大尺寸雙層海底管道舷側(cè)起吊輔助措施

梁光輝，成二輝

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

大尺寸雙層海底管道舷側(cè)起吊輔助措施

梁光輝，成二輝

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

舷側(cè)起吊是海底管道進行鋪設或維修過程中常用的方法，風險性較高，尤其對于大尺寸雙層管道，必須采取有效的輔助方法，保證起吊過程的安全。文章創(chuàng)新性地提出了采用長條形輔助起吊氣囊、單點輔助提升浮袋、施工船甲板吊機、防滑卡子、單點提升五種措施進行舷側(cè)起吊輔助，并針對前三種措施進行了計算分析及效果對比，結(jié)果表明這些措施有助于大尺寸管道的舷側(cè)起吊，浮袋可防止下彎段懸跨過長造成管內(nèi)應力過大，長條形輔助起吊氣囊和施工船甲板吊機輔助作業(yè)可有效減少舷吊受力并合理控制管內(nèi)應力分布，保證起吊作業(yè)安全可控。

雙層海底管道；起吊；輔助措施；氣囊

1 概述

舷側(cè)起吊是海底管道鋪設或維修過程中常用的一種方法，廣泛應用于近岸段新建海底管道的水面對接、法蘭的更換、損傷應急維修等。據(jù)不完全統(tǒng)計，近十年來，國內(nèi)海底管道應急維修約20例，其中采用舷側(cè)起吊方法進行維修的工程接近一半。

常規(guī)的舷側(cè)起吊作業(yè)步驟主要有：

（1）起吊段海底管道吹泥暴露。

（2）水下吊點位置吊帶連接。

（3）按舷側(cè)起吊計算報告進行管道起吊。

（4）法蘭或管段焊接、檢驗及防腐。

（5）按舷側(cè)起吊計算報告進行管道下放[1-4]。如圖1所示。

圖1 舷側(cè)起吊示意

海底管道舷側(cè)起吊本身是一項風險較高的作業(yè)，尤其是對于大尺寸雙層且充滿海水的海底管道，風險更高。管道尺寸和自重大，對于舷側(cè)起吊設備（舷吊、卷揚機等）的能力要求較高，管道母材發(fā)生損傷的風險也隨之增大。

本文以海底管道舷側(cè)起吊的計算分析為理論基礎，提出了針對大尺寸雙層管道安全起吊行之有效的措施，可為今后類似工程作業(yè)提供借鑒。

2 大尺寸管道舷側(cè)起吊措施

尺寸較小的海底管道舷側(cè)起吊采用如圖1所示的常規(guī)起吊方式即可，但對于大尺寸雙層且充滿海水的海底管道，必須增加多項輔助措施以保證起吊過程的安全。

2.1 長條形輔助起吊氣囊

在海底管道舷側(cè)起吊作業(yè)中應用長條形輔助起吊氣囊（以下簡稱氣囊，見圖2）尚屬首例，氣囊可以為水下海底管道提供一定的浮力，減小起吊時鋼絲繩的張力，保證起吊過程更加平穩(wěn)安全。

圖2 長條形輔助起吊氣囊

氣囊的尺寸及噸位與起吊海底管道的重量及需要提供的浮力有關，太小的氣囊起不到輔助作用，太大的氣囊又會適得其反，需要用軟件對起吊作業(yè)過程進行試算，再選擇合適的氣囊及其尺寸。

氣囊上設置若干吊點，在海上施工之前需要做負重試驗，吊點的強度必須大于氣囊所能提供的浮力，保證在起吊作業(yè)時吊點的安全可靠。

2.2 單點輔助提升浮袋

單點輔助提升浮袋（以下簡稱浮袋）是水下較為常用的提供浮力的輔助裝備，見圖3。潛水員在水下將浮袋與海底管道連在一起后，使用空壓機通過氣帶給浮袋充氣，為管道提供一定的浮力。

與長條形輔助起吊氣囊不同的是，浮袋提供的是單點浮力，氣囊提供的是長距離均布浮力。浮袋可以與氣囊組合使用，共同完成大尺寸管道的起吊作業(yè)。浮袋噸位大小也要根據(jù)海底管道的數(shù)據(jù)進行初步計算后進行選擇。

圖3 浮袋

2.3 施工船甲板吊機輔助作業(yè)

在常規(guī)海底管道舷側(cè)起吊作業(yè)中，選用2～3個舷吊即可（見圖4）。按照計算分析報告的步驟，舷吊依次提升一定的高度，直到將海底管道提升至預定位置滿足水上作業(yè)的需求。在使用海底管道計算軟件進行計算分析時，可以設定每次提升的高度，來試算管道的應力及舷吊鋼絲繩的受力，如果不滿足要求，則需重新設定提升高度再次計算。

對于大尺寸管道，當管道自重過大或者舷吊間距過大時，使用甲板吊機進行輔助起吊，可使整個作業(yè)過程更具可控性。起吊過程中，可將吊機噸位設為固定值，隨著舷吊依次提升，吊機可自動調(diào)整提升的高度以保證吊重處于相對穩(wěn)定的數(shù)值。

圖4 甲板吊機輔助舷側(cè)起吊作業(yè)

對于大尺寸管道，舷吊鋼絲繩的受力較大，相應的安全風險也會增加。本文創(chuàng)新性地提出使用甲板吊機配合舷吊完成舷側(cè)起吊作業(yè)，可使整個作業(yè)過程更具可控性。該起管方式優(yōu)勢在于：

（1）甲板吊機分擔部分載荷，可有效減少舷吊承受的載荷，降低作業(yè)風險。

（2）計算模擬中首先將甲板吊機鋼絲繩受力設定為固定值，舷吊再依次起吊，根據(jù)計算情況適時提高吊機鋼絲繩受力，即保證吊機鋼絲繩在一段時間內(nèi)為穩(wěn)定值。在現(xiàn)場施工中即可避免吊機鋼絲繩提升高度不便計量的問題，且這種方式更加安全可靠。

2.4 防滑卡子輔助作業(yè)

大尺寸管道舷側(cè)起吊時由于鋼絲繩受力大，為避免吊帶在管壁上滑動的風險，設計了一種簡易卡子，將其安裝在吊帶一側(cè)。圖5為國內(nèi)某大尺寸管道舷側(cè)起吊時使用的防滑卡子，主要是起到預防作用，防止吊帶在管道上滑動，可為今后工程項目提供借鑒。

圖5 國內(nèi)某大尺寸管道舷側(cè)起吊中使用的防滑卡子

2.5 單點提升輔助作業(yè)

海底管道舷側(cè)起吊前管道多為埋設入泥狀態(tài)，常規(guī)做法是使用挖溝機開挖管道使其完全暴露。但經(jīng)常遇到因泥質(zhì)等原因?qū)е麻_挖暴露作業(yè)時間過長，在工程實踐中可采用單點提升使管道暴露出泥面，便于下一步的吊點連接等工作，該措施在工程實踐中取得較好的效果。為使該作業(yè)更安全可靠，需要進一步模擬分析以提供理論支持，這也是今后需要解決的問題，本文暫不論述。

3 輔助措施計算模擬

3.1 計算軟件對比

目前可進行海底管道舷側(cè)起吊計算分析軟件主要有BCT-35、SUSPEND、OFFPIPE，三者各自特點如下。

（1）BCT-35是專門用于舷側(cè)起吊計算的軟件，界面較為簡單，可提供多種管端約束類型來模擬多種不同的工況，如可進行海底管道水面對接分析。

（2）SUSPEND可進行膨脹彎吊裝、平管舷側(cè)起吊計算分析，并可進行平管及膨脹彎的整體起吊分析，這是其他兩個軟件所不具備的功能。

（3）OFFPIPE多用于海底管道鋪設、棄置、回收的計算分析，用其進行海底管道舷側(cè)起吊計算優(yōu)勢在于：其一數(shù)據(jù)輸入可采用界面輸入及文件輸入兩種方式，便于數(shù)據(jù)處理及編輯；其二模擬雙層管道更準確，并可分別輸出外管及內(nèi)管的計算結(jié)果；其三管道起吊的步驟可設定提升值也可設定吊繩張力，使得計算分析更加靈活。

本文采用OFFPIPE軟件進行模擬分析。

3.2 輔助措施模擬

以渤海某油田一條雙層管道為例，其基本參數(shù)見表1。分別對上述三種輔助措施進行模擬計算，并與不施加輔助措施的工況進行對比。

3.2.1 氣囊計算模擬

使用OFFPIPE軟件對起吊過程進行模擬計算，對比無輔助措施和安裝氣囊的兩種工況，分析大尺寸管道起吊過程中氣囊的輔助作用。圖6、圖7分別為無輔助措施和安裝氣囊的起吊示意圖。

其中舷吊D1距離管頭8 m，舷吊D1與D2距離15.5 m，D2與D3距離28.3 m；考慮潮位后，計算水深為19.8 m；管中充滿海水；圖7比圖6增加了兩個10 t的長條形氣囊。

表1 某油田雙層管參數(shù)

圖6 無輔助措施的起吊示意

圖7 安裝氣囊的起吊示意

不同于BCT-35及SUSPEND軟件，OFFPIPE可以很好地模擬雙層管道，使用*BUND命令將已經(jīng)定義的兩個管道數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，即可完成對雙層管的定義，如：

如上程序語句即完成了上述雙層管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的定義。

整個起吊過程分為21步，因篇幅有限，選取其中1步進行模擬比較，見表2。

表2 無輔助措施與安裝氣囊工況計算分析對比

由表2可以看出，使用兩個10 t（100 kN）氣囊之后，氣囊所提供的浮力可平衡管道大部分的重量，三個舷吊的吊繩張力大大減少，因而起吊過程就更加安全可靠。但使用氣囊后管道內(nèi)部的應力不一定會減小，甚至有可能增加，這是由于上彎段受兩個氣囊提供的浮力豎向位移變大，使得下彎段產(chǎn)生更大的彎矩，相應的彎曲應力也就增加了。如果在整個起吊過程中，管道應力可控制在許用應力范圍內(nèi)，則無需增加其他措施；如果管道下彎段應力超出了許用應力范圍，則應視情況在下彎段增加氣囊或浮袋。

3.2.2 浮袋計算模擬

使用OFFPIPE軟件分別模擬無輔助措施（見圖6）和安裝浮袋（見圖8）的工況。

舷吊布置、基礎數(shù)據(jù)等與氣囊計算模擬中數(shù)據(jù)相同，浮袋可提供最大浮力為60 kN，與舷吊D3距離為20 m。

圖8 安裝浮袋的起吊示意

浮袋計算模擬方法與氣囊相同，選取其中1步進行模擬比較，見表3。

由表3可以看出，在下彎段安裝6 t（60 kN）浮袋后，舷吊D3吊繩張力及管道最大應力大幅降低。浮袋與海底管道是單點連接，在水下充氣后尺寸較大，適合用于下彎段，可有效減少下彎段管道的應力，避免由于下彎段懸跨過長造成應力損傷。

表3 無輔助措施與安裝浮袋計算分析對比

3.2.3 甲板吊機輔助計算模擬

使用OFFPIPE軟件分別模擬無輔助措施（見圖6）和使用甲板吊機（見圖9）的兩種工況。舷吊布置、基礎數(shù)據(jù)等信息與氣囊計算模擬數(shù)據(jù)相同；海底管道在舷吊2、舷吊3中間位置與甲板吊機連接。

圖9 甲板吊機輔助起吊示意

甲板吊機計算模擬方法與氣囊相同，選取其中1步進行模擬比較，見表4。

表4 無輔助措施與使用甲板吊機輔助計算分析對比

由表4可以看出，使用甲板吊機進行輔助起吊，有效減小了臨近舷吊的受力，且甲板吊機可以持續(xù)監(jiān)視起吊的重量，使起吊作業(yè)安全更加有保障。

4 輔助措施效果對比

大尺寸、雙層且充滿水的海底管道的舷側(cè)起吊作業(yè)是一項風險非常高的工程，采用一定的輔助措施可以使整個作業(yè)過程更加安全、可控。本文提到的輔助措施中，單點輔助提升浮袋方法使用最為頻繁，即使在非大尺寸管道舷側(cè)起吊項目中也較為常用。但浮袋多用在管道下彎段，防止由于舷側(cè)起吊過程中下彎段懸跨過長造成管內(nèi)應力過大。當管道尺寸較大時，就必須考慮配合使用長條形輔助起吊氣囊或甲板吊機輔助措施。使用長條形輔助起吊氣囊和使用甲板吊機輔助起吊可以起到相同的作用，但兩者也有區(qū)別：

（1）長條形輔助起吊氣囊輔助提升力分布比較均勻，管道本身的受力比較均衡，可以避免由于應力集中造成的管道損傷。這是使用甲板吊機輔助作業(yè)所不具備的優(yōu)勢。

（2）使用長條形輔助起吊氣囊時，在管道起吊接近水面或出水后，可能會出現(xiàn)氣囊露出水面浮力減小或失去浮力的情況，此時對管道的輔助作用就減弱了。而使用甲板吊機輔助作業(yè)就不會產(chǎn)生這種問題。

綜上所述，在大尺寸海底管道舷側(cè)起吊作業(yè)前，建議使用海底管道計算軟件對幾種輔助措施進行模擬分析，從而選擇最合理的輔助措施組合方式。

[1]焦冬梅，高峰，杜永軍，等.雙層海底管道起吊分析方法研究[J].管道技術(shù)與設備，2013，39（3）：4-5.

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Davit L ifting Auxiliary Methods for L arge Size Submarine Pipe-in-pipe Pipeline

Liang Guanghui，Cheng Erhui
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

Davit lifting at shipboard is commonly used in the process of submarine pipeline laying or maintenance.The operation risk is very high，especially for large size submarine pipe-in-pipe pipeline.Effective auxiliary methods must be taken，and detailed calculation and analysis of lifting process are needed to ensure the safety of lifting.This paper puts forward five methods to assist davit lifting of large size submarine pipeline，including elongated auxiliary lifting airbag，single point lifting airbag，derrick crane on the barge，antiskid clamp and single point lifting.Calculation analysis and comparison are done for the first three methods in this paper.The results show that these measures can assist davit lifting effectively.The single point lifting airbag can prevent too high stress occurred at the sagging part of the pipeline.The elongated auxiliary lifting airbag and derrick crane on the barge can effectively reduce the davit loads，so as to make the whole lifting process safe and controllable.

pipe-in-pipe submarine pipeline；davit lift；auxiliary measure；air bag

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.005

梁光輝（1983-），男，江蘇徐州人，工程師，2007年畢業(yè)于天津大學船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設計制造專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事海底管道檢測維修工作。

2014-05-08