海洋管道鋪設技術研究現狀

楊東宇，張世富，張冬梅，楊澤林，韓凱

海洋管道鋪設技術研究現狀

楊東宇1，張世富2，張冬梅2，楊澤林1，韓凱1

（1. 陸軍勤務學院 油料系，重慶 401331； 2. 陸軍勤務學院國家救災應急裝備工程技術研究中心， 重慶 401331）

隨著經濟的高速發展以及陸上油氣資源的大量開發和利用，國內外日益重視對于海上油氣資源的開發。海洋管道是海洋工程中最重要的組成部分，但海洋管道鋪設方式不同于陸地管線，荷載條件和邊界條件更為復雜，管道承受較大的應力和較高的風險，因此對管道敷設技術提出了更高的要求。針對海洋管道的鋪設方法以及各鋪設方法鋪設過程的研究方法進行對比分析，得出了不同鋪設方法的適用范圍，并提出了未來海洋管道鋪設過程分析方法的研究方向。

海洋管道；鋪管技術；鋪管船法；拖管法

據統計，世界海洋石油資源儲量約一千億噸，約占全球石油資源總量的三分之一[1]。目前有超過100個的國家已經加入海洋油氣開發的隊伍，希望能從中找到解決未來能源問題的方法。海洋管道的輸送工藝與陸地管道基本相同，但海洋管道敷設方式不同于陸地管線，荷載條件和邊界條件更為復雜，鋪設過程中管道承受更大的應力和更高的風險，因此海洋管道的鋪設方法設計是海洋管道設計中的重要環節[2]。

1 海洋管道鋪設技術

海洋管道是輔助海洋油氣資源開采的重要部分，主要負責開采后油氣集輸任務，海洋管道按管道相對位置有海底管道與海上漂浮管道兩種。其中漂浮管道多是軟質管道且一般作為戰時或其他極端狀況下應急使用，而海底管道則幾乎是一種永久性的海洋工程結構物且應用范圍巨大；目前，國內外通常鋪管船法以及拖管法進行海洋管道的鋪設。

1.1 鋪管船法

鋪管船法就是預先將專用的鋪管設備設施安裝在專門的鋪管船上，再利用船上的專業設備進行管道敷設[3]。鋪管船法作業時需要專門的鋪設船只，尤其適合較深海域的管道鋪設。選用鋪管船法進行海上管道鋪設作業時根據鋪管船以及鋪管設備的不同可分為“S”型鋪管法和“J”型鋪管法以及卷管式鋪管法。

（1） “S”型鋪管法

“S”型鋪管法是當前最常采用的海洋鋪管方法，在船上托管架的支撐以及海水浮力的共同作用下管道彎曲成類似S型曲線，形成拱彎區（Over Band）和垂彎區(Sag Band)兩個區段，如圖1所示。鋪設過程中對管道在拱彎區和垂彎區的曲率的調節可以通過控制管道的張力、拖管架的方向和曲率等而加以控制，在管道離開導管架時，管道進入海中的角度越接近豎直方向，鋪管船上張緊器的張拉效果越好；但經過一段時間的發展海洋管道型號逐漸加大，管道朝向從水平方向到豎直方向的改變所需要的空間也越來越大[4]，因此為滿足管道敷設時的空間需求鋪管船上的拖管架近些年由最普通的直線式慢慢向曲線式、分節式等新式結構發展[5]。選用“S”型鋪管法進行鋪管時需配備專用的鋪管船與鋪管設備，由于對管道的相關加工處理均可在船上進行然后直接鋪設，因此利用本法進行敷設的海洋管道一般質量較高，同時由于其可實現海上持續不間斷鋪設，因此鋪設速度較快，可達到3.5 km/d。

圖1 “S”型鋪管法作業示意圖

（2）“J”型鋪管法

“J”型鋪管法與S型鋪管法的最大區別在于在采用”J”型鋪管法進行鋪設時，管道進入水中的角度通常接近垂直，管道受力而彎曲成類似J型曲線，如圖2所示，因此本方法多用于深水和超深水海域的海洋管道敷設。為保證整個鋪設過程的安全性，在選用”J”型鋪管法時一般采用調節鋪管塔傾角和管道張力而達到改善整個管道的受力的目的。在本法的鋪設過程中由于對管道的焊接、密封性測試等工序都需要在接近垂直的方向上完成，因此在技術上實現難度相對較大，導致鋪管速度較慢，約1.5 km/d。

圖2 “J”型鋪管法作業示意圖

（3）卷管式鋪管法

卷管式鋪管法就是利用專業卷管設備將作業前已經在陸地制好的管道（一般是中小直徑的柔性管道）卷在專用滾筒上后再進行海上鋪設。因此卷管式鋪管船根據滾筒的放置方式可分為水平式和豎直式兩種[6]，如圖3所示。采用卷管式鋪管法鋪設時由于大部分操作比如管線的連接、滾卷等都已經在陸地上完成，因此管道可以以極快的速度鋪設，鋪設速度可達1千米/小時，并且管道質量相對較高，同時由于其操作簡單，因此卷管法鋪設是所有船鋪法中經濟性最好的方法。

(a)水平式 (b)豎直式

卷管式鋪管法不僅作用于商用海上油氣資源的開采，由于高水平的鋪管質量與快速的鋪管速度，其通常被采用于軍用油料輸轉。例如美國軍方的兩棲散裝液貨輸轉系統（ABLTS），如圖4所示，主要利用船載液壓軟管卷盤、牽引纜繩、小型作業艇、灘頭滑輪和起錨機絞盤實現漂浮軟管的快速展開。海上管道展開初始階段阻力比較小，一般通過小型作業艇直接牽引展開；隨著阻力的增大，作業艇難以繼續牽引，通卷盤牽引攬繩；作業艇到達岸邊后再固定安裝灘頭滑輪，將牽引攬繩繞過滑輪繼續步引纜繩；作業艇到達油輪后，通過起錨機絞盤帶動纜繩牽引管道完成漂浮管道的鋪設[7]。

圖4 美軍兩棲散裝液貨輸轉系統作業狀態圖

1.2 拖管法

拖管法鋪設就是將作業前已經預先在陸地上制備好的一定長度管道通過牽引船拖拉至預定位置后，將管道連接完整后再下沉至海底的方法。拖管法根據牽引過程中管道所處的海水深度可分為浮拖法、離底拖法和底拖法[8]。

（1）浮拖法

浮拖法就是預先在陸地上連接好的管段上捆綁一定數量的浮筒，如圖5所示，然后通過牽引船拖拉至預定位置沉放安裝的方法。采用浮拖法進行鋪設時管道主要依靠浮筒的浮力在海面漂浮，因此在牽引過程中管道受風、浪、流的影響較大，管道在海流和波浪作用下容易發生偏移或過大變形[9]，因此在管道鋪設前必不可少的需要針對鋪設過程進行準確的分析計算。

圖5 浮拖法作業示意圖

（2）離底拖法

離底拖法就是利用捆綁在管道上的浮筒和鏈接的海底拖鏈來進行重力平衡，如圖6所示，使管道在牽引過程中保持既離海床一定距離同時又不漂浮在海面的狀態。拖鏈是離底拖法鋪設的關鍵設備，除了在豎直方向上平衡浮力外，還因為與海床的摩擦能提供一定的摩擦力，利于維持管道在牽引過程中的穩定性。由于在整個牽引過程中管道處于懸浮狀態，受力相對較小，因此離底拖法對管道外部的保護性要求較低，但是為保持管道懸浮狀態，因此對浮筒的拆除時機與數量提出了更高的要求，鋪設難度較浮拖法更大。

圖6 離底拖法作業示意圖

（3）底拖法

底拖法就是指在整個牽引管道進行鋪設的過程中管道始終處于海床上，如圖7所示。采用底拖法進行鋪管的過程中由于管道始終與海床接觸摩擦，因此對牽引船的動力也有一定的消耗，同時其要求管道外表面的抗磨層相比較其他拖管法要更加厚實。采用底拖法進行鋪管的過程中管道整體全程都處于海底，風、浪等對其的阻力幾乎可以忽略，因此管道的整體受力狀態較好。

圖7 底拖法作業示意圖

綜上所述，海洋管道的鋪設方法各有優缺點且使用條件不同，如表1所示。

表1 海洋管道鋪設方法對比

在工程實際中，為保證施工過程的安全以及較高的工作效率，鋪管方式的選擇往往需要依據所擁有的設備設施、具體海況等實際情況來進行優選。鋪管船法由于其操作簡單且可靠性高而被大量應用于海洋工程，大多應用于墨西哥灣、北海等海域。而拖管法鋪設由于其鋪設過程中的不可控因素較多、受外界環境影響較大以及實施過程相對復雜而實際應用相對較少。我國的海洋工程的由于設備和技術的相對落后而發展較慢，導致我國的海洋管道鋪設技術起步相對較晚。直到1973年，我國才首次成功運用浮拖法成功敷設了東營-黃島輸油管道；1998年，我國采用浮拖法成功鋪設埕島海底雙層保溫輸油管道[10]；2004年， West Liby-an Gas Project(WLGP)成功運用底拖法在利比亞西海岸鋪設了多條海底管道；越來越多的海洋管道鋪設工程實際提供了寶貴的操作經驗，同時隨著工程量的不斷大型化以及控制的逐漸精細化也為進一步研究管道鋪設方法提出了更高的要求。

2 海洋管道分析方法

管道在鋪設過程中受到的載荷由于海洋環境的復雜性而多種多樣，不同的鋪管方式所受的主要載荷種類也不相同，因此不同的鋪管方式的符合實際鋪設過程的力學計算模型、分析方法均不盡相同。

1981年，A.H.Mousselli總結了各種鋪設方式的分析方法和適用理論，同時指出了不同分析方法的適用條件和理論等[11]。各種鋪設方法的對比如表2所示。

表2 各理論適用條件分析對比

由上表可以看出，當管道鋪設處于小撓度的情況下選用線性梁理論仍有相當不錯的實用性，其計算方法簡單且其計算過程無需進行迭代求解，方便快捷；雖然應用懸鏈線理論進行得出的結果精度較大，但是其受使用條件約束導致通用性差，因此大多應用于鋪管船法進行的管道鋪設過程設計；有限元法和非線性理論均是計算精度高且有很好的通用性，隨著科技的不斷進步，越來越成為受大家青睞的計算方法。

2.1 有限元方法

如今在工程實際中應用最廣泛的數值計算方法便是限元法。同時隨著科技的迅速發展，促使計算機的計算能力大幅提高，有限元法現在已經成為計算機輔助制造（CAM）和計算機輔助技術（CAD）的重要組成部分。在應用有限元法對海洋管道鋪設過程分析計算中，一般是用相互連接的經典梁單元系統來模擬管道，首先對每一個經典梁單元的剛度矩陣進行分析計算，然后將其在整體坐標系下進行整合集成，再應用邊界條件對剛度矩陣和荷載向量進行處理后求解平衡方程，最后可計算出所模擬管道各個連接點的位移大小。有限元法中模擬管道中簡化經典梁單元的彎曲剛度矩陣為：

增加軸向力后模擬管道經典單元的剛度矩陣變為：

在得到上述模擬管道的單元剛度矩陣后將其整合為整體剛度矩陣，再將荷載向量代入平衡方程中求解，可計算出單元節點的位移大小。

在管道的鋪設過程計算中，管道發生的一般遠小于管道自身，因而當管道平衡條件是以管道僅發生小變形為條件而建立的，此時可以忽略管道的實際形狀和位置的變化，達到快速計算目的的同時且符合精度要求，此類計算屬于線性計算理論。然而在鋪設海域水深較大時，管道可能會進入大位移狀態，也就是必須考慮管道形變等對平衡的影響，此時平衡條件的依據發生了改變，這樣問題就成為了非線性問題。

2.2 非線性有限元法

非線性有限元法是建立在有限元法的基礎上，專門用來解決非線性結構問題等常規有限元法不能解決的問題的一種數值計算方法。非線性有限元法的計算往往極為復雜，因此其極度依賴電子計算機的計算能力。但是非線性有限元法的應用往往不受計算對象在幾何和物理上的限制，這是其它求解方法無法比擬的，因此其發展快同時也越來越得到工程各方的重視，是未來進一步研究管道鋪設過程的重要突破方向。由式4可以看出當模擬管道的整體剛度矩陣是關于節點位移的函數時，其平衡方程就是非線性有限元方程[12]。此時通常應用牛頓-拉夫遜法對其進行求解，迭代公式為：

當上述迭代法計算后得到的不平衡力足夠小時，此時模擬管道的累計變形為求得的管道鋪設過程變形。

在應用非線性理論對海洋管道進行數值計算時，最主要的是管道變形的幾何非線性問題，目前應用較為廣泛的是將管道視為彈性、非線性的幾何大變形梁模型進行求解。與上文的線性有限元法所應用的線性梁理論相比，采用幾何非線性的大變形梁作為模擬鋪設管道的適用條件更廣，同時其計算精度也更高。

3 結束語

隨著陸地油氣資源的逐步枯竭，人們愈發重視海洋油氣資源的開發利用。本文針對海洋管道的鋪設方式以及各鋪設方法過程的研究方法進行了對比分析，相較于拖管法，鋪管船法由于其沉放難度小、對海況的要求低，因而在國內外取得了大量的應用；未來對于有限元法的利用將促使海洋管道鋪設技術進一步提高。我國海洋管道的鋪設和設計由于起步較晚，技術和裝備相對落后，對海洋管道鋪設的設備研發和相關理論需要更加全面的研究，從而加速對我國海上油氣資源的開發利用，推動國內經濟的健康、可持續發展。

［1］楊進,劉書杰,姜偉,等. ANSYS在海洋石油工程中的應用[M]. 北京:石油工業出版社, 2010.

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Research Status of the Laying Technology of Offshore Pipeline

1,2,2,1,1

（1. Oil Department of Army Logistics University of PLA, Chongqing 401331，China；2. National Disaster Emergency Equipment Engineering Technology Research Center, Army Logistics University of PLA, Chongqing 401331，China）

With the rapid development of economy and the exploitation and utilization of land oil and gas resources, more and more attention has been paid to the exploitation of marine oil and gas resources at home and abroad. The offshore pipeline is the most important part of ocean engineering, but the offshore pipeline is different from land pipelines, the load and boundary conditions are more complex, and the offshore pipeline is always under high stress and high risk, therefore the laying technology of offshore pipeline need also meet higher requirements. In this article, the offshore pipeline laying methods were compared and analyzed as well as the research methods of offshore pipeline laying process based on these laying methods, the applicable scope of different laying method was obtained, the future research direction of pipe laying process analysis method was put forward.

Offshore pipelines; Laying technology; Lay barge method; Pull-and-tow technique

TE 835

A

1671-0460（2017）12-2551-05

國家科技支撐計劃，項目號：2014BAK05B00。

2017-10-10

楊東宇（1994-），湖南邵陽人，碩士研究生，研究方向：從事石油與天然氣管道加注技術方面研究。E-mail：467046325@qq.com。