深水海底管線拋石保護工程綜述

侯 靜，魏偉榮，梁 羽，常世君，孫奇偉

(中海石油深海開發有限公司，廣東 深圳 518067)

深水海底管線拋石保護工程綜述

侯 靜，魏偉榮，梁 羽，常世君，孫奇偉

(中海石油深海開發有限公司，廣東 深圳 518067)

從拋石施工的前期海管調查、設計論證、石料試驗、生產拋石過程及成果驗收等方面詳細介紹了我國南海某深水氣田海底管道采用的拋石保護工程，此次施工為我國深水海底管道首次采用落石管拋石技術，該項目的成功實施對后續同類工程具有重要的借鑒意義。

海底管線；拋石保護；落石管；ROV

1 概述

1.1 項目概況

我國南海某深水天然氣輸送海底管道總長261 km，為了保證該管道的海底穩定性，避免管道發生高溫高壓、隆起屈曲以及海床沖刷帶來的不利影響，該管道設計為全程挖溝埋設，埋設深度為泥面距管頂1.0～2.0 m不等。該管道的結構形式分為如下2種：1)近平臺0～10 km管道外僅包覆3層聚丙烯(3LPP)防腐涂層；2)遠離平臺10～261 km管道外包覆3層聚乙烯(3LPE)防腐涂層。

管道鋪設后進行挖溝作業時，靠近平臺側管道部分區段所處海床土質較硬且存在珊瑚礁，致使這些區段管道挖溝無法達到設計深度，管道部分裸露或全部裸露在海床上，形成懸空段。為了保證該管道的海底穩定性，防止隆起屈曲，減少產生懸跨的風險并對管道形成有效保護，經過設計核算和多種保護方法論證，考慮到該管道已投產低壓運行，為減少施工風險，確保管道安全運行，最終確定對硬質海床區段內未埋設或懸空的管段采取不停產拋石保護作業。

1.2 拋石技術的應用與發展

拋石技術用于海洋工程起源于20世紀70年代，該技術作為水下結構物的有效保護措施，已廣泛應用于海洋石油開發工程中，如鉆井船水下樁坑的填充，海床預處理，海底管道、海底電纜和臍帶纜的后保護工程等。

1.3 拋石方案的確定

本項目海底管道需拋石區域距離陸地較遠(183～261 km)，水深較深(80～190 m)，要求實現精準拋石，石料不能損壞海底管道外防腐涂層，在精確定位海底管道的同時實時監測海底拋石截面。根據上述要求并結合該管道結構特點等，最終確定使用落石管拋石技術。

該項技術已在挪威、菲律賓等深水油氣田中有所應用。在我國，該技術僅于2011年海南電網淺水海底電纜拋石后保護工程中使用過，在深水海底管道的后保護作業中尚無使用先例，并且我國尚無落石管拋石船，需從國外動員[1]。

由于該項目為國內首次實施深水海管拋石作業，并且作業船舶需從國外動員，為順利完成該項工作，合理組織施工作業，避免船舶待機，整個工程運行被劃分為如下3個階段，各個階段工作逐一落實，確保最終保質保量完成整項工作。

1)第1階段：對海底管道路由進行精確勘察，確定需要拋石的區段及海床地形，經過計算確定拋石區域范圍、拋石截面、石料粒徑以及拋石工程量，同時提出拋石技術要求。

2)第2階段：根據要求確定采石場、裝船碼頭，組織石料生產，進行石料沖擊模擬試驗及質量控制。

3)第3階段：施工階段，包括拋石施工和拋石截面驗收等。

2 設計論證和技術要求

2.1 拋石技術要求

針對本項目海底管道的結構形式、環境條件和地質條件，對拋石作業提出如下技術要求：1)采用拋石法來保證管道穩定性，抑制熱膨脹和隆起屈曲，并填充懸跨底部懸空；2)拋放的石料應滿足水下穩定性要求；3)靠近平臺10 km管道外僅有3LPP防腐涂層，需選用適當方法防止損壞防腐涂層；4)遠離平臺10～261 km管道外有混凝土配重層，可直接拋放大粒徑石料；5)使用的石料在空氣中密度應≥2 600 kg/m3，堆方密度應≥1 550 kg/m3；6)拋石截面兩側坡比應>1∶2.5，截面頂寬應≥1 m，如圖1所示。

圖1 拋石截面示意圖

2.2 石料粒徑的確定

拋石區域水深為80～190 m，海底土質為砂質。作業區域環境條件見表1。

表1 環境條件

根據作業區域環境條件和土壤地質條件等計算內、外層石料的海底穩定性，考慮一定的安全系數后，確定內層石料為1″～2″碎石，外層石料為2″～8″組合塊石。

2.3 拋石區域及截面的確定

根據海管路由精確勘察的結果，最終確定27個拋石區段，總長16.05 km，共需內層小石料約16 000 m3，外層大石料約36 500 m3，考慮到拋石的損耗量，估算內層石料約需65 000 t，外層石料約需85 000 t。

經過設計拋石截面分3種類型，各類型拋石厚度及截面形式見表2。

表2 拋石截面要求

3 石料生產、試驗及質量控制

3.1 采石場和裝船碼頭的確定

3.1.1 采石場調研

根據石料的技術要求、石料需求量及項目工期要求，對惠州市某采石場進行了調研。調研工作主要是針對石料的種類、石料生產能力、生產流程、生產和檢測設備配置等。

該采石場生產能力為30萬m3/a，日產量最高可達5 000 t/d，開采出來的石料經破石機破碎成所需尺寸的石料，經5級篩網將石料按粒徑要求分類儲存，檢驗合格后進行石料碼頭堆場。

對石料進行理化性能檢測，檢測工作由具有CMA資質的檢驗機構進行。在擬開采的巖石面取樣，經檢測確認巖石為花崗巖，產品純凈度高，密度為2 630 kg/m3，軟化系數為0.87。

3.1.2 裝船碼頭調研

對惠州市某港口進行現場調研，包括水深、可使用面積和可使用時間等。情況如下：1)碼頭水深12.5 m，進出航道水深14.5 m，可滿足拋石船的滿載吃水(7.7 m)要求；2)碼頭泊位堆場可存放24 000 t石料，碼頭外場地可存放150 000 t石料，充分的存放場地有利于石料大批量生產，可避免惡劣天氣或其他不確定因素影響石料供應，從而影響海上拋石作業；3)碼頭可提供本項目使用3個月，滿足工期要求；4)碼頭與采石場距離僅為25 km，便于石料運輸，可減少石料運輸風險。

根據調研結果，最終確定使用該采石場生產的石料以及該碼頭靠泊施工船，并進行石料堆場。

3.2 石料試驗

在確定了采石場和石料粒徑后，分別進行了試驗室和現場沖擊模擬試驗，以檢驗內層石料對管體3LPP防腐涂層、節點PP熱縮帶、節點聚氨酯泡沫和犧牲陽極的影響。此外還進行了石料的堆方密度測試。

3.2.1 實驗室涂層沖擊試驗

根據ISO 21809-1 Annex E Impact Test和ASTM G14標準方法，在實驗室內進行沖擊試驗，確定不同沖擊功對PP防腐涂層的損傷情況，并得出PP涂層最大抗沖擊能量。得出結果：PP節點熱縮帶為薄弱環節，熱縮帶厚2.65 mm，可承受最大沖擊功為31.1 J，3LPP防腐涂層厚3.05 mm，可承受最大沖擊功為41.97 J。

3.2.2 現場涂層沖擊模擬試驗

在實驗室沖擊試驗的基礎上現場模擬拋石等效高度，按內層石料粒徑級配取用石料，開展3LPP防

腐涂層和PP節點熱縮帶的沖擊試驗，并檢驗沖擊后各涂層系統的損傷程度和減薄情況。根據模擬試驗結果，在落石高度為4 m，單個石料最大質量為700 g，動能為28 J的情況下，涂層無漏點，厚度最大減薄<0.5 mm，可見PP涂層系統可承受內層石料的沖擊。經現場模擬驗證，內層1″～2″的碎石不會損壞管道外防腐涂層，滿足石料技術要求。

3.2.3 石料堆方密度試驗

石料堆方密度是指在規定條件下單位體積(包括石料實體和間隙體積)石料的質量。現場以2次測試結果的算術平均值為測量值，得到石料堆方密度為1 550 kg/m3，滿足石料技術要求。

3.3 石料質量控制

石料質量是確保本次拋石作業成功的重要因素之一，既要保證石料不會損傷防腐涂層，又要確保石料的海底穩定性，所以石料生產過程中應嚴格按設計級配比進行定期檢測。

4 拋石施工

本項目使用的拋石施工船為荷蘭某公司2011年制造的落石管動力定位拋石船。拋石船(見圖2)全長154.6 m，船寬32.2 m，吃水7.7 m，作業水深可達2 000 m。該船具有前、后2個石料艙，設計載重量為18 000 t，月池處于船中間位置。該船裝備了世界先進的落石管組裝模塊、ROV操控系統及調查設備。

圖2 拋石船示意圖

4.1 石料裝船

拋石船靠港裝載石料時，通過2個陸地皮帶機將石料分別運送到前、后石料艙內，皮帶機裝船速度約為500 t/(臺·h)。考慮到船舶后艙設有油水設備，通常前艙最多可裝載約9 500 t，后艙可裝載約8 000 t。

4.2 拋石過程

海上施工時拋石船采用2套DGPS海上定位系統，依據施工前精確路由勘察確定的坐標在海管路由上進行定位，同時啟動超短基線(USBL)定位系統進行水下定位，并啟動多普勒計程儀校準導航系統，在取得精確數據后拋石船偏離海管路由150 m左右安全距離進行ROV和落石管的安裝，隨后進入作業區域，啟動ROV系統開始進行拋石作業(見圖3)。在石料拋放過程中，前、后石料艙內的裝載機分別將石料放入石料口，由傳送帶轉入到中央緩沖料斗進入落石管，然后通過落石管進行精確拋石。根據ROV攜載的DTM(數字地面模型)、多波束(MBM)對海床地形和拋石截面進行檢測，實現拋石過程實時監測的目的。

圖3 拋石示意圖

落石管出口距離海管高度為6～10 m，可適應海底地形高低起伏的變化。落石管末端的ROV功率高達360 kW，配有4個推進器，可推動落石管移動。拋石作業時由中控操控船舶緩慢向前移動，ROV推動落石管左右移動，最終實現沿海管路由精準拋石作業。

通常拋石長度約每300 m進行調查一次，數據處理分析后確認拋石未達設計要求的區域進行補拋，經再次調查檢驗合格后結束該區段的作業。對于需要拋放內、外層石料的部分，先拋放內層小石料，待內層石料拋放厚度滿足設計要求后再拋放外層大石料。

此次拋石作業實際拋放內層石料65 500 t，外層石料86 000 t，航行9個船次，海上作業時間共計38 d。

4.3 拋石作業檢測

拋石作業的檢測主要通過落石管末端的ROV上搭載的專用裝置實現數據的采集，ROV裝置由多種先進的檢測設備組成(見圖4)，包括：導航儀、測深儀、DTM系統、測高儀、MBM、掃描傳感器、水下攝像設備和水下照明設備，可實現海管/海纜定位、數據采集的功能。

施工中，ROV采集到的數據即時傳回操作平臺計算機處理，通過Terramodel程序制圖，每5 m提交一個拋石截面圖，在該圖中詳細描述了海管位置、海底地形原始狀態、內外層拋石設計剖面和實際剖面等。當石料的實際拋放剖面全部覆蓋設計拋放剖面，則視為拋石合格。

圖4 ROV調查示意圖

5 結語

深水海管應用落石管拋石技術進行后保護工程在我國尚屬首次應用，在工程建設前期開展設計論證和試驗研究，合理組織石料生產，以及后續施工中優化完善施工方案，精心協調施工進度等是本項目成功實施的關鍵。海洋工程施工技術、落石管技術和ROV檢測技術的應用，充分顯示了目前國際海洋工程發展的高水平。拋石技術作為海底管道后保護的有效手段之一，在我國深水工程發展中具有廣闊的應用前景，本項目的成功實施，為今后類似工作奠定了基礎。

[1] 梁富浩，張印桐，劉春厚，等. 落石管拋石技術的發展及在我國深水油氣田開發中的應用前景[J]. 中國海上油氣，2011,23(2):193-196.

責任編輯鄭練

OutlineofRockDumpingProtectionEngineeringforSubseaPipelineinDeepwater

HOU Jing, WEI Weirong, LIANG Yu, CHANG Shijun, SUN Qiwei

(CNOOC Deepwater Development Ltd., Shenzhen 518067, China)

The paper introduces the rock dumping protection engineering for subsea pipeline in deepwater of South China Sea concerning investigation, design, rock test, production rock dumping engineering and acceptance criterion. This is the first time using falling pipe technology for subsea pipeline in China. The successful application is an important reference for subsequent similar projects.

subsea pipeline, rock dumping protection, fall Pipe, ROV

TM 757.4

:B

侯靜(1977-)，女，高級工程師，主要從事海管結構設計等方面的研究。

2014-10-21