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(1.中海油能源發(fā)展湛江采油服務(wù)文昌分公司，廣東 湛江 5240572.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

基于跨越保護(hù)架的海管交叉跨越技術(shù)

汪建明1,周聲結(jié)2,李天斌2,金德獻(xiàn)1

(1.中海油能源發(fā)展湛江采油服務(wù)文昌分公司，廣東 湛江 5240572.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

設(shè)計(jì)一種用于新鋪海底管道與現(xiàn)有海底管道發(fā)生交叉時(shí)的海管交叉跨越保護(hù)架，保護(hù)架采用截面形狀為Ω形的鋼制結(jié)構(gòu)，根據(jù)海底土壤的承載力和抵抗海流和漁網(wǎng)的在位穩(wěn)定性要求，保護(hù)架兩側(cè)設(shè)置防沉板。該海管交叉跨越保護(hù)架在LBL水下定位系統(tǒng)和ROV協(xié)助下可實(shí)現(xiàn)一次性吊裝安放，與常規(guī)海底管道跨越處理方法相比具有安全、高效的優(yōu)點(diǎn)，可推廣應(yīng)用于深水開發(fā)工程中。

海管跨越；保護(hù)架；水下定位技術(shù)；深水開發(fā)

隨著海洋油氣田進(jìn)一步開發(fā)，海上石油平臺(tái)越來越多，隨之而來的是海底管道縱橫交錯(cuò)。2條海管交叉跨越時(shí)新鋪海管會(huì)對(duì)原有海管產(chǎn)生額外壓力，同時(shí)新鋪海管也會(huì)發(fā)生懸跨，海管在懸跨段很容易發(fā)生彎曲變形[1-2]，這給海上油氣輸送管道帶來了極大的安全隱患，為了保障海洋油氣輸送管道的安全運(yùn)行[3]，根據(jù)規(guī)范要求[4]，新鋪設(shè)的海底管道與原有海底管道發(fā)生交叉跨越時(shí)需要對(duì)原有管道進(jìn)行保護(hù)處理。崖城13-4氣田開發(fā)工程項(xiàng)目中新鋪設(shè)的一條直徑8 in、總長22.5 km的復(fù)合海底管道將與崖城13-1氣田至南山終端的海底管道產(chǎn)生一個(gè)交叉點(diǎn)。為了保護(hù)崖城13-1氣田的海底管道，針對(duì)常規(guī)海底管道跨越處理方法存在的施工風(fēng)險(xiǎn)高、施工工作量大等缺陷[5]，設(shè)計(jì)新型海底管道跨越保護(hù)架。

1 常規(guī)海管交叉跨越處理方法

目前，常規(guī)海底管道跨越處理方法是沿著原有管道軸線方向在其上方鋪放混凝土壓塊或安放混凝土支墩，在混凝土壓塊或支墩2側(cè)填充沙袋，以使混凝土支墩頂部與海床之間形成緩坡過度?；A(chǔ)處理完畢后，在其上方鋪設(shè)新管道，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)原有管道的保護(hù)。見圖1[6-7]。

圖1 常規(guī)海管跨越處理方法示意

常規(guī)海底管道跨越處理方法存在許多問題，譬如，由于混凝土壓塊的重力會(huì)通過土壤傳遞到原有管道上，特別是對(duì)于裸露的管道，混凝土壓塊的重力會(huì)直接作用在管道上，對(duì)原管道造成風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于不停產(chǎn)施工的油氣田，施工控制不當(dāng)還將會(huì)引起管道泄漏或爆炸等嚴(yán)重后果[8]。

同時(shí)，由于新鋪管道的實(shí)際路由與設(shè)計(jì)路由存在一定的偏差，使得實(shí)際跨越點(diǎn)不確定，然而跨越點(diǎn)的基礎(chǔ)處理必須在新鋪管道鋪設(shè)開始前完成，為了確保新鋪管道落在已經(jīng)處理好的基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)處理的范圍必須擴(kuò)大。尤其在深水海管鋪設(shè)時(shí)新鋪管道的路由偏差更大，基礎(chǔ)處理的范圍也更大。另外，由于海底土壤性質(zhì)并不完全一致，可能會(huì)出現(xiàn)單個(gè)水泥支墩的沉降量的情況，將造成新鋪設(shè)管道懸跨等技術(shù)問題。

此外，采用常規(guī)方法進(jìn)行海底管道交叉跨越處理保護(hù)時(shí)由于每塊混凝土壓塊或支墩都需要單獨(dú)吊裝，從而導(dǎo)致水泥墊墩較多，預(yù)制、運(yùn)輸量大，水下墊墩就位次數(shù)多，就位難度大，增加海上工作量及施工風(fēng)險(xiǎn)，使得海上作業(yè)成本高[9]。

2 海管交叉跨越保護(hù)架

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

新設(shè)計(jì)和研制的左右對(duì)稱的全新鋼結(jié)構(gòu)，新型海底管道交叉跨越保護(hù)架的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 海管跨越保護(hù)架結(jié)構(gòu)示意

2根頂部圓管位于原有管道的正上方左右2側(cè)，與新鋪海管接觸位置包裹一層橡膠墊。頂部通過頂部支撐相連，頂部支撐為圓管構(gòu)件。2根底部內(nèi)側(cè)圓管分別位于2根頂部圓管的斜下方，并分別通過斜坡支撐相連，斜坡坡度以20°～ 30°為宜，斜坡支撐為圓管構(gòu)件。底部外側(cè)圓管與新鋪管道接觸區(qū)域包裹一層橡膠墊。底部外側(cè)圓管與底部內(nèi)側(cè)圓管的底面標(biāo)高齊平，通過底部支撐相連。底部支撐為工字鋼，在其底部設(shè)置防沉板。防沉板寬度由計(jì)算確定，以滿足防沉要求，同時(shí)保證新鋪管道自然下垂落在底部外側(cè)圓管之上，其寬度一般不小于1.5 m。頂部圓管上方安裝限位扣，其位置由新鋪管道的實(shí)際位置確定，故限位扣為后安裝。為滿足后安裝的要求，限位扣通過管卡固定。頂部圓管、底部內(nèi)側(cè)圓管和底部外側(cè)圓管兩端均設(shè)置封板。

2.2 結(jié)構(gòu)校核

為了保證海底管道交叉跨越保護(hù)裝置滿足安裝、使用要求，參照《Recommended Practices of Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design 》 (API RP 2A)，根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查得到的土壤參數(shù)、跨越保護(hù)裝置在位工況下所受的波流力數(shù)據(jù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與強(qiáng)度校核，主要有土壤承載力計(jì)算、土壤抗滑移計(jì)算、整體強(qiáng)度校核等[10-11]。

2.2.1 土壤承載力校核

根據(jù)API RP 2A規(guī)范，基礎(chǔ)所能承受的豎向最大總載荷為

Q=(cNcKc+γD)A′

(1)

式中：Q為基礎(chǔ)破壞時(shí)的最大豎向載荷，kN；c為土壤剪切強(qiáng)度，kPa；Nc為無因次常數(shù),摩擦角度φ=0°時(shí)Nc=5.14；γ為土壤容重，kN/m3；

D為基礎(chǔ)埋深，m;A′為基礎(chǔ)有效面積，m2；Kc為修正系數(shù)。

對(duì)于給定的破壞模式承載破壞安全系數(shù)FOSb=2.0，經(jīng)計(jì)算，實(shí)際土壤承載力安全系數(shù)fs=6.68>FOSb，滿足規(guī)范要求。

2.2.2 土壤滑移能力校核

抗滑移穩(wěn)定性，根據(jù)公式

H=cA

(2)

式中：H為水平破壞載荷，kN；c為土壤抗剪切強(qiáng)度，kPa；A為基礎(chǔ)有效面積，m2。

對(duì)于給定的破壞模式滑動(dòng)破壞安全系數(shù)FOSs=1.5，經(jīng)計(jì)算，實(shí)際水平方向抗滑移安全系數(shù)fs′=2.79>FOSs，滿足規(guī)范要求。

2.2.3 整體強(qiáng)度校核

對(duì)跨越保護(hù)架的吊裝工況和在位時(shí)受波流沖擊工況依據(jù)DNV OS F101規(guī)范，選用海洋工程設(shè)計(jì)通用軟件SACS校核結(jié)構(gòu)桿件強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果顯示所有桿件UC(unity check)最大值為0.68<1.0，滿足強(qiáng)度要求。

3 海上施工技術(shù)

利用海管跨越保護(hù)架進(jìn)行海管跨越處理海上施工主要包括以下內(nèi)容。

1)海管跨越保護(hù)架在交叉跨越點(diǎn)的海上安裝。

2)采用精確水下定位系統(tǒng)引導(dǎo)新鋪海底管道準(zhǔn)確通過新型海底管道跨越保護(hù)架。

3.1 海管跨越保護(hù)架的海上安裝

為了保證海管跨越保護(hù)架在設(shè)計(jì)交叉點(diǎn)上的精確就位，采用長基線(long base line，LBL)高精度水下定位技術(shù)以確保海管跨越保護(hù)架和定位錨的精確就位。LBL定位系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)航控制單元、海底基陣、問答傳感器和應(yīng)答器等。導(dǎo)航控制單元控制信號(hào)的傳輸并實(shí)時(shí)對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理，海底基陣需預(yù)先布置在海底，是坐標(biāo)推算的基點(diǎn)，問答傳感器發(fā)送控制單元的命令并接收信息的反饋，應(yīng)答器對(duì)問答傳感器發(fā)送的命令作出響應(yīng)[12]。

海管跨越保護(hù)架具體海上施工作業(yè)流程如下。

1)LBL水下定位系統(tǒng)信標(biāo)布陣。將水下定位系統(tǒng)LBL信標(biāo)陣列布設(shè)在海底管道交叉處設(shè)計(jì)位置周圍。如圖3所示，崖城13-4氣田開發(fā)工程項(xiàng)目在海底管道交叉位置周圍布設(shè)5個(gè)LBL信標(biāo)，并確定每個(gè)智能信標(biāo)能正常工作，對(duì)LBL水下定位系統(tǒng)調(diào)試、校準(zhǔn)。

圖3 崖城13-4氣田開發(fā)工程項(xiàng)目海管交叉處信標(biāo)布陣示意

2)工程船拋錨并對(duì)錨位進(jìn)行監(jiān)控。由拋錨定位系統(tǒng)的引導(dǎo)下將定位錨準(zhǔn)確布設(shè)在交叉點(diǎn)周圍，由水下機(jī)器人(ROV)將LBL信標(biāo)安裝在原海底管道2側(cè)、離海底管道最近4個(gè)錨上，通過LBL水下定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錨的準(zhǔn)確位置，防止因走錨而損壞原有海底管道。

3)海管跨越保護(hù)架的水下安裝。如圖4所示，在海管跨越保護(hù)架下水前須在其2端對(duì)稱位置安裝2個(gè)LBL信標(biāo)，吊裝過程中比較2個(gè)信標(biāo)的位置可以檢測(cè)保護(hù)架跟蹤位置的準(zhǔn)確性，并確保保護(hù)架的艏向與原有海底管道方向一致。通過LBL水下定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海管跨越保護(hù)架是否與設(shè)計(jì)位置偏離，當(dāng)海管跨越保護(hù)架下放至距離海底上方3 m時(shí)，對(duì)海管跨越保護(hù)架方向和位置進(jìn)行仔細(xì)檢查，并由ROV對(duì)其進(jìn)行微調(diào)，緩慢下放，確保海管跨越保護(hù)架準(zhǔn)確安放在設(shè)計(jì)位置。

圖4 LBL信標(biāo)在海管跨越保護(hù)架上的安裝位置

3.2 利用水下定位系統(tǒng)引導(dǎo)新鋪海管通過海管跨越保護(hù)架

海管跨越保護(hù)架解決了新鋪海底管道與原有海底管道產(chǎn)生的交叉跨越難題，且在鋪管作業(yè)開始前已完成海管跨越保護(hù)架的安裝。當(dāng)海底管道鋪設(shè)至跨越交叉點(diǎn)時(shí)，操作ROV使其位于海底管道著泥點(diǎn)以監(jiān)測(cè)管道跨越就位情況，保證復(fù)合海底管道鋪設(shè)作業(yè)順利經(jīng)過海底管道跨越保護(hù)裝置中心位置，準(zhǔn)確跨越交叉點(diǎn)。鋪管船在交叉跨越點(diǎn)鋪設(shè)海底管道時(shí)的施工流程如下。

1)調(diào)查新鋪設(shè)管道位置。由于海底管道的實(shí)際路由與設(shè)計(jì)路由總是存在一定的誤差，為了確保新鋪管道安全就位于交叉處的海底管道保護(hù)架，當(dāng)管道離交叉點(diǎn)2 km時(shí)，ROV將攜帶LBL信標(biāo)沿著新鋪管道著泥點(diǎn)向管道起始點(diǎn)方向，調(diào)查一段長500 m的管道實(shí)際位置，然后與設(shè)計(jì)路由進(jìn)行對(duì)比并制定調(diào)整方案。

2)原有交叉跨越點(diǎn)位置LBL基陣和保護(hù)架檢查。LBL支持船對(duì)已有的海管交叉跨越位置LBL陣列進(jìn)行檢查，確?；囆艠?biāo)沒有移動(dòng)且工作正常，同時(shí)檢查海管跨越保護(hù)架2個(gè)信標(biāo)的定位位置。通過2信標(biāo)位置與安裝時(shí)的位置進(jìn)行比較，以確保整個(gè)LBL系統(tǒng)處于精確測(cè)量狀態(tài)。

3)新鋪設(shè)管線跨越交叉點(diǎn)。在鋪管船至海底管道交叉點(diǎn)約600 m處時(shí)，在新鋪海管上安裝1個(gè)LBL信標(biāo)(編號(hào)1#)，當(dāng)該LBL信標(biāo)穩(wěn)定在著泥點(diǎn)后，ROV下水剪斷固定信標(biāo)的纜繩使LBL信標(biāo)浮起，然后與周圍的LBL信標(biāo)陣列進(jìn)行相互通信，確保LBL陣列處在正常工作狀態(tài)，同時(shí)測(cè)量1#LBL信標(biāo)以獲得準(zhǔn)確的位置，并與管線設(shè)計(jì)路由進(jìn)行比較。

管線繼續(xù)向交叉點(diǎn)鋪設(shè)，ROV攜帶LBL信標(biāo)監(jiān)控海管鋪設(shè)，并獲得準(zhǔn)確的已鋪管線位置，然后根據(jù)已鋪管線實(shí)測(cè)位置，推算管線壓到保護(hù)架的位置。如果推算的位置在保護(hù)架的安全范圍內(nèi)，則管線鋪設(shè)按照原有的設(shè)計(jì)路由和方向進(jìn)行鋪設(shè)；如果計(jì)算出的位置不在保護(hù)架的安全范圍內(nèi)，則需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

當(dāng)鋪管船至交叉點(diǎn)大約200 m處時(shí)，再在新鋪海管上安裝1個(gè)LBL信標(biāo)(編號(hào)2#)，海管鋪設(shè)過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控該2#LBL信標(biāo)位置，確保新鋪管線準(zhǔn)確、安全安裝在保護(hù)架上，從而確保已有管線的安全。同時(shí)ROV下水對(duì)海管著泥狀態(tài)、海管壓過海管跨越保護(hù)架的狀態(tài)進(jìn)行全程監(jiān)控和錄像。

4)新鋪管線過交叉處作業(yè)結(jié)束。當(dāng)海管交叉點(diǎn)上新鋪設(shè)與原有海管的狀態(tài)得到確認(rèn)后，ROV下水鎖定設(shè)置于海管跨越保護(hù)架頂部的限位扣，實(shí)現(xiàn)對(duì)新鋪海管的限位。采用LBL信標(biāo)釋放系統(tǒng)自動(dòng)回收信標(biāo)。至此，新鋪管線通過海底管線交叉跨越保護(hù)裝置的作業(yè)結(jié)束。

4 結(jié)論

1)海管跨越保護(hù)架可實(shí)現(xiàn)一次吊裝安放，采用LBL水下定位系統(tǒng)準(zhǔn)確定位安裝， ROV解鉤，從而減少了水下作業(yè)工作量，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也有效降低了作業(yè)成本；

2)該海管跨越保護(hù)架與原有管道之間不直接接觸，因此，該裝置和新鋪管道的重力不會(huì)傳遞到原有管道上，使原有管道得到最大程度的保護(hù)，降低了風(fēng)險(xiǎn)。

3)采用精確水下定位系統(tǒng)引導(dǎo)新鋪海底管道準(zhǔn)確通過新型海底管道跨越保護(hù)架，成功解決了深水海底管道跨越保護(hù)水下工作量大，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高的難題。

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Design and Installation Technology for Cross Over Existing Pipeline Base on Cross Over Protector

WANGJian-ming1,ZHOUSheng-jie2,LITian-bin2,JINDe-xian1

(1.OPSC Wenchang Branch, CNOOC Energy Technology & Services Company, Zhanjiang Guangdong 524057, China;2.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd., Zhanjiang Guangdong 524057, China)

A new cross over protector was designed to be used by new pipeline cross over an existing pipeline. The cross over protector is the steel structure with Ω type of cross-sectional. The mud-mats at both sides along the protector was designed considering soil bearing capacity and on-bottom stability against current and fishing nets. The underwater installation of the cross over protector was achieved by one time lifting in the LBL underwater positioning system and ROV’s assistance. The application of a steel structural cross over protector in the case of a new pipeline to be laid crossing over an existing pipeline will be a safe and efficient method with respect to the conventional method. This method can be fully applied to deepwater development projects.

pipeline cross over; protector; underwater positioning technology; deepwater development

P756.2

A

1671-7953(2017)05-0022-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.007

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

汪建明(1983—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋石油工程管理