綏中港海底管道下臥改造項(xiàng)目施工可行性研究

押延寧，史云龍

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

隨著能源需求量日益增加，人們進(jìn)入大面積開發(fā)海洋資源的時代，沿海石油工程開發(fā)建設(shè)工程量日趨增多，隨之而來的海底能源管道鋪設(shè)量也日益增加。海底管道具有能源輸送、水源島際輸送以及污水排放等功能，其中最為重要的功能是能源輸送，隨著能源供給需求的日益增加，海底管道的輸送長度也隨之增加。目前中國海上油氣管道總長度已經(jīng)超過6 000 km，這些管道在近海岸線附近密集分布，導(dǎo)致大多數(shù)管線與現(xiàn)有航道存在交叉情況。但隨著航運(yùn)的逐漸發(fā)展，越來越多的船舶需要加深航運(yùn)深度，這種情況的出現(xiàn)導(dǎo)致海管的設(shè)計(jì)埋深需要重新調(diào)整。因此為了使船舶吃水深度進(jìn)一步加深，打破吃水深度限制，海底管道需要采取下臥方式增加敷設(shè)深度。

本文以某海底管道路由調(diào)整需求為例，充分考慮航道交叉以及周邊管纜分布情況，確定管道下臥深度需求，對比兩種不同下臥方案后，在不停止運(yùn)行的條件下采取改變原海底管道路由的下臥方式將管道下臥。

1 海底管道挖溝技術(shù)

1.1 海底管道挖溝方式

根據(jù)海底管道鋪設(shè)的先后順序，海管鋪設(shè)方式可以分為預(yù)挖溝鋪設(shè)和后挖溝鋪設(shè)兩種方法。另外根據(jù)挖泥船的種類不同，又可分為抓斗開挖、吸揚(yáng)開挖、鏈斗開挖、水下鏟斗開挖和爆破開挖。目前所采用的挖溝機(jī)設(shè)備大多數(shù)是針對后挖溝施工設(shè)計(jì)，后挖溝作業(yè)的施工技術(shù)相對成熟、操控簡單、安全系數(shù)較高，并且對環(huán)境的破壞性較小。

1.2 海底管道挖溝施工原理

以水力噴射挖溝機(jī)運(yùn)行為例，其工作原理是噴射泵形成的高壓水流經(jīng)過噴射臂噴出后，將海底管道下部的海床土打散，使其充分液化后，利用挖溝機(jī)上的抽吸臂通過射流原理將液化后的土體噴移至海溝外部，在管道下方形成管溝，海底管道會在自身重力的作用下逐漸下沉到管溝內(nèi)。

1.3 挖溝機(jī)系統(tǒng)組成

水面支持系統(tǒng)、挖溝機(jī)本體以及臍帶電纜是構(gòu)成挖溝機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分：水面支持系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、臍帶電纜絞車、動力源、液壓站以及監(jiān)控室等構(gòu)成；挖溝機(jī)本體的核心為主體結(jié)構(gòu)，此外在主體結(jié)構(gòu)上會布置噴沖、液壓、抽吸、水下傳感以及電控等功能的輔助系統(tǒng)；臍帶電纜主要指連通水上與水下的臍帶電纜，其主要功能是完成動力與信號的傳輸。

2 常見的海底管道挖溝方法

2.1 機(jī)械挖溝法

機(jī)械挖溝主要通過鉸刀在海床表面直接開溝或采用開溝機(jī)在海床上直接挖出海溝。采用開溝犁的機(jī)械挖溝能夠?qū)崿F(xiàn)在海床上挖出較為整齊的管溝，并且不會對周圍土壤的抗剪強(qiáng)度造成影響，在挖出管溝的同時可以形成邊坡，挖出的土體短時間不會進(jìn)入管溝。水下開溝犁根據(jù)其功能可分為管道敷設(shè)前開溝、邊鋪管邊挖溝和管道鋪設(shè)后挖溝。

2.2 水利挖溝法

水利挖溝法主要采用射排的方式形成海溝，通過高壓泵形成高壓水流，并將水流從高壓噴頭射出，高壓噴頭可以根據(jù)需求隨時改變水流方向。高壓水流能夠快速液化海底的土體，并利用排泥泵形成的高壓射流將液化后的土體快速排凈，形成完整的海溝。水利挖溝法與機(jī)械挖溝法對挖溝裝置的牽引方式是相同的，但水利挖溝法的動力源在船舶上，因此，這種方法更適合海底管道地質(zhì)條件較為復(fù)雜的施工環(huán)境。

2.3 機(jī)械與水利結(jié)合挖溝法

一般在遇到海底土體堅(jiān)硬的情況時，會選擇機(jī)械與水利相結(jié)合的方法，即利用機(jī)械挖溝法的鉸刀部件的同時利用射水泵和排泥泵完成管溝的成型。

2.4 不挖溝進(jìn)行海底管道埋設(shè)法

不挖溝進(jìn)行海底管道埋設(shè)法的工作原理是在管道上方設(shè)置一個阻流板，當(dāng)海底管道受到水流阻擋時，水流經(jīng)過管道的阻擋會產(chǎn)生一部分向下的流動，形成渦旋流動并不斷沖刷管道底部的土壤，進(jìn)而挖動管道底部的淤泥，并將淤泥帶走。這樣在管道底部就可以形成一定深度的管溝，在管道自重的作用下原管道可以下降1.0～1.5倍管徑的深度。

3 后挖溝施工流程

3.1 預(yù)調(diào)查階段

在預(yù)調(diào)查階段，調(diào)查船需要利用海洋調(diào)查、鉆孔等對計(jì)劃開展施工的海域進(jìn)行調(diào)查并提取土壤樣本，這些樣本參數(shù)是后期重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。同時，研究人員也要通過這些信息深入了解埋設(shè)海域海底土壤的實(shí)際條件，并根據(jù)提取的土壤樣本進(jìn)行深入分析，確定海底管道的鋪設(shè)深度、采用的挖溝方式以及相應(yīng)的挖溝船和挖溝機(jī)型號。

3.2 挖溝船就位

挖溝船舶行駛至施工位置，在船舶周圍設(shè)置8個錨完成船位固定，并利用船舶上的衛(wèi)星定位系統(tǒng)和海管路由記錄位置信息，將船舶準(zhǔn)確地定位在挖溝位置處。為了保證管道安全，在進(jìn)行錨固定時，拋錨位置與海底管線的距離要大于200 m，若錨纜存在跨越管線的情況，那么拋錨位置與管線的距離要大于250 m。完成拋錨工作后要對錨纜進(jìn)行拉拔測試，保證每一個錨均實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定固定。

3.3 挖溝機(jī)下水

確保完成所有設(shè)備連接工作后，便可將挖溝機(jī)放入水中，同時將臍帶電纜和液壓軟管放入水中。開啟水下泵，對噴沖壓力和抽吸真空度進(jìn)行測試，對泵的姿態(tài)和信號傳輸情況進(jìn)行檢測，對噴沖臂與抽吸臂的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行檢查，在完成對水下泵的全部檢測工作后便可以關(guān)閉水下泵。將挖溝機(jī)繼續(xù)下放至海床附近，完成挖溝機(jī)的定位工作，并利用對中機(jī)將挖溝機(jī)與待敷設(shè)的海管對正。

3.4 挖溝施工

挖溝機(jī)開始在起始點(diǎn)進(jìn)行挖溝，同時船舶也開始移動沿海管鋪設(shè)線路挖溝，下放噴沖臂和抽吸臂開始造坡工作。在挖溝過程中采用聲納設(shè)備對挖溝的深度與寬度進(jìn)行監(jiān)測，利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)監(jiān)測船舶與挖溝機(jī)的路線與位置，并不斷調(diào)整船位位置，確保挖溝機(jī)的線路未發(fā)生偏移。挖溝結(jié)束后，利用聲吶系統(tǒng)掃描管溝形成圖像，從而確定管溝深度等參數(shù)。

3.5 挖溝機(jī)回收

當(dāng)挖溝施工完成或遇到極端海況時，需要暫停挖溝作業(yè)，要將挖溝機(jī)提升出水面，吊至甲板處穩(wěn)定固定，并關(guān)閉水下泵，同時將臍帶電纜與液壓軟管收回。

3.6 后調(diào)查階段

挖溝工作結(jié)束后，需要采用調(diào)查船對海底管道進(jìn)行掃描，一般利用雙頻管道剖面儀完成掃描工作，獲得海底管道的真實(shí)埋深，最終檢驗(yàn)挖溝效果。在檢測過程中，要將海管兩側(cè)10 m范圍內(nèi)未受到影響的海床平面視為基準(zhǔn)面完成對海管實(shí)際深度的測試。

4 海底管道下臥改造項(xiàng)目介紹

根據(jù)2015年葫蘆島港總體規(guī)劃，規(guī)劃港區(qū)進(jìn)港主航道與三條為中國海油綏中36-1 陸地終端提供原油的海底管道存在相互影響。為此，對15萬噸級航道與JZ25-1S CEP至SZ36-1陸地終端、SZ36-1CEP至陸地終端、LD10-1CEP至陸地終端三條海管的交叉區(qū)域進(jìn)行了海管下臥改造施工的可行性研究，三條外輸管線的參數(shù)如表1所示，本項(xiàng)目所涉及的綏中港區(qū)15萬噸級航道參數(shù)如表2所示。

表1 三條海管基本參數(shù)

表2 航道參數(shù)

綜合考慮15萬噸航道底標(biāo)高和海管的回填保護(hù)高度，確定了三條海管在航道影響區(qū)域的下臥深度，即管底標(biāo)高。

JZ25-1S和LD10-1的管底標(biāo)高為：

SZ36-1管線航道影響區(qū)域的預(yù)挖溝標(biāo)高為：

5 海底管道下臥改造方案

5.1 改變原海底管道路由方案

考慮三條海管均為鋼套鋼保溫管，為避免管線保溫層失效，需要尋找最接近錨固件的管線作為換管切割處，確定打點(diǎn)坐標(biāo)，并以預(yù)選的切割處為基準(zhǔn)、平行管線方向開展挖溝作業(yè)，達(dá)到管線下臥標(biāo)高位置。三條海管與航道交叉區(qū)域開挖參數(shù)如表3所示。挖溝施工檢測合格后，在溝底鋪設(shè)新的管道，新管道鋪設(shè)后要對其進(jìn)行清管、測徑和試壓等一系列后續(xù)工作。

表3 海管與航道交叉區(qū)域開挖參數(shù)

新管線試壓合格后，完成對三條海底管線的整體清洗。對新鋪平管段進(jìn)行后挖溝、膨脹彎處放置水泥壓塊，與航道交叉的區(qū)域范圍內(nèi)拋3.5 m厚碎石，對管線進(jìn)行回填保護(hù)。管線投產(chǎn)，回收廢棄管線，施工復(fù)原。

5.2 不改變原海底管道路由方案

先對外輸管線進(jìn)行停產(chǎn)清洗工作，清洗合格后在航道兩端的錨固件附近位置切割海管，并回收切割掉的舊海管，在斷管的一端管頭焊接法蘭，另一端焊接棄管封頭，之后放置管線到海床。以管線與航道交叉點(diǎn)中心為基準(zhǔn)，沿著管線原路由、方向向兩端進(jìn)行預(yù)挖溝，達(dá)到管線下臥標(biāo)高位置，放坡比按1比40考慮。調(diào)查確認(rèn)挖溝合格后，鋪管船回收帶有棄管封頭端的管線，之后沿海管路由向另一端進(jìn)行鋪管，在靠近另一端時，焊接法蘭、連接棄管封頭之后棄管。水下測量兩管端的相對距離、調(diào)整角度，用短節(jié)或膨脹彎連接管線，對管線進(jìn)行整體檢測合格后復(fù)產(chǎn)。連接短節(jié)或膨脹彎處放置水泥壓塊，管線與航道交叉的區(qū)域范圍內(nèi)拋碎石，對管線進(jìn)行回填保護(hù)。

6 結(jié)論與建議

兩個方案均采用交叉段管道重新鋪設(shè)，開挖總量和回填總量都較大，依據(jù)環(huán)評相關(guān)要求必須有指定傾廢區(qū)域和回填取砂區(qū)，兩個方案都存在環(huán)境污染的風(fēng)險。改變原海管路由停產(chǎn)周期短，經(jīng)濟(jì)影響稍小；不改變原海管路由停產(chǎn)周期較長，經(jīng)濟(jì)影響面較大，兩種方案都會給整個相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。

不改變原海管路由的部分路由超出了原管線路由范圍，需重新做地質(zhì)調(diào)查，并須向國家有關(guān)主管部門申請海域使用證等證件。外輸油管線存在管壁結(jié)蠟，增加了清管的難度，且管線投入時間較長，管線出現(xiàn)老化，平管起吊可行性及海管試壓值選取需要進(jìn)一步評估。綜合考慮兩個方案的優(yōu)缺點(diǎn)，在目前情況下，推薦采用改變原海底管道路由方案。同時建議從國家發(fā)展戰(zhàn)略的高度進(jìn)行綜合性評估，擴(kuò)大評估范圍，選擇能夠使企業(yè)和地方經(jīng)濟(jì)共同發(fā)展、達(dá)到雙贏的可行性措施。