通過商業(yè)軟件，模擬管道位于海床的受力狀態(tài)及懸跨狀態(tài)，比對(duì)許用懸跨長度和許用應(yīng)力，可直觀地得到所需要處理的懸跨數(shù)量，據(jù)此結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的懸跨處理方案編制。

3.5 海床預(yù)/后處理技術(shù)

根據(jù)前述設(shè)計(jì)技術(shù)完成了海管路由確認(rèn)后，如從工程上已達(dá)到了最優(yōu)和最經(jīng)濟(jì)的情況下仍無法避免海管路由上的海床處理，則需要考慮相應(yīng)的預(yù)/后處理技術(shù)。

海床預(yù)處理技術(shù)一般包括:

1)預(yù)挖溝;

2)預(yù)鋪支撐物(如支撐沙袋、水泥墊塊、機(jī)械支撐結(jié)構(gòu));

3)填充支撐物(如預(yù)拋石);

4)機(jī)械切割海床(如硬質(zhì)海床);

5)炸礁。

海床后處理技術(shù)一般包括:

1)后挖溝;

2)后加支撐物(如支撐沙袋、灌漿水泥袋、機(jī)械支撐結(jié)構(gòu));

3)填充支撐物(如后拋石)。

對(duì)于海床預(yù)/后處理應(yīng)根據(jù)實(shí)際海管路由設(shè)計(jì)過程中的具體情況選取適合的技術(shù)方案，確保方案可行，安裝簡易和費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié) 語

本文從對(duì)海底管道路由選擇面臨的不同地質(zhì)海床特征出發(fā)，分別描述了海床土壤參數(shù)界定特征、不平整度的形成、沖刷分析方法、斷層成因及形態(tài)和土壤液化校對(duì)方法等五方面，接著提出了海底管道路由選擇的設(shè)計(jì)流程和接受標(biāo)準(zhǔn)，最終結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)提出了海底管道路由選擇的設(shè)計(jì)方法，其方法具有通用性。隨著“數(shù)字地球”概念的提出和相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過與地理信息系統(tǒng)理論和海洋地質(zhì)、海洋地球物理等相關(guān)學(xué)科的融合，“數(shù)字海床”的相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用獲得了突出進(jìn)步，復(fù)雜地質(zhì)條件下海管路由選擇技術(shù)亦將獲得新的發(fā)展。本文對(duì)我國開發(fā)南海深水油氣資源和拓展海外復(fù)雜地質(zhì)條件下的海管設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供重要的技術(shù)支持，增加國家在該方面的技術(shù)競爭力和影響力。

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