鋼質海洋放流管沉放工藝研究及應用

麥研，趙健，吳凱，王勇

（中交四航局第八工程有限公司，廣東 惠州 516003）

0 引言

目前，國際上大部分海底管道的安裝工程是服務于海洋石油領域，都是采用專用海洋管道鋪管船。海洋放流管多應用于沿海排污工程，屬于輸水管道，通過敷設于陸地和海底的管道，離岸輸送污水到一定的水下深度，再利用水下多孔擴散器稀釋污水，達到環保排放要求。受到水深和管道長度、曲率的限制，專用鋪管船無法適用于近岸或接岸的海底放流管安裝。近岸或接岸的海底放流管安裝主要有：水面拖帶、離底拖帶和海底拖帶3 大類。離底拖帶對浮力控制要求高、工藝復雜，難以控制；海底拖帶會損傷管道涂層、易于陷入淤泥。水面拖帶便于直觀控制，但是對海況的要求很高，故一般選擇在浪涌較小和沒有季風的季節進行鋼質放流管沉放。放流管多為大口徑薄壁鋼管，兩端封堵后能漂浮在水面上，管道海上浮運到達預定位置進行灌水沉放安裝。

管道灌水沉放是典型的大變形過程，灌水過程中，管道軸線發生大變形，具有極強的非線性，同時管道自身應力需小于許用應力，以滿足管道安裝質量要求。李成凱等[1]基于油氣管道，建立工程船提吊沉放管道的模型，對不同管道沉放方案的彎矩應力進行分析。唐志堅[2]利用應變計監測過江管道灌水下沉過程中的實時變化情況，實時指導起重船下放吊纜。林森[3]基于油氣管道，對管道下放過程進行數值仿真和分析，指出隨著安裝水深的加大，管道在豎直平面的應力應變不可忽視。肖揚洋等[4]基于U 形過江管道，分析在氣囊和吊纜輔助下，過江管道沉放的應力分布及吊纜張力。孫國民等[5]基于油氣管道，利用OFFPIPE 軟件對管道的沉放和提吊進行分析。陳猛等[6]采用氣囊和吊帶輔助HDPE 管道沉放，研究氣囊數量的配置方法和原則。曲楊[7]結合海底油氣管道，對管道在提吊和下放的過程進行受力分析，研究管道在提吊和沉放過程中的變形和應力分布狀態。林富等[8]對排海壓力管道沉放施工進行研究，通過合理布置管道吊點，使用起重船控制管道灌水沉放。謝遵哲等[9]以排海管道施工為例，配合3 艘起重船作業，通過起重船吊纜控制管道的曲率半徑和應力，成功完成管道的沉放施工。童小飛[10]以海底輸油管道工程為例，闡述了懸掛配重的方式進行管道海上沉放的施工工藝及相關措施。目前，對于海底管道的沉放工藝主要分為3 類，即起重船控制吊纜輔助沉放、氣囊輔助沉放和吊纜+氣囊共同輔助沉放。起重船控制吊纜輔助沉放主要應用于海底油氣管道，氣囊輔助沉放主要應用于海底HDPE 管道沉放，吊纜+氣囊輔助沉放主要用于過江曲線管道的沉放。而針對鋼質海洋放流管的沉放工藝研究較少。

本文以鋼質海洋放流管為對象，從沉放姿態、臨界沉放水深和沉放深度控制等方面進行工藝研究，探討近岸鋼質海洋放流管沉放工藝。

1 工程概況

海洋放流管工程是廣東揭陽大南海石化工業園區配套輔助設施工程之一，建設排海規模為3.4萬m3/d 的尾水排放管道。作為第一階段的尾水排放設施，放流管是處理達標污水的主要排放管道，項目總布置如圖1 所示。海洋放流管總長約4.1 km，材質為Q235 鋼管，管內徑為1 000 mm，壁厚16 mm。

常規的海上吊裝施工工藝，受限于駁船裝載能力和起重船起重能力，單段管道僅能做到100 m長，需安裝和對接41 次，工期壓力巨大。本研究安裝工藝采用分節水下安裝，先在陸上焊接數百米的鋼管，再拖管下水，下水后使用拖輪拖帶浮運管道，就位后灌水沉放，管節之間的連接采用水下法蘭對接。

工程所處粵東地區海上環境惡劣，受到臺灣海峽的影響，海浪中涌浪成分占比居中；每年的11 月—次年4 月受到季風的影響，且頻發海霧，基本沒有作業時間；直至每年的5—11 月有效作業時間增至約10 d/月。

2 工藝沉放研究

管道在沉放過程中，水深是影響管道沉放應力的關鍵參數。隨著沉放水深的增加，管軸的等效應力也隨之增大；當超過臨界深度時，管道沉放應力大于自身許用應力，此時采用氣囊+吊帶輔助管道沉放[6]，根據沉放深度和次數配置不同長度的吊帶并封鎖吊帶的一部分長度，實現管道水下多次下沉，每次下沉深度小于臨界深度。管道沉放工藝分析流程如圖2 所示。

圖2 工藝分析流程Fig.2 Process analysis process

2.1 管道沉放臨界深度分析

1）放流管主要參數

以500 m 長度的管節為研究對象，為了探究其沉放的臨界深度，分析該管節在不同水深沉放下的等效應力，放流管的主要參數見表1。

表1 放流管主要參數Table 1 Main parameters of outfall pipeline

2）管道直接沉放分析

采用Midas Civil 建立500 m 長放流管模型，單元長度設為1 m，將海床面及海水浮力模擬為非線性彈簧，灌水荷載模擬為豎向均布荷載，管道兩端采用鉸支約束，采用牛頓迭代法進行求解，分別模擬1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m和8 m 等8 種不同的水深，模型及分析結果如圖3 和圖4 所示。圖4 中等效應力變化結果表明，管道最大等效應力隨著沉放深度的增加而增加；當沉放深度為5 m 時，管道最大等效應力接近許用應力170 MPa；對于內徑為1 m、壁厚16 mm 的Q235 鋼質放流管，臨界沉放深度為5 m。

圖3 放流管有限元模型Fig.3 Finite element model of marine outfall pipeline

圖4 管道沉放深度-應力分析Fig.4 Analysis of depth-stress for pipeline sinking

2.2 氣囊輔助管道灌水沉放受力分析

1）助浮氣囊配置

氣囊數量由助浮安全系數和管段負浮力共同確定。管段的助浮安全系數是指氣囊總浮力與管道負浮力的比值。為了確保灌水完成后，在氣囊的助浮作用下，管段可以穩定地懸浮于水中，以便進行管段的對接等操作，一般助浮安全系數不小于1.4[6]。考慮助浮安全系數后，進行不同浮力氣囊的配置分析，500 m 管長的助浮氣囊配置結果見表2。表2 結果可知，不同浮力規格的助浮氣囊所需的氣囊數量和間距各不相同，對于500 m 長度的放流管管節，綜合考慮經濟性和施工便利性，選擇5 t 助浮氣囊效果最優。助浮氣囊示意圖見圖5。

表2 氣囊配置Table 2 Buoy configuration

圖5 助浮氣囊示意圖Fig.5 Schematic diagram of buoyancy aid

2）氣囊輔助管道沉放有限元分析

基于2.1 節中直接沉放的有限元管道模型及臨界沉放深度5 m，將助浮氣囊和海水浮力模擬為非線性彈簧，灌水荷載模擬為豎向均布荷載，管道兩端采用鉸支約束，采用牛頓迭代法進行求解，分析結果如圖6、圖7 所示。圖6—圖7 的結果表明，管道灌水初期，管道線形呈現J 形，當100 m 長管道灌水后，氣囊開始發揮作用；管道開始呈現S 形，灌水100～400 m 范圍內，管道軸線始終保持為S 形軸線，過程中最大等效應力為142 MPa；當灌水長度超過400 m 時，管道軸線又呈現J 形，隨著灌水長度增加，直至灌水沉放結束。

圖6 管道豎直平面變形圖Fig.6 Deformation of pipeline in vertical plane

圖7 管道灌水沉放250 m 長度時應力云圖Fig.7 Stress nephogram of pipeline sinking with 250 m length for water filling

2.3 水下多次沉放工藝

管道沉放過程，管軸線呈現S 形狀，根據管道沉放時水深條件的不同，確定氣囊輔助管道沉放的次數，即是所謂水下多次沉放，典型的水下多次沉放吊帶封鎖示意如圖8 所示。管道初次沉放為灌水沉放，灌水沉放后管道的負浮力由氣囊平衡，此時分析管道剩余沉放的深度，若大于臨界沉放深度，則管道進行水下再次沉放，每次沉放深度小于臨界沉放深度，直至管道剩余沉放的深度小于臨界沉放深度。水下多次沉放采用吊帶封鎖的工藝，根據沉放的次數選擇合適長度的吊帶，使用繩索（犧牲繩）將吊帶長度臨時封鎖，每次在水下沉放時割除一段繩索，釋放一部分長度吊帶，使得管道能夠在水下多次沉放。

圖8 水下多次沉放吊帶示意圖Fig.8 Diagram of multiple underwater sinking

3 施工方案設計

工前需檢查氣囊的充氣程度，確保連接吊帶的綁扎正確。同時，需額外準備1/5 的備用氣囊和吊帶，海上氣囊失效后能及時補位。

3.1 灌水沉放

1）水深小于臨界水深

此時無需氣囊吊帶輔助沉放，直接進行管道灌水沉放，打開管道一端盲板上的閥門，灌水端管頭明顯下沉后，開啟管道另一端盲板上的閥門，一端灌水、一端放氣；同時，起重機抬起放氣端的管頭，保證放氣端始終在水面以上，海上從灌水端逐漸向放氣端流入，管道也逐漸下沉坐底；放氣端即將下沉時，松開起重機，使得放氣端坐底沉放。灌水沉放示意如圖9 所示。

圖9 氣囊吊帶輔助放流管灌水沉放Fig.9 Buoy sling assisted outfall pipeline sinking

2）水深大于臨界水深

當管道沉放水深＞臨界水深時，此時采用氣囊+吊帶輔助沉放，沉放步驟同上；灌水沉放時氣囊發揮其浮力作用，并且控制管道沉放的深度，氣囊由進水端至放氣端逐漸發揮其浮力作用；直至放氣端也全部沒水，氣囊發揮全部浮力的作用，如同起重機般將滿水的管道整體抬吊于海上。

3.2 水下再次沉放

1）水下再次沉放

當管道距離管槽底部的深度＞臨界沉放深度時，通過割除封鎖吊帶繩索，進行管道水下再次沉放。潛水員在水下從一端到另外一端，依次將封鎖吊帶長度的繩索割除。隨著吊帶長度的變化，管道將繼續向下沉放，直至所有的繩索割除完畢，管道完成水下再次沉放。

若水下二次沉放后，管道距離管槽底部的深度仍然大于臨界沉放深度時，則繼續進行管道水下沉放，工藝同上。根據沉放次數的不同，提前設置多個封鎖吊帶的纜繩。水下多次沉放時，每次水下沉放割除一個封鎖纜繩，直至管道距離管槽底部的深度＜臨界沉放深度。再次沉放示意如圖10 所示。

圖10 放流管水下再次沉放Fig.10 Outfall pipeline underwater re-sinking

2）管道坐底沉放

當管道距離管槽底部的深度＜臨界沉放深度時，進行管道坐底沉放。潛水員在水下從一端到另外一端，依次割除與管道連接的氣囊吊帶。隨著氣囊吊帶的割除，管道逐漸下沉坐底至掛管槽中，直至所有氣囊吊帶割除完畢，完成管道的最終坐底沉放。

4 應用效果分析

現場沉放如圖11 所示，其中近處為漂浮于水面的管道，遠處已經完成一次沉放，中間段為過渡的S 形管道。在依托工程的施工中，采用本研究所用的沉放工藝，最終提前1 個月完成了工程項目。采用潛水測深表以及超聲波測深儀檢測管道安裝標高，標高誤差小于±50 cm；采用GPS 等測量儀器檢測管道安裝軸向偏差，軸向誤差小于±50 cm；采用2 mm 塞尺檢測法蘭接頭縫隙，縫隙小于2 mm；各參數檢測合格，滿足驗收要求。

圖11 放流管海上沉放Fig.11 Marine sinking of outfall pipeline

5 結語

本文以長500 m、內徑1 m 的鋼質放流管為研究對象，采用數值分析方法，以S 形管段的等效應力為限制條件，確定管道沉放的臨界深度；以助浮安全系數和管段負浮力共同確定氣囊的浮力、氣囊數和間距等配置；以水下多次沉放的方式最終實現放流管的沉放，并在依托工程中應用效果良好。工藝總結如下：

1）管道灌水沉放時，隨著沉放深度的增加，管道等效應力也隨著變大，在管道安裝前需分析管道沉放的臨界深度，并在安裝過程中嚴格控制管道單次沉放的深度；

2）通過在水下割除臨時封鎖吊帶長度的繩索，實現控制沉放深度和水下多次下沉，保證了沉放過程的安全性；

3）氣囊+吊帶輔助管道沉放工藝，對船機設備要求低，設備種類和數量少，同時也能適應各種不同的水深，施工便利性和經濟性較好。