湯乾宇，陳大江，周聲結(jié)，劉立輝，馬東山

中海石油（中國）有限公司湛江分公司工程建設(shè)中心，廣東湛江 524057

海底軟管跨越已建管道技術(shù)及工程應(yīng)用

湯乾宇，陳大江，周聲結(jié)，劉立輝，馬東山

中海石油（中國）有限公司湛江分公司工程建設(shè)中心，廣東湛江 524057

在我國渤海油田、南海潿洲油田等管網(wǎng)較密集地區(qū)，新建管道跨越已建海底管道或海底電纜的跨越點(diǎn)通常采用在已建管道上鋪設(shè)混凝土壓塊的方式進(jìn)行處理，但隨著作業(yè)水深的增加，這種處理方式的難度、時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)成倍地增加。從常規(guī)海底管道跨越點(diǎn)處理方法、軟管特性及跨越點(diǎn)處理、跨越計(jì)算等方面，較詳細(xì)介紹了一種海底軟管跨越已建管道的新型跨越點(diǎn)處理方法，即使用注漿氣囊作為跨越點(diǎn)支撐的方法，并以南海某項(xiàng)目為例，對(duì)軟管跨越的安全性進(jìn)行全面的校核。該方法已在我國南海某氣田成功應(yīng)用，將常規(guī)需7～10 d的跨越處理作業(yè)時(shí)間縮短到24 h以內(nèi)。

海底軟管；跨越處理；注漿氣囊；跨越計(jì)算

十二五期間，我國海洋石油事業(yè)有了蓬勃的發(fā)展，在我國的渤海、東海、南海已建成數(shù)十條管徑不同的海底管道，并且每年都會(huì)有數(shù)條新管道增加。隨著海洋石油201、海洋石油289、海洋石油286等3 000 m級(jí)深水鋪管船的下水使用，我國已具備自主深水鋪管作業(yè)能力。但是由于油氣田存在的海底管道或海底電纜越來越密集，新鋪設(shè)海底管道時(shí)，在其設(shè)計(jì)路由上會(huì)遇到已有的海底管道或海底電纜，DNVOS-F101規(guī)范要求在跨越點(diǎn)處應(yīng)安裝支撐結(jié)構(gòu)。

在以往的工程實(shí)際中，往往采取提前在已建管道上鋪設(shè)混凝土壓塊的方式來進(jìn)行新管道的跨越處理，但隨著作業(yè)水深的增加，跨越點(diǎn)處理的難度、所需時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)將成倍地增加。本文詳細(xì)介紹了一種海底柔性管道跨越已建管道的跨越點(diǎn)處理方法，并以南海某項(xiàng)目為例，對(duì)管道跨越的安全性進(jìn)行全面的計(jì)算校核。該方法已在我國南海某氣田成功應(yīng)用，將常規(guī)需7～10 d的跨越處理作業(yè)時(shí)間縮短到24 h以內(nèi)。

1 常規(guī)海底管道跨越點(diǎn)處理方法

在以往的工程實(shí)際中，應(yīng)用較為廣泛的跨越點(diǎn)處理方法是使用混凝土壓塊，即按照設(shè)計(jì)路由的管道跨越點(diǎn)位置，在已建的管道上方堆放混凝土壓塊，使其頂部與兩邊的海床形成連續(xù)的過渡緩坡[1]。每片混凝土壓塊是用尼龍繩將30 cm×30 cm的小混凝土塊連接成片而制成的，總長約3 m，寬2 m，質(zhì)量約2～3 t。安裝時(shí)使用預(yù)制的吊裝框架吊裝下水就位，再由潛水員或ROV（Remote Operated Vehicle）在水下解鉤，每次吊裝1～3片，見圖1。新建管道則鋪設(shè)在混凝土壓塊上跨越已建管道。

圖1 混凝土壓塊與吊裝框架

由于新建管道鋪設(shè)的實(shí)際路由不可避免地會(huì)與設(shè)計(jì)路由存在一定誤差，因此在使用混凝土壓塊進(jìn)行跨越點(diǎn)處理時(shí)，所需要覆蓋的已建管道和海床面積就要考慮實(shí)際安裝時(shí)產(chǎn)生的誤差，另外，還要再根據(jù)水深確定放大系數(shù)。而且隨著水深的增加，吊裝就位的精度也會(huì)下降，調(diào)整就位的難度也將逐漸增大，這就會(huì)大幅增加管道跨越點(diǎn)處理所需的作業(yè)時(shí)間，增加了施工成本；同時(shí)也給原有在役輸油/氣管道、海底電纜帶來極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 軟管特性及跨越點(diǎn)處理

主要介紹軟管與傳統(tǒng)鋼管在結(jié)構(gòu)特性上的區(qū)別，總結(jié)軟管跨越已建管道的新跨越方式的可行性，并詳述了采用注漿氣囊作為軟管跨越支撐的方法。

2.1 軟管與傳統(tǒng)鋼管的區(qū)別

海底軟管一般為非粘結(jié)軟管，由螺旋纏繞的金屬層、擠塑的聚合物層和纏繞的聚合物層經(jīng)物理結(jié)合而構(gòu)成。骨架層是軟管的最內(nèi)層，是由可產(chǎn)生塑性變形的金屬帶制成的互鎖結(jié)構(gòu)，故其彎曲剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼管。其最小彎曲半徑一般為3～5 m，這樣其在鋪設(shè)作業(yè)時(shí)就具有了更高的靈活性，即使鋪設(shè)時(shí)偏離了設(shè)計(jì)路由，也可通過移船回收來調(diào)整鋪設(shè)軌跡。

在進(jìn)行軟管鋪設(shè)作業(yè)時(shí)，軟管的懸鏈線較短，軟管的著泥點(diǎn)與船尾的距離較近，這樣就更方便潛水員或ROV對(duì)著泥點(diǎn)的觀察和作業(yè)。

2.2 采用注漿氣囊作為軟管跨越支撐

基于軟管上述特性，采用了一種簡單有效的軟管新式跨越處理方式，以此減少跨越施工所需要的時(shí)間。

選擇橡膠氣囊替代混凝土壓塊作為軟管跨越已建管道的支撐結(jié)構(gòu)，將氣囊進(jìn)行抽真空預(yù)處理，在鋪設(shè)時(shí)安裝在軟管管體上指定的位置。當(dāng)完成軟管跨越鋪設(shè)后，向氣囊內(nèi)注入水泥漿頂起軟管，注漿時(shí)通過潛水員或ROV觀察注漿狀態(tài)。當(dāng)新鋪設(shè)的軟管被抬升至一定高度（一般做法為與已建管道保持至少30 cm的間隙）后停止注漿，見圖2，注漿完成后關(guān)閉注漿管道閥門并拆除及回收注漿管道。

圖2 軟管跨越氣囊支撐示意

2.3 氣囊定位及安裝方法

2.3.1 氣囊的定位方法

由于注漿氣囊不是預(yù)先放置在已建管道的跨越點(diǎn)位置，而是預(yù)先安裝在軟管上，而后隨著軟管一起下水鋪設(shè)在已建管道的跨越點(diǎn)的，因此在軟管的鋪設(shè)過程中，在何時(shí)、在軟管的何處安裝氣囊是施工作業(yè)中要考慮的重要問題。應(yīng)盡量避免氣囊安裝位置錯(cuò)誤，導(dǎo)致回收軟管、重復(fù)調(diào)整氣囊位置的麻煩。

首先應(yīng)根據(jù)鋪設(shè)分析報(bào)告，了解作業(yè)水深、軟管懸鏈線長度、軟管著泥點(diǎn)與軟管入水點(diǎn)的距離。當(dāng)軟管鋪設(shè)至跨越點(diǎn)附近時(shí)，通過潛水員或ROV來觀察、確定軟管著泥點(diǎn)與跨越點(diǎn)的水平距離L，也可以把USBL（超短基線定位系統(tǒng)）信標(biāo)綁扎在軟管管體上來進(jìn)行輔助定位。然后根據(jù)軟管懸鏈線的長度，從軟管著泥點(diǎn)開始在軟管管體上量取長度L進(jìn)行標(biāo)記。最后根據(jù)跨越間距分析（3.2.2節(jié)）得出的氣囊間距Y，在標(biāo)記前后的各Y/2處安裝氣囊。

在實(shí)際施工中，由于船舶升沉造成軟管懸鏈線變化以及定位系統(tǒng)的定位精度有限，會(huì)造成約0～2 m的誤差，現(xiàn)場(chǎng)可以通過橫向移船來調(diào)整氣囊與已建管道的相對(duì)位置，保證已建管道處于兩氣囊之間。

2.3.2 氣囊的安裝方法

可使用綁扎帶將已抽真空的氣囊與軟管管體綁扎在一起并對(duì)稱折疊，見圖3～4，以此減小受力面積，并使其在注漿時(shí)能自由打開。氣囊應(yīng)通過硫化預(yù)埋固定點(diǎn)，以方便安裝。綁扎時(shí)應(yīng)從多角度進(jìn)行捆綁，防止氣囊在水流的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)。

圖3 綁扎帶

圖4 氣囊安裝示意

氣囊安裝固定完成后再連接灌漿管道，在氣囊接口處安裝一個(gè)適合潛水員或ROV操作的關(guān)斷閥門，閥門的把手應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，防止因波浪的拍擊造成閥門失效。在氣囊下放過程中，灌漿管道也應(yīng)綁扎固定在軟管管體上，防止因灌漿管道過長而打結(jié)纏繞。

注漿時(shí)，安排潛水員或ROV觀察軟管抬升高度以及氣囊沉降量，隨時(shí)控制注漿量。注漿完成關(guān)閉注漿閥門，回收注漿管道。

3 跨越計(jì)算分析

以我國南海某氣田12 in（1 in=25.4 mm）管徑的海底軟管的鋪設(shè)為例，從軟管的懸跨、氣囊的沉降量、注漿壓力以及渦激振動(dòng)等多方面進(jìn)行計(jì)算分析，確保此軟管跨越點(diǎn)處理方法的安全性。

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

表1～3分別給出計(jì)算分析所使用的軟管結(jié)構(gòu)參數(shù)、風(fēng)波流參數(shù)以及表層土壤參數(shù)。

表1 軟管結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 風(fēng)波流參數(shù)

表3 表層土壤參數(shù)

3.2 軟管懸跨分析

3.2.1 跨越高度分析

根據(jù)以往工程實(shí)際做法以及海底管道有關(guān)規(guī)范，新鋪設(shè)管道應(yīng)與已建管道或電纜保持間距h0至少為30 cm。由于需跨越的已建管道外徑D0為406 mm，因此氣囊需要將軟管頂起的高度為：

式中：α0為安全系數(shù)，取1.4。

3.2.2 氣囊間距計(jì)算

將頂起的軟管簡化為懸臂梁，懸臂梁撓度公式為：

式中：Wb為豎向撓度，m，取值1.0；q為均布載荷即軟管單位長度自重，N/m，取值1 700；L2為注漿氣囊中心與海底管道觸泥點(diǎn)的水平距離，m；EI為彎曲剛度，N·m2，取313 630。

計(jì)算得到L2=6.2 m。

同時(shí)利用ANSYS軟件，對(duì)軟管的懸空段進(jìn)行分析，得到兩氣囊間軟管撓度和軟管所受的最大彎矩值。根據(jù)默認(rèn)密度進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，其結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖5。

圖5 軟管跨越的ANSY S模型

計(jì)算當(dāng)頂起軟管的高度H為1 m時(shí)，在不同情況下軟管所受的彎矩以及L1段的最大撓度。計(jì)算結(jié)果見表4、圖6～9。其中中點(diǎn)位移為ANSYS直接反饋的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)坐標(biāo)系，設(shè)定同時(shí)減1 m后即為中點(diǎn)撓度。

表4 撓度、彎矩計(jì)算結(jié)果

3.3 氣囊沉降分析

氣囊的沉降量按照APIRP 2A WSD 6.13中淺基礎(chǔ)的穩(wěn)定性所給出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[2]。

式中：Q為基礎(chǔ)破壞時(shí)的最大豎向載荷，kN；c為土的不排水抗剪強(qiáng)度，kPa；A為實(shí)際基礎(chǔ)面積，m2。

氣囊的總載荷Q包括管體重力、氣囊重力以及水泥漿的重力，計(jì)算得到：

接觸面積A=2×6×2=24（m2），計(jì)算得到c=5.09（kPa）。

圖6 工況1海底管道撓度計(jì)算結(jié)果/m

圖7 工況3海底管道彎矩計(jì)算結(jié)果/（N·m）

圖8 工況4海底管道撓度計(jì)算結(jié)果/m

圖9 工況4海底管道彎矩計(jì)算結(jié)果/（N·m）

由表3的土質(zhì)資料可知，該地區(qū)0.7 m深處土的不排水抗剪強(qiáng)度為3 kPa，故可估算出氣囊沉降約為1 m。

3.4 注漿壓力分析

本節(jié)主要根據(jù)氣囊所頂起的軟管重力以及克服的靜水壓力計(jì)算出注漿所需要的壓力，從而指導(dǎo)橡膠氣囊的選型以及注漿管道壓力等級(jí)的選擇。

3.4.1 靜水壓力P1

式中：ρ為海水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2，取9.8；h為水深，m。

本項(xiàng)目ρ取1 025 kg/m3，水深h取70 m，計(jì)算得到P1=0.703 15（MPa）。

3.4.2 軟管管體壓力P2

式中：α為水中單位長度軟管管體質(zhì)量，kg/m；L為頂起軟管長度，m，L=L1+2L2；S為氣囊與軟管接觸面積，m2。

本項(xiàng)目α取68.45 kg/m，L=L1+2L2=5+2× 7=19（m），S=0.2×0.2=0.04（m2），則計(jì)算得到P2=0.318 6（MPa），注漿總壓力P=P1+P2= 1.022（MPa）。

故選擇抗爆破壓力為2 MPa的注漿氣囊以及注漿管道即可滿足使用要求。

3.5 渦激振動(dòng)分析

為了避免諧振的出現(xiàn)，通過渦激振動(dòng)（VIV）計(jì)算比較渦流的頻率和管道的自振頻率，以此確定管道自由懸跨允許的最大長度。如果軟管鋪設(shè)后進(jìn)行埋設(shè)，則不用考慮操作期的自由懸跨，除非軟管基礎(chǔ)由于某種原因有被淘空的可能[3]。

本節(jié)計(jì)算以DNV-RP-F105“Free Spanning Pipeline”[4]為基礎(chǔ)，采用《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南第五冊(cè)海底管道設(shè)計(jì)》中給出的簡化公式來計(jì)算臨界自由懸跨長度：

式中：Lcr為臨界自由懸跨長度，m；D為管道外直徑，mm；Vr為折算流速，m/s，由圖10中Ks對(duì)應(yīng)的數(shù)值取得；Ks為穩(wěn)定系數(shù)，無量綱；v為百年一遇底層流速，m/s；δT為結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比；C為邊界條件系數(shù)，無量綱，簡支取9.86；Me為單位管長的有效質(zhì)量，kg/m。

本項(xiàng)目D取406.1 mm，v取112.6 m/s，Me取68.45 kg/m，δT按DNV-RP-C205柔性管建議取0.04，Vr取0.75 m/s，則計(jì)算得到Lcr=6.2（m）。

圖10 DNV-1981海底管道系統(tǒng)規(guī)范附錄A圖A.3[5]

4 結(jié)論

根據(jù)軟管剛度小、質(zhì)量小等特性，采用注漿氣囊代替混凝土壓塊作為跨越支撐結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)受惡劣天氣影響較小，可大大縮短施工時(shí)間，降低施工成本。此方法已在我國南?！皷|方1-1氣田一期調(diào)整開發(fā)工程項(xiàng)目”海底管道鋪設(shè)中成功應(yīng)用，在此項(xiàng)目的兩個(gè)跨越點(diǎn)處理中，施工用時(shí)均小于24 h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)方式5～7 d的施工時(shí)間。證明了本文所述方式在理論上和技術(shù)上是可行的，而且此方法可根據(jù)管徑、管單位長度質(zhì)量、剛度、跨越距離、水深的不同，采用跨越分析、渦激振動(dòng)（VIV）分析、注漿壓力分析等選擇氣囊與注漿系統(tǒng)，以適應(yīng)各種各樣的工況[6]。

[1]易滌非，鄧欣，唐少華.一種新型海底管線跨越保護(hù)裝置[J].廣東造船，2014（5）：74-76.

[2]API-RP-2A，Recommend Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design（twenty-first edition，December 2000）[S].

[3]《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程設(shè)計(jì)指南第五冊(cè)海底管道設(shè)計(jì)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007：172.

[4]DNV-RP-F105，F(xiàn)ree Spanning Pipeline（February 2006）[S].

[5]DNV-1981，Rules for Submarine Pipeline Systems[S].

[6]易滌非，李挺前，尹彥坤.國產(chǎn)復(fù)合軟管在潿洲6-1油田復(fù)產(chǎn)項(xiàng)目中的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2012，38（2）：12-15.

Technique and Engineering Application of Submarine Flexible Pipeline Overcrossing Existing Pipeline

TANG Qianyu，CHEN Dajiang，ZHOU Shengjie，LIU Lihui，MADongshan
Engineering&Construction Center of CNOOC Zhanjiang Company，Zhanjiang 524057，China

In the regions having denser pipeline network such as Bohai Oilfield in Bohai Sea and Weizhou Oilfield in South China Sea，when a new submarine pipeline or cable crosses over the existing pipeline，the usual treatment method is to lay concrete weights on the existing pipeline at the crossing place.With the operation water depth getting deeper，this treatment method becomes more difficult and increases construction time period and cost.Based on the illustration of conventional pipeline overcrossing a existing pipeline in aspects of crossing place treatment，flexible pipeline features and crossing calculation，a new kind of overcrossing method is introduced in detail，that is to apply the grouting air bag as the support.The crossing safety is wholly checked by taking a practicalproject in South China Sea for example.This method has been successfully applied in a gas field in South China Sea，which has shortened the construction time period to 24 h compared with 7～10 d by conventionaltreatment method.

submarine flexible pipeline；overcrossing treatment；grouting air bag；overcrossing calculation

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.006

湯乾宇（1989-），男，天津人，助理工程師，2012年畢業(yè)于天津大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事海洋石油工程建設(shè)項(xiàng)目管理工作。Email:tangqy1@cnooc.com.cn

2016-06-25