海底軟管跨越已建管道技術及工程應用

湯乾宇，陳大江，周聲結，劉立輝，馬東山

中海石油（中國）有限公司湛江分公司工程建設中心，廣東湛江 524057

海底軟管跨越已建管道技術及工程應用

湯乾宇，陳大江，周聲結，劉立輝，馬東山

中海石油（中國）有限公司湛江分公司工程建設中心，廣東湛江 524057

在我國渤海油田、南海潿洲油田等管網較密集地區，新建管道跨越已建海底管道或海底電纜的跨越點通常采用在已建管道上鋪設混凝土壓塊的方式進行處理，但隨著作業水深的增加，這種處理方式的難度、時間、風險成倍地增加。從常規海底管道跨越點處理方法、軟管特性及跨越點處理、跨越計算等方面，較詳細介紹了一種海底軟管跨越已建管道的新型跨越點處理方法，即使用注漿氣囊作為跨越點支撐的方法，并以南海某項目為例，對軟管跨越的安全性進行全面的校核。該方法已在我國南海某氣田成功應用，將常規需7～10 d的跨越處理作業時間縮短到24 h以內。

海底軟管；跨越處理；注漿氣囊；跨越計算

十二五期間，我國海洋石油事業有了蓬勃的發展，在我國的渤海、東海、南海已建成數十條管徑不同的海底管道，并且每年都會有數條新管道增加。隨著海洋石油201、海洋石油289、海洋石油286等3 000 m級深水鋪管船的下水使用，我國已具備自主深水鋪管作業能力。但是由于油氣田存在的海底管道或海底電纜越來越密集，新鋪設海底管道時，在其設計路由上會遇到已有的海底管道或海底電纜，DNVOS-F101規范要求在跨越點處應安裝支撐結構。

在以往的工程實際中，往往采取提前在已建管道上鋪設混凝土壓塊的方式來進行新管道的跨越處理，但隨著作業水深的增加，跨越點處理的難度、所需時間、風險將成倍地增加。本文詳細介紹了一種海底柔性管道跨越已建管道的跨越點處理方法，并以南海某項目為例，對管道跨越的安全性進行全面的計算校核。該方法已在我國南海某氣田成功應用，將常規需7～10 d的跨越處理作業時間縮短到24 h以內。

1 常規海底管道跨越點處理方法

在以往的工程實際中，應用較為廣泛的跨越點處理方法是使用混凝土壓塊，即按照設計路由的管道跨越點位置，在已建的管道上方堆放混凝土壓塊，使其頂部與兩邊的海床形成連續的過渡緩坡[1]。每片混凝土壓塊是用尼龍繩將30 cm×30 cm的小混凝土塊連接成片而制成的，總長約3 m，寬2 m，質量約2～3 t。安裝時使用預制的吊裝框架吊裝下水就位，再由潛水員或ROV（Remote Operated Vehicle）在水下解鉤，每次吊裝1～3片，見圖1。新建管道則鋪設在混凝土壓塊上跨越已建管道。

圖1 混凝土壓塊與吊裝框架

由于新建管道鋪設的實際路由不可避免地會與設計路由存在一定誤差，因此在使用混凝土壓塊進行跨越點處理時，所需要覆蓋的已建管道和海床面積就要考慮實際安裝時產生的誤差，另外，還要再根據水深確定放大系數。而且隨著水深的增加，吊裝就位的精度也會下降，調整就位的難度也將逐漸增大，這就會大幅增加管道跨越點處理所需的作業時間，增加了施工成本；同時也給原有在役輸油/氣管道、海底電纜帶來極大的安全風險。

2 軟管特性及跨越點處理

主要介紹軟管與傳統鋼管在結構特性上的區別，總結軟管跨越已建管道的新跨越方式的可行性，并詳述了采用注漿氣囊作為軟管跨越支撐的方法。

2.1 軟管與傳統鋼管的區別

海底軟管一般為非粘結軟管，由螺旋纏繞的金屬層、擠塑的聚合物層和纏繞的聚合物層經物理結合而構成。骨架層是軟管的最內層，是由可產生塑性變形的金屬帶制成的互鎖結構，故其彎曲剛度遠遠小于鋼管。其最小彎曲半徑一般為3～5 m，這樣其在鋪設作業時就具有了更高的靈活性，即使鋪設時偏離了設計路由，也可通過移船回收來調整鋪設軌跡。

在進行軟管鋪設作業時，軟管的懸鏈線較短，軟管的著泥點與船尾的距離較近，這樣就更方便潛水員或ROV對著泥點的觀察和作業。

2.2 采用注漿氣囊作為軟管跨越支撐

基于軟管上述特性，采用了一種簡單有效的軟管新式跨越處理方式，以此減少跨越施工所需要的時間。

選擇橡膠氣囊替代混凝土壓塊作為軟管跨越已建管道的支撐結構，將氣囊進行抽真空預處理，在鋪設時安裝在軟管管體上指定的位置。當完成軟管跨越鋪設后，向氣囊內注入水泥漿頂起軟管，注漿時通過潛水員或ROV觀察注漿狀態。當新鋪設的軟管被抬升至一定高度（一般做法為與已建管道保持至少30 cm的間隙）后停止注漿，見圖2，注漿完成后關閉注漿管道閥門并拆除及回收注漿管道。

圖2 軟管跨越氣囊支撐示意

2.3 氣囊定位及安裝方法

2.3.1 氣囊的定位方法

由于注漿氣囊不是預先放置在已建管道的跨越點位置，而是預先安裝在軟管上，而后隨著軟管一起下水鋪設在已建管道的跨越點的，因此在軟管的鋪設過程中，在何時、在軟管的何處安裝氣囊是施工作業中要考慮的重要問題。應盡量避免氣囊安裝位置錯誤，導致回收軟管、重復調整氣囊位置的麻煩。

首先應根據鋪設分析報告，了解作業水深、軟管懸鏈線長度、軟管著泥點與軟管入水點的距離。當軟管鋪設至跨越點附近時，通過潛水員或ROV來觀察、確定軟管著泥點與跨越點的水平距離L，也可以把USBL（超短基線定位系統）信標綁扎在軟管管體上來進行輔助定位。然后根據軟管懸鏈線的長度，從軟管著泥點開始在軟管管體上量取長度L進行標記。最后根據跨越間距分析（3.2.2節）得出的氣囊間距Y，在標記前后的各Y/2處安裝氣囊。

在實際施工中，由于船舶升沉造成軟管懸鏈線變化以及定位系統的定位精度有限，會造成約0～2 m的誤差，現場可以通過橫向移船來調整氣囊與已建管道的相對位置，保證已建管道處于兩氣囊之間。

2.3.2 氣囊的安裝方法

可使用綁扎帶將已抽真空的氣囊與軟管管體綁扎在一起并對稱折疊，見圖3～4，以此減小受力面積，并使其在注漿時能自由打開。氣囊應通過硫化預埋固定點，以方便安裝。綁扎時應從多角度進行捆綁，防止氣囊在水流的作用下轉動或移動。

圖3 綁扎帶

圖4 氣囊安裝示意

氣囊安裝固定完成后再連接灌漿管道，在氣囊接口處安裝一個適合潛水員或ROV操作的關斷閥門，閥門的把手應進行適當的保護，防止因波浪的拍擊造成閥門失效。在氣囊下放過程中，灌漿管道也應綁扎固定在軟管管體上，防止因灌漿管道過長而打結纏繞。

注漿時，安排潛水員或ROV觀察軟管抬升高度以及氣囊沉降量，隨時控制注漿量。注漿完成關閉注漿閥門，回收注漿管道。

3 跨越計算分析

以我國南海某氣田12 in（1 in=25.4 mm）管徑的海底軟管的鋪設為例，從軟管的懸跨、氣囊的沉降量、注漿壓力以及渦激振動等多方面進行計算分析，確保此軟管跨越點處理方法的安全性。

3.1 設計參數

表1～3分別給出計算分析所使用的軟管結構參數、風波流參數以及表層土壤參數。

表1 軟管結構參數

表2 風波流參數

表3 表層土壤參數

3.2 軟管懸跨分析

3.2.1 跨越高度分析

根據以往工程實際做法以及海底管道有關規范，新鋪設管道應與已建管道或電纜保持間距h0至少為30 cm。由于需跨越的已建管道外徑D0為406 mm，因此氣囊需要將軟管頂起的高度為：

式中：α0為安全系數，取1.4。

3.2.2 氣囊間距計算

將頂起的軟管簡化為懸臂梁，懸臂梁撓度公式為：

式中：Wb為豎向撓度，m，取值1.0；q為均布載荷即軟管單位長度自重，N/m，取值1 700；L2為注漿氣囊中心與海底管道觸泥點的水平距離，m；EI為彎曲剛度，N·m2，取313 630。

計算得到L2=6.2 m。

同時利用ANSYS軟件，對軟管的懸空段進行分析，得到兩氣囊間軟管撓度和軟管所受的最大彎矩值。根據默認密度進行網絡劃分，其結構計算模型見圖5。

圖5 軟管跨越的ANSY S模型

計算當頂起軟管的高度H為1 m時，在不同情況下軟管所受的彎矩以及L1段的最大撓度。計算結果見表4、圖6～9。其中中點位移為ANSYS直接反饋的計算結果，根據坐標系，設定同時減1 m后即為中點撓度。

表4 撓度、彎矩計算結果

3.3 氣囊沉降分析

氣囊的沉降量按照APIRP 2A WSD 6.13中淺基礎的穩定性所給出的經驗公式進行計算[2]。

式中：Q為基礎破壞時的最大豎向載荷，kN；c為土的不排水抗剪強度，kPa；A為實際基礎面積，m2。

氣囊的總載荷Q包括管體重力、氣囊重力以及水泥漿的重力，計算得到：

接觸面積A=2×6×2=24（m2），計算得到c=5.09（kPa）。

圖6 工況1海底管道撓度計算結果/m

圖7 工況3海底管道彎矩計算結果/（N·m）

圖8 工況4海底管道撓度計算結果/m

圖9 工況4海底管道彎矩計算結果/（N·m）

由表3的土質資料可知，該地區0.7 m深處土的不排水抗剪強度為3 kPa，故可估算出氣囊沉降約為1 m。

3.4 注漿壓力分析

本節主要根據氣囊所頂起的軟管重力以及克服的靜水壓力計算出注漿所需要的壓力，從而指導橡膠氣囊的選型以及注漿管道壓力等級的選擇。

3.4.1 靜水壓力P1

式中：ρ為海水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2，取9.8；h為水深，m。

本項目ρ取1 025 kg/m3，水深h取70 m，計算得到P1=0.703 15（MPa）。

3.4.2 軟管管體壓力P2

式中：α為水中單位長度軟管管體質量，kg/m；L為頂起軟管長度，m，L=L1+2L2；S為氣囊與軟管接觸面積，m2。

本項目α取68.45 kg/m，L=L1+2L2=5+2× 7=19（m），S=0.2×0.2=0.04（m2），則計算得到P2=0.318 6（MPa），注漿總壓力P=P1+P2= 1.022（MPa）。

故選擇抗爆破壓力為2 MPa的注漿氣囊以及注漿管道即可滿足使用要求。

3.5 渦激振動分析

為了避免諧振的出現，通過渦激振動（VIV）計算比較渦流的頻率和管道的自振頻率，以此確定管道自由懸跨允許的最大長度。如果軟管鋪設后進行埋設，則不用考慮操作期的自由懸跨，除非軟管基礎由于某種原因有被淘空的可能[3]。

本節計算以DNV-RP-F105“Free Spanning Pipeline”[4]為基礎，采用《海洋石油工程設計指南第五冊海底管道設計》中給出的簡化公式來計算臨界自由懸跨長度：

式中：Lcr為臨界自由懸跨長度，m；D為管道外直徑，mm；Vr為折算流速，m/s，由圖10中Ks對應的數值取得；Ks為穩定系數，無量綱；v為百年一遇底層流速，m/s；δT為結構模態阻尼比；C為邊界條件系數，無量綱，簡支取9.86；Me為單位管長的有效質量，kg/m。

本項目D取406.1 mm，v取112.6 m/s，Me取68.45 kg/m，δT按DNV-RP-C205柔性管建議取0.04，Vr取0.75 m/s，則計算得到Lcr=6.2（m）。

圖10 DNV-1981海底管道系統規范附錄A圖A.3[5]

4 結論

根據軟管剛度小、質量小等特性，采用注漿氣囊代替混凝土壓塊作為跨越支撐結構，安裝時受惡劣天氣影響較小，可大大縮短施工時間，降低施工成本。此方法已在我國南海“東方1-1氣田一期調整開發工程項目”海底管道鋪設中成功應用，在此項目的兩個跨越點處理中，施工用時均小于24 h，遠遠少于傳統方式5～7 d的施工時間。證明了本文所述方式在理論上和技術上是可行的，而且此方法可根據管徑、管單位長度質量、剛度、跨越距離、水深的不同，采用跨越分析、渦激振動（VIV）分析、注漿壓力分析等選擇氣囊與注漿系統，以適應各種各樣的工況[6]。

[1]易滌非，鄧欣，唐少華.一種新型海底管線跨越保護裝置[J].廣東造船，2014（5）：74-76.

[2]API-RP-2A，Recommend Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design（twenty-first edition，December 2000）[S].

[3]《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程設計指南第五冊海底管道設計[M].北京：石油工業出版社，2007：172.

[4]DNV-RP-F105，Free Spanning Pipeline（February 2006）[S].

[5]DNV-1981，Rules for Submarine Pipeline Systems[S].

[6]易滌非，李挺前，尹彥坤.國產復合軟管在潿洲6-1油田復產項目中的應用[J].石油工程建設，2012，38（2）：12-15.

Technique and Engineering Application of Submarine Flexible Pipeline Overcrossing Existing Pipeline

TANG Qianyu，CHEN Dajiang，ZHOU Shengjie，LIU Lihui，MADongshan
Engineering&Construction Center of CNOOC Zhanjiang Company，Zhanjiang 524057，China

In the regions having denser pipeline network such as Bohai Oilfield in Bohai Sea and Weizhou Oilfield in South China Sea，when a new submarine pipeline or cable crosses over the existing pipeline，the usual treatment method is to lay concrete weights on the existing pipeline at the crossing place.With the operation water depth getting deeper，this treatment method becomes more difficult and increases construction time period and cost.Based on the illustration of conventional pipeline overcrossing a existing pipeline in aspects of crossing place treatment，flexible pipeline features and crossing calculation，a new kind of overcrossing method is introduced in detail，that is to apply the grouting air bag as the support.The crossing safety is wholly checked by taking a practicalproject in South China Sea for example.This method has been successfully applied in a gas field in South China Sea，which has shortened the construction time period to 24 h compared with 7～10 d by conventionaltreatment method.

submarine flexible pipeline；overcrossing treatment；grouting air bag；overcrossing calculation

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.006

湯乾宇（1989-），男，天津人，助理工程師，2012年畢業于天津大學船舶與海洋工程專業，現從事海洋石油工程建設項目管理工作。Email:tangqy1@cnooc.com.cn

2016-06-25