相政樂 張啟發(fā) 張 祥 運 濤 彭傳偉 楊加棟

(1.海油發(fā)展珠海管道工程有限公司 廣東 珠海 519050)

(2.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

海管作為海洋油氣開發(fā)工程的一種重要結(jié)構載體，承擔著海下油氣輸送的重任。隨著海上油氣田開發(fā)的增加，海管建設密度不斷增加，使得部分新鋪設海管不可避免地與既有海管產(chǎn)生路由交叉跨越[1-2]。目前，國內(nèi)通常采用水泥壓塊的方法處理。該方法通過施工船舶在既有海管上鋪放水泥壓塊進行預處理，鋪設完新建海管之后，需再次在其上方施放水泥壓塊[3-4]。該處理方式施工時間長，船舶費用高，而且船期受天氣影響大，使得工期不確定性增加，成為海管交叉點處理的痛點。

本研究以渤海某項目為依托，設計研發(fā)出一種新型海管交叉點防護處理技術，代替現(xiàn)行水泥壓塊處理方式的預處理過程，減少施工船舶的使用，從而降低交叉點處理的綜合費用。

1 設計與實驗

1.1 主要原料與設備

聚氨酯硬泡材料，山東聯(lián)創(chuàng)節(jié)能新材料股份有限公司；聚乙烯材料，美國Matrix Polymers公司；聚脲材料，山東聯(lián)創(chuàng)節(jié)能新材料股份有限公司；Inconel Alloy 625綁帶，江蘇新華合金有限公司。

CMT4140型電子萬能試驗機、YAW4605D型壓力試驗機，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司；沖擊實驗裝置，根據(jù)SY/T 7398—2017自制。

1.2 聚氨酯泡沫材料性能測定

根據(jù)ASTM D1622測定聚氨酯硬泡密度。

根據(jù)ASTM D1621測定聚氨酯泡沫塑料壓縮應力:采用電子萬能試驗機，以每分鐘10%試樣高度的恒定速率，將試樣厚度壓縮20%后停止，讀取壓縮形變?yōu)?0%時的壓縮應力。

1.3 防護裝置的設計與制備

防護裝置主要分為主體區(qū)和過渡區(qū)，其海底服役效果如圖1所示。

圖1 防護裝置的海底服役效果圖

圖1中，主體區(qū)由長0.6 m、厚0.3 m的半圓弧形護套連續(xù)組對安裝而成，有效長度為12 m，起到交叉點防護作用。過渡區(qū)由長度為1 m的半圓弧形護套連續(xù)安裝而成，分布在主體區(qū)兩側(cè)，在長度方向上呈錐形，實現(xiàn)安裝海管外徑到主體區(qū)護套外徑的平滑過渡。圖2為主體區(qū)護套和過渡區(qū)護套結(jié)構示意圖。

圖2中主體區(qū)護套的外層為聚乙烯，起到抗沖擊、耐磨的作用，其內(nèi)部填充聚氨酯硬泡，起緩沖、支撐的作用。每對主體區(qū)護套通過4套鍍鋅螺栓和1條Inconel Alloy 625綁帶進行緊固安裝。過渡區(qū)護套外層為聚脲，其內(nèi)部填充聚氨酯硬泡。每個過渡區(qū)護套通過其內(nèi)部6條預埋Inconel Alloy 625綁帶及外側(cè)2條Inconel Alloy 625綁帶進行緊固安裝。

1.4 模擬計算校核

參考挪威船級社海底管線設計標準DNVGLST-F101，根據(jù)渤海的海況、鋪管船輥輪參數(shù)、防護裝置及海管參數(shù)，使用OrcaFlex軟件進行鋪設模擬計算。結(jié)果表明，在防護裝置安裝鋪設過程中，海管受到的最大輥輪支反力約1 t/m，海管與滾輪之間的最大靜摩擦力約0.5 t/m。在主體區(qū)兩側(cè)分別安裝18 m的錐型平滑過渡區(qū)能夠很好地解決主體區(qū)帶來的應力集中問題。

1.5 防護裝置的性能試驗

1.5.1 推脫試驗

主體區(qū)和過渡區(qū)護套推脫試驗示意圖見圖3。

圖3 護套推脫試驗示意圖

如圖3所示，將1對主體區(qū)護套通過4套鍍鋅螺栓和1條Inconel Alloy 625綁帶緊固安裝到406.4 mm長、具有3層聚乙烯防腐涂層(3LPE)的試驗管段上，下端管段露出護套約1～2 cm。然后將試驗管段預留端向下豎直放置在剪切臺架內(nèi)，并在試驗管段上端扣上剪切端帽(試驗管段和剪切端帽的總質(zhì)量為150 kg)。壓縮試驗機由剪切端帽施加壓力，直至主體區(qū)護套與試驗管段接觸面出現(xiàn)相對滑移，記錄試驗最大載荷，即為1對主體區(qū)護套的抗滑脫力。

過渡區(qū)護套樣品厚度從150 mm過渡到165 mm，通過6條預埋Inconel Alloy 625綁帶及外側(cè)2條Inconel Alloy 625綁帶進行緊固安裝。根據(jù)上述方法測定過渡區(qū)護套的抗滑脫力。

1.5.2 沖擊試驗

試驗方法參照SY/T 7398—2017，裝置見圖4。

圖4 沖擊試驗裝置

如圖4所示，準備406.4 mm長具有3LPE涂層的試驗管段，將1對主體區(qū)護套安裝在其中間位置。根據(jù)沖擊能10 kJ計算沖擊錘提升高度，將沖擊錘提升至指定高度后，釋放沖擊錘，完成沖擊試驗。在主體區(qū)護套不同位置沖擊3次后，檢查其整體結(jié)構是否完整。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚氨酯泡沫材料性能

通過測定試樣的體積和質(zhì)量，計算得到聚氨酯硬泡材料的平均密度為0.317 g/cm3。通過壓縮試驗得到聚氨酯硬泡的壓縮應力-應變曲線見圖5。

圖5 聚氨酯泡沫材料的應力-應變曲線

由圖5可知，試樣壓縮形變10%時，壓縮應力為7.59 MPa。說明聚氨酯硬泡材料具有輕質(zhì)高強的性能，能夠滿足護套設計和使用要求。

2.2 抗滑脫性能

為了考察主體區(qū)護套和過渡區(qū)護套的抗滑脫性能能否滿足項目使用需求，對其進行推脫試驗，結(jié)果見圖6。

圖6 主體區(qū)護套與過渡區(qū)護套的抗滑脫力

由圖6(a)主體區(qū)護套結(jié)果可知，在位移為5 mm時，主體區(qū)護套的抗滑脫力急劇升高，在位移為6 mm時，抗滑脫力達到階段最高值7 886 N，加上試驗管段和剪切端帽的總質(zhì)量150 kg，每對護套(長度0.6 m)可提供的抗滑脫力為9 356 N(0.94 t)，計算得出主體區(qū)護套單位長度上的抗滑脫力約為1.6 t/m，遠大于設計校核要求的0.5 t/m，說明主體區(qū)護套能夠滿足鋪設抗滑脫需求。

由圖6(b)過渡區(qū)護套結(jié)果可見，在位移12 mm時，過渡區(qū)護套開始受力，隨后過渡區(qū)護套的抗滑脫力開始增加。由于過渡區(qū)護套硬度小而發(fā)生了一定的形變，在測試過程中，抗摩擦力始終在升高，在位移32.5 mm時得到最大抗滑脫力7 820 N(約0.8 t)，加上試驗管段和剪切端帽的總質(zhì)量150 kg，試驗段(0.5 m)提供的總抗滑脫力為0.95 t，計算得出過渡區(qū)護套單位長度上的抗滑脫力為1.9 t/m，遠大于設計校核要求的0.5 t/m，說明過渡區(qū)護套提供的抗滑脫力能夠滿足安裝鋪設需要。

2.3 抗沖擊性能

為了驗證護套是否能夠抵抗服役條件下的拋錨沖擊等狀況，對主體區(qū)護套進行了沖擊試驗。沖擊后的主體區(qū)護套沖擊位置局部圖見圖7。

圖7 主體區(qū)護套不同位置(a，b，c)的沖擊局部圖

根據(jù)圖7可見，主體區(qū)護套未發(fā)生破裂等損傷，僅產(chǎn)生輕微的壓痕。說明外部聚乙烯具有很好的韌性，內(nèi)部填充的輕質(zhì)高強的聚氨酯硬泡能夠提供足夠的強度和緩沖效果。因此，主體區(qū)護套能夠抵抗在役情況下發(fā)生的偶然沖擊狀況。

3 防護裝置的項目應用

2021年7月在渤海海域進行防護裝置的安裝鋪設，施工海況風力5～6級，水深約30 m。對16英寸混輸鋼套鋼保溫管跨越既有海管的3個交叉跨越點位進行防護處理。新型海管交叉點防護處理技術現(xiàn)場作業(yè)流程如下:(1)在海管上標記起始施工位置；(2)在鋪管船的最后一個工作站安裝防護裝置；(3)防護裝置隨同新建管道鋪設下放到海底既有管道上方。安裝有防護裝置的海管如圖8所示。

圖8 裝有防護裝置的海管

由圖8可見，防護裝置在安裝鋪設過程中未有破裂、散落和滑脫等現(xiàn)象，順利鋪設入水，完成海管交叉點的預處理。后續(xù)為滿足海管的水動力穩(wěn)定性，在交叉點防護裝置上方施放水泥壓塊。本項海管交叉點防護處理技術，很大程度上節(jié)省了交叉點預處理的工期，達到了降本增效、降低施工風險的效果。

4 結(jié)束語

本項海管交叉點防護處理技術對于減少海管交叉點處理費用、降低工程風險等具有重要作用。本研究工作中將聚氨酯泡沫材料作為結(jié)構件進行使用，具有創(chuàng)新性，不同于以往只作為海管保溫填充使用[5-6]，對于拓展聚氨酯泡沫材料在海洋工程產(chǎn)品領域應用具有重要意義。