王文亮

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

在海洋油氣開發(fā)中，常規(guī)的海管鋪設(shè)對路由選擇有如下設(shè)計準(zhǔn)則：

(1)為了節(jié)約工程成本，在滿足施工可行性和后期操作維護(hù)要求的前提下路由應(yīng)設(shè)計的盡量短。

(2)盡可能地避開與已存在管線的跨越。

(3)盡可能地避開海底障礙物。

(4)選擇地勢平坦的海床，從而減少管道懸跨情況發(fā)生。

(5)滿足業(yè)主方的其他特殊要求，如殼牌規(guī)范明確要求新建管線與已存在管線間的角度不能小于30°，某東南亞海域業(yè)主要求新建管線不得與珊瑚發(fā)生接觸等[1][2]。

傳統(tǒng)碳鋼管在地質(zhì)條件較好的海域均能滿足上述要求，但在一些地形復(fù)雜、多變地質(zhì)條件下及開發(fā)較為成熟的海域，碳鋼管的應(yīng)用存在諸多的限制，堅持使用碳鋼管作為油氣運輸?shù)妮d體會對施工和后期的維護(hù)運營造成一定難度，從而降低工程的總體效益。

1 受限空間內(nèi)的路由選擇

在某些開發(fā)成熟的海域，路由布置的空間往往狹小彎曲，需要對管線進(jìn)行曲線鋪設(shè)?？紤]管土作用及管道應(yīng)力等因素影響的前提下，碳鋼管管線的最小彎曲半徑可由下式定義：

其中：H為管道殘余張力，μ為土壤側(cè)向摩擦系數(shù)，Ws為土壤單重，F(xiàn)R為土壤被動抗力[3]。以上考慮的鋪設(shè)最小半徑應(yīng)根據(jù)海域的實際情況，工程經(jīng)驗及其他因素綜合考慮一定的安全余量。同時為了保證路由曲線段的穩(wěn)定，曲線段兩側(cè)要保留足夠長的直線段，從而使直線段與土壤的摩擦力大于管線由于彎曲而產(chǎn)生的回彈載荷。

在某國外項目中由上述公式計算出的彎曲半徑值無法匹配該項目的路由調(diào)查帶，若堅持采用碳鋼管只能選擇膨脹彎作為管線路由的轉(zhuǎn)向方式。但是在路由中間布置膨脹彎會相應(yīng)地增加管線起始鋪設(shè)、棄管和膨脹彎吊裝作業(yè)，極大地增加施工成本，同時膨脹彎兩側(cè)用法蘭與管線連接會增加泄漏風(fēng)險。

圖1 某國外項目路由調(diào)查帶，右側(cè)曲線最小半徑無法滿足規(guī)范要求

軟管由于自身剛度低，可以以較小的彎曲半徑完成轉(zhuǎn)向鋪設(shè)。常規(guī)類型的10寸軟管最小彎曲半徑在50m左右，能夠滿足大多數(shù)條件下的鋪設(shè)要求。同時軟管在鋪設(shè)過程中不存在焊接作業(yè)，極大地縮短了施工時間，節(jié)約施工成本。

2 跨越多條存在管線的路由選擇

在海床存在大量已建管線及電纜，新建路由無法避讓的情況下，合理地制定跨越方案能夠極大地減小施工處理量。傳統(tǒng)的鋼管跨越已存在管線的方式多為在老管線上鋪墊壓塊后在鋪設(shè)新建管線，用軟件模擬實際情況得到相應(yīng)的功能荷載及環(huán)境荷載，最后用DNV規(guī)范中規(guī)定的如下準(zhǔn)則進(jìn)行校核[2]：

式中：YA,YE,YF,YP為荷載效應(yīng)因子；YC為條件荷載效應(yīng)因子；YSC,YM分別為安全等級抗力因子和材料抗力因子；Md,MF,ME,MA分別為設(shè)計彎矩、功能荷載彎矩、環(huán)境荷載彎矩、偶然荷載彎矩；Sd,SF,SE,SA分別為設(shè)計有效軸向力、功能荷載軸向力、環(huán)境荷載軸向力、偶然荷載軸向力；ΔPd為設(shè)計壓力差；Mp為塑性彎矩抗力，Mp=fy·(Dt2)2·t2；SP為特征塑性軸向抗力，SP=，Mp=fy·π·(Dt2)2·t2；Pb(t2)為破裂壓力；αc為考慮應(yīng)變硬化的流動應(yīng)力參數(shù)，αc=(1-β)+ βfu/fy。

基于對海管懸跨及底流沖刷等問題的考慮，在距離較近的兩處跨越點間往往需要額外布置支撐已滿足管體強度和穩(wěn)定性的要求，為此需要投入大量的時間用于海上吊裝作業(yè)。

田間設(shè)計采用多點大區(qū)對比試驗，均設(shè)2個處理，分別為膜下滴灌處理和常規(guī)大水漫灌處理，每個處理面積為0.07 hm2。其中膜下滴灌處理每幅地膜下鋪設(shè)2根毛管，毛管間距50 cm，滴頭間距0.3 m，流量2.1 L/h；灌溉水均為井水灌溉，具體灌水量用水表計量。

以某項目10寸鋼管跨越已存在管線為例，相鄰兩條臨近管線間隔在30m左右，采用傳統(tǒng)的在已存在管線上鋪設(shè)壓塊后鋪設(shè)新建管線的做法管線強度無法滿足要求。

圖2 基于AUTOPIPE軟件對鋼管跨越方案進(jìn)行模擬

圖3 結(jié)果顯示管道UC值大于1，管道強度不滿足要求

在兩條已存在管線間布置一組支墩，管道受力情況得到優(yōu)化，校核結(jié)果顯示管線強度滿足要求。

圖4 優(yōu)化后的模型

圖5 結(jié)果顯示管道UC值滿足要求

如果用軟管代替鋼管，可以考慮采用Uraduct作為跨越點的處理方案。Uraduct的安裝可以在鋪管船上完成，對施工設(shè)施、人員操作難度和所需時間等要求均遠(yuǎn)小于鋼管的跨越方案。

圖6 某廠家的Uraduct產(chǎn)品

3 密布大量障礙物的路由選擇

當(dāng)海床密布大量障礙物的情況下，很難選擇一條避開所有障礙物的路由?？紤]到鋼管自身的材料屬性，直接與大尺寸的障礙物接觸很難滿足自身的強度要求和許用懸跨要求。在許用懸跨計算中與管線同軸向最大動態(tài)許用懸跨是決定路由許用懸跨長度的決定性計算工況，該工況受下降速度VR和穩(wěn)定系數(shù)KS影響。VR和KS可以由下列公式定義：

其中：Uc為名義流速，Uw為有意波速，fn為管道懸跨的自然頻率，D為管道外徑，me為有效質(zhì)量，ζT為阻尼比率，ρw為管道周圍流體密度。

同管線軸向方向下降速度下：

其中：Ksd=Ks/Yk，Yk根據(jù)規(guī)范要求選擇1.0，YON,IL根據(jù)規(guī)范要求選擇1.1[4]。

例如某項目采用8寸碳鋼管，計算結(jié)果顯示該管線所能接受的最大懸跨距離為13m，用sage軟件分析后可知有多處海床需要進(jìn)行預(yù)處理。

圖7 軟件計算結(jié)果顯示懸跨距離有多處超過最大許用懸跨

軟管由于其自身的材料特點對海床要求較低，常規(guī)的海床條件均能達(dá)到軟管施工和運行的要求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合國內(nèi)外工程案例，系統(tǒng)地闡述了碳鋼管在復(fù)雜地質(zhì)條件下路由選擇中的限制性，得出如下結(jié)論：

當(dāng)海管路由存在較小角度彎轉(zhuǎn)、需跨越多條已建管纜和需要對海床進(jìn)行預(yù)處理的情況下，軟管比鋼管在施工難度、后期維護(hù)保養(yǎng)、工程效益等方面更具優(yōu)勢，建議在初期材料選擇階段重點考慮。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 馮現(xiàn)洪，季磊，李秀鋒，等. 基于三維海床的海管路由設(shè)計技術(shù)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2014，36(3)：116-120.

[2] DNV GL-ST-F101，Submarine Pipeline Systems[S].2017.

[3] DNV GL-ST-F109，On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines[S].2017.

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