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        海底油氣輸送管道的懸跨ROV拋石治理施工設(shè)計

        2019-06-03 06:04:30曾晉
        中國設(shè)備工程 2019年9期

        曾晉

        (中海輝固地學(xué)服務(wù)(深圳)有限公司,廣東 深圳 518067)

        海底油氣輸送管道是海上油氣生產(chǎn)的生命線,受到海洋環(huán)境和生產(chǎn)條件的影響,管道與海床之間的懸跨是一個應(yīng)力聚集,易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞,受到漁業(yè)生產(chǎn)等外部因素刮碰的高風(fēng)險點。海洋油氣行業(yè)當(dāng)中,各海底油氣輸送管道都會確定一個可允許懸跨參數(shù)(懸跨高度和長度),明確超出允許值之外的懸跨應(yīng)該進(jìn)行治理,目前的治理手段主要為沙包、水泥墩等各種形式的支撐。根據(jù)中國實際海況,設(shè)計在管線懸跨中間拋放一段設(shè)計碎石堆,將懸跨治理為兩段較短懸跨。本方案設(shè)計通過理論計算,合理選材,分析拋石懸跨治理的實際方案。

        1 理論計算

        海岸防護(hù)工程中,通常采用拋石保護(hù)海堤堤腳或者堤前海灘免受沖刷。對護(hù)底拋石較著名的有伊茲巴什公式、Shields準(zhǔn)則、美國海岸防護(hù)手冊公式以及我國規(guī)范等計算方法。根據(jù)海南島八所水文情況,非臺風(fēng)氣候時,工區(qū)底流速受海底沙坡沙脊影響,一般不大于0.68m/s,臺風(fēng)氣候時,工區(qū)底流速最大可達(dá)1.4m/s。

        1.1 依據(jù)交通部規(guī)范算法

        根據(jù)交通部規(guī)范推薦方法來推算堤前流速。在設(shè)計拋石護(hù)底時,其穩(wěn)定重量是十分重要的技術(shù)參數(shù),公式中拋石的穩(wěn)定重量均與堤前最大波浪底流速有著密切關(guān)系。護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量主要根據(jù)交通部防波堤設(shè)計與施工規(guī)范來確定,根據(jù)交通部規(guī)范中堤前最大波浪底流速與護(hù)底塊石穩(wěn)定重量的關(guān)系可以擬合得到如下函數(shù)關(guān)系:

        式中:W為塊石重量kg;umax為堤前最大波浪底流速m/s。

        上式能夠較好地描述規(guī)范中護(hù)底塊石穩(wěn)定重量與最大波浪底流速之間的關(guān)系。

        選取非臺風(fēng)氣候umax=0.68m/s;臺風(fēng)氣候umax=1.4m/s

        W=6.3435×1.43≈17.4kg

        W=6.3435×0.683≈1.99kg

        1.2 依據(jù)伊茲巴什公式算法

        如選用伊茲巴什公式對塊石的穩(wěn)定重量進(jìn)行初步計算,公式如下:

        式中:Ws為塊石重量;K為系數(shù),一般取0.0155;ρs為塊石密度,ρ0為水密度;g為重力加速度;v為流速。

        為了利于工程單位根據(jù)施工、石料等條件選取塊石尺寸。

        進(jìn)行拋石塊體設(shè)計的一般步驟為:

        (1)據(jù)工程的水流條件,按公式計算出拋石塊體的穩(wěn)定重量或尺寸。

        (2)選取一定安全系數(shù),并據(jù)此確定最終的塊石重量或尺寸。

        1.3 依據(jù)“Shields準(zhǔn)則”算法

        剪切應(yīng)力系數(shù)(Shieds數(shù))ψ為石塊受到剪切應(yīng)力的無量綱化,由海流引起的海床臨界剪切應(yīng)力由下式計算:

        其中,U為沿水深的的平均流速(m/s);C是Chezy系數(shù),由下式確定:

        C=18 lg(1+12h/ks)

        式中:h為水深;ks為海床粗糙度,海床沉積物若為細(xì)砂ks取2,若為粗砂則ks取4。

        根據(jù)環(huán)境參數(shù)可知,由于水深較深,可不考慮波浪對石堆的影響。選取石塊密度為2600kg/m3;管道路由沉積物主要由細(xì)中砂和軟黏土構(gòu)成,由此可以計算出不同海流流速下對應(yīng)的石塊最小穩(wěn)定粒徑,根據(jù)計算得到的關(guān)系曲線,2英寸(d=0.05m)石塊可抵御的最大流速為3.5m/s。

        1.4 依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》

        《堤防工程設(shè)計規(guī)范》的推薦公式如下:

        式中,D為塊石穩(wěn)定粒徑,m;V為水流流速,m/s;g為重力加速度;K為塊石運動的穩(wěn)定系數(shù),水平底坡時取0.9,傾斜坡底取1.2;γS為塊石的重率;γ為水的重率。計算得到的2寸石塊對應(yīng)的滑動起動流速為1.06m/s,滾動起動流速為1.48m/s。該算法較保守,因為未考慮石塊與石塊,石塊與管道之間的摩擦影響。

        估計2英寸石塊可抵擋的最大流速至少為1.5m/s。

        2 設(shè)計計劃

        現(xiàn)設(shè)計在管線懸跨中間段拋放5m長的碎石堆,石堆兩側(cè)距管線約2.5m,選取兩種不同大小的碎石石塊拋兩層石堆。

        (1)內(nèi)層堤心石為1英寸(d=0.025m)的碎石。作用:接觸及支撐管線由海底直接堆積起來,直到掩埋管線頂部內(nèi)層堤心石體積較小,應(yīng)在流速不大于1米/秒的情況下投放,以避免投放過程中造成過多的拋偏損失。

        (2)外層護(hù)石為3英寸(d=0.075m)的碎石。作用:防止水流掏空堆積在內(nèi)層碎石外側(cè),依靠其重量及筑堤坡度來抵抗水流的拖曳力。坡度越斜,效果越好。

        2.1 碎石選料

        花崗巖、玄武石、石英石和石灰石為最普遍選用的碎石材料,根據(jù)水利水電工程施工手冊及工程地質(zhì)手冊可查其密度。可選取塊石密度ρ范圍為2.5t/m3~2.7t/m3,由于碎石由其加工篩分時的篩眼決定,每塊碎石均為不規(guī)則體,其重量在一定范圍內(nèi)浮動。

        現(xiàn)碎石材料平均取密度2.7t/m3(單塊最大體積為正立方體)來計算:

        碎石篩網(wǎng)直徑:1英寸、2英寸、3英寸、4英寸、6英寸、7英寸、8英寸;

        單塊最大質(zhì)量:0.045kg、0.35kg、1.19kg、2.83kg、9.5kg、15.2kg、22.6kg。

        2.2 拋石量計算

        考慮頂層覆蓋要求,設(shè)定取石堆截面底邊長度為5m、頂邊長度為1m。

        (1)石堆截面尺寸。石堆截面形式,石堆頂寬1m,底寬2m,石堆頂距管頂距離取0.3m。

        (2)拋石量計算。選取H=0.5m的懸空高度進(jìn)行計算,拋石量共計18.5方:①在海管兩側(cè)各留0.5m,先堆兩組3英寸石子作為基礎(chǔ),頂部于海管平齊,天然休止角在45°左右。沿管長方向計算拋放長度L取4m。②1英寸石塊拋放在兩堆三英寸當(dāng)中,并直接包裹海管;可計算得到中間1寸小石子總石量為3.1方。③3英寸石堆再次覆蓋1英寸石塊上方,計算得出外層3寸大石子總石量為15.4方。

        2.3 碎石塊下落對管道沖擊力的計算

        根據(jù)流體力學(xué)理論,石塊下落對海底管道的沖擊程度取決于石塊質(zhì)量和速度。拋石過程中,由于海水的阻力,最終的速度進(jìn)一步降低為石塊平衡速度和水石混合物的流體速度。

        以海南島西部北部灣的海洋環(huán)境為例,其百年一遇環(huán)境條件:有義波高13.8m,譜峰周期15.9s;最大波速0.45m/s,內(nèi)波流速0.78m/s。

        根據(jù)水面落石時的計算公式,可知碎石在下落速度達(dá)到最大時:(1)根據(jù)篩網(wǎng)直徑0.025m(1英寸)碎石的各項參數(shù):水下質(zhì)量0.016kg;附加質(zhì)量0.005kg;相對密度1.585g/cm3;最大速度2.741m/s,可計算其沖擊能量為0.115J。(2)根據(jù)篩網(wǎng)直徑0.090m(3英寸)碎石的各項參數(shù):水下質(zhì)量0.702kg;附加質(zhì)量0.221kg;相對密度1.585g/cm3;最大速度3.395m/s,可計算其沖擊能量為7.873J。而使用ROV實際投放時,拋石袋距管線高度僅3~5m,碎石由靜止開始下落直至到達(dá)管線的行程極短,下落速度小于最大平衡速度,那么沖擊能量也會遠(yuǎn)小于理論計算值。

        3 實施結(jié)果及結(jié)論

        經(jīng)過對五處懸跨的施工:(1)所有5個拋石區(qū)目前為止均形成有效支撐。(2)2次以上調(diào)查記錄的各個拋石區(qū)堆積范圍均逐步擴大。(3)拋石區(qū)形狀隨時間推移及環(huán)境影響,與剛完成施工后相比,均趨于規(guī)則平坦。(4)拋石管線修復(fù)作業(yè)適用于中國南海北部灣海域。

        以1處2016年5月鋪設(shè)完成的懸跨點為例:(1)拋石區(qū)域前后4次地形調(diào)查。(2)拋石后持續(xù)提供支撐。(3)拋石區(qū)形狀趨于規(guī)則。(4)拋石區(qū)域堆積掩埋區(qū)域逐漸擴大,沿管線方向從3.3m擴大至5.9m。(5)支撐有效區(qū)域擴大至15.2m。

        對于涂敷有混凝土層的海底油氣輸送管道來說,落石對管道沖擊小于混凝土的抗沖擊強度。以ROV來實施此方案拋石,是一種安全有效的懸跨治理方式。

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