地質沉降區域海底管道修復方案設計與分析

于銀海，張 捷，劉 朋，崔占明，夏長彬，楊 泳

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

海底管道是海上油氣田開發和建設的重要組成部分，它是油氣集輸和外輸最主要的方式[1]。海底管道損傷后，針對不同的損傷形式、管道結構和所處海域位置，所采取的管道搶修方案也各不相同[2]。海底輸送油氣管道斷裂損傷后，通常采用更換管段的方式修復，修復后的管道一般能夠達到與原管道同樣的運營壽命。但位于復雜海況和特殊地質條件下的海底管道，損傷后如單純地更換一段與原管道相同的管段，可能達不到永久修復的目的，在管道后期運營過程中存在著再次損傷的風險。為了確保修復后的管道運營安全，除對管道修復位置的海床做特殊處理外，改變原管道路由，避開海床地質條件差的區域，往往是一個更好的選擇。但如此一來，除了需要向海事部門重新申請海底管道路由海域使用權，還要進行路由選擇設計、管道鋪設挖溝等，很大程度上會增加管道修復成本并延長整個修復周期，在國際油價低迷的情況下，多數管道業主會尋求更好的解決方案。本文以東海某油氣田直徑10 in（1 in=25.4 mm） 登陸輸油管道修復為例，介紹位于地質沉陷區域的海底管道斷裂后的永久修復。

1 工程概述

2012年8月，在臺風“海葵”影響下，東海某油氣田D 10 in輸油登陸管道在舟山群島附近的一處管段發生斷裂，管道斷裂位置距平臺位置約250 km，水深約25.5 m。通過在水下安裝三節與原管道壁厚、材質、強度等級相同的管段并以法蘭連接的方式完成了損壞管道的修復，更換管道總長101 m。2014年10月臺風經過舟山海域時，該管道在相同位置再次發生斷裂，其斷裂位置示意見圖1。以上兩次管道斷裂時，斷裂管道所處區域海床均發生了沉陷，管道從埋深1.5 m 下沉到埋深約3.5 m。

原損傷管道為單層配重管，其基本參數見表1。由于原管道壁厚較薄，強度等級較低，如繼續使用與原海底管道相同的管道在原路由替換損壞管段，在后續管道運營中仍存在再次損傷的風險。

圖1 管道再次斷裂位置示意

表1 原管道基本參數

2 方案設計

根據斷裂管道屬性和所在海域水深及管道埋深等情況，通常采取將損壞管道起吊出水面，在管端焊接法蘭或在損壞管道兩側管端水下安裝機械連接器法蘭，然后制作兩端帶法蘭的直管道短節，與兩側損壞管道連接的修復方法[3]。正常情況下，采用以上方法修復后的管道壽命能夠滿足運營周期的要求，但位于特殊地質區域的斷裂管道采用此種修復方式，在后期運營過程中往往會出現再次損傷，正如本文所描述的D 10 in輸油管道，在首次完成修復后不久又出現了再次損傷。海底管道修復施工相比陸地管道難度大、成本高，因此在修復方案設計階段，應充分考慮各種因素的影響，并進行必要的分析，以實現管道的永久修復[4]。

管道修復方案如圖2所示。針對損傷管道所處的特殊地質環境，以圖1中法蘭1處作為新更換管道的一個端點，在法蘭4向近岸端方向約15 m處選擇新的管道切割點，安裝機械連接器作為新更換管道的另一端點（法蘭5），中間更換管道采用立體膨脹彎的形式，略偏離原管道路由一定的距離，利用管道的伸縮膨脹消除地質沉降對管道安全的影響；同時提高更換膨脹彎管道壁厚和強度等級，最大程度地提高管道承受應力的能力，進行管道的永久修復。

新更換膨脹彎管道基本參數見表2。

3 沉降分析

3.1 計算基礎

3.1.1 海水溫度

施工區域海水最高溫度為30.8℃，最低溫度為 3.5℃。

圖2 管道修復方案/m

表2 膨脹彎管道基本參數

3.1.2 地震設計參數

最大水平地震加速度見表3，最終采用了200年一遇的地震加速度作為設計參數。

表3 水平地震加速度

3.1.3 土壤數據 （見表4）

表4 土壤數據

3.2 分析模型

利用AUTOPIPE有限元分析軟件，建立整個膨脹彎及延伸段海底管道模型。分析膨脹彎各點應力，校核膨脹彎是否滿足設計規范要求。根據膨脹彎幾何形狀，從兩端部法蘭向外延伸各50 m模擬老海底管道。

管土相互作用模擬[5]：由土壤的彈塑性模型進行模擬，圖3為土壤約束力與土壤位移間的關系。管土約束彈簧的模擬內置于AUTOPIPE軟件中，其依據原理為 ASCE 2001，Guideline for the design of buried steelpipe。

圖3 土壤約束力與土壤位移間的關系

按保守考慮，在該模型兩側加上海底管道膨脹位移；考慮到該段膨脹彎距離平臺約250 km，管內介質到達修復點后的溫度等同于環境溫度，管材工作溫差按極端環境溫差考慮。

3.3 設計工況組合

作用于修復段管道的荷載可以分為以下幾類：

（1）功能荷載：管道自重、壓力和溫度，上覆土壓力。

（2）環境荷載：波浪和流。由于原海底管道在泥面以下，修復段安裝時采用挖溝保護，所以不考慮波流荷載。

（3）偶然荷載：地震荷載。

修復段的結構完整性通過一系列關鍵的荷載工況組合來驗證。本次不同工況組合的強度分析見表5。

表5 不同工況組合的強度分析

3.4 結果分析

沉陷區為不均勻沉陷，中心附近最大沉陷為2 m，兩側逐漸減少，沉陷形狀如圖4所示。計算分析時在膨脹彎兩端加上膨脹位移，并考慮膨脹彎在運營時壓力及溫度，按照設計工況分析計算模型，根據計算結果校核膨脹彎應力。

圖4 沉陷區不均勻沉降

原海底管道的設計采用DNV 1981規范[6]，本次膨脹彎的校核仍遵循原設計規范。膨脹彎應力校核結果如表6所示。

表6 膨脹彎最大UC值

經校核，修復后的膨脹彎隨地質沉陷2 m的情況下，三種工況下的管道最大UC值均小于1，故膨脹彎結構強度滿足DNV1981規范要求。

4 項目實施

2015年3月，該海底管道修復項目按照設計方案安裝了4節膨脹彎管道：與兩側原管道連接的膨脹彎為高差達2.5 m的立體膨脹彎，其余兩節采用普通形式膨脹彎，每節膨脹彎之間采用法蘭連接。所有膨脹彎安裝前，在設計路由上先使用挖溝機吹出約0.5 m深管溝，以便管道安裝后處于管溝內，降低海流對管道正常運營的影響。

修復完成后的管道經歷多次臺風考驗，至今未發現任何異常，每年管道業主對修復后的管道進行多次調查，管道均處于正常狀態。

5 結束語

海底管道維修和改線在國內已經具有成熟的技術體系，但對處于特殊地質條件下的管道修復和改線，需要考慮各種影響因素可能造成修復后管道的再次損傷。通過本次管道修復項目方案設計和實踐，可以得出如下結論：

（1）立體膨脹彎用于海底管道原損壞平管段的維修，利用彎管的可伸縮性，消除了地質沉降對管道的影響。

（2）采用高等級材質的管道，并適度增加管道壁厚，有效地增強了修復后的海底管道抵抗外部應力的能力。

（3）在強有力的計算軟件支持下進行管道隨地質下沉的定量應力分析，能夠確保管道在設計沉陷范圍內的運營安全。

本項目的成功實施，可為以后類似管道修復項目提供有益的借鑒，進一步提升了特殊地質條件下海底管道維修的整體水平。

[1]陳晨，陳社鵬，谷風濤.海底管道修復技術及我國的發展狀況[J].化工裝備技術，2015，36（5）：59-63.

[2]江錦，馬洪新，秦立成.幾種典型海底管道修復技術[C]//第十五屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集，北京：海洋出版社，2011：405-410.

[3]候濤，安國亭.海底管道損傷的原因分析及維修[J].中國海洋平臺，2002，17（4）：37-39.

[4]陳晨，陳社鵬，谷風濤.海底管道修復技術及我國的發展狀況[J].化工裝備技術，2015，36（5）：59-63.

[5]郭喜亮，張日向，姜萌.埋設管線管土相互作用的有限元分析[J].中國水運，2011，11（12）：224-226.

[6]DNV1981，Rules for Submarine Pipeline Systems[S].