深水海底管線拋石保護(hù)工程綜述

侯 靜，魏偉榮，梁 羽，常世君，孫奇?zhèn)?/p>

(中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518067)

深水海底管線拋石保護(hù)工程綜述

侯 靜，魏偉榮，梁 羽，常世君，孫奇?zhèn)?/p>

(中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518067)

從拋石施工的前期海管調(diào)查、設(shè)計(jì)論證、石料試驗(yàn)、生產(chǎn)拋石過程及成果驗(yàn)收等方面詳細(xì)介紹了我國南海某深水氣田海底管道采用的拋石保護(hù)工程，此次施工為我國深水海底管道首次采用落石管拋石技術(shù)，該項(xiàng)目的成功實(shí)施對(duì)后續(xù)同類工程具有重要的借鑒意義。

海底管線；拋石保護(hù)；落石管；ROV

1 概述

1.1 項(xiàng)目概況

我國南海某深水天然氣輸送海底管道總長261 km，為了保證該管道的海底穩(wěn)定性，避免管道發(fā)生高溫高壓、隆起屈曲以及海床沖刷帶來的不利影響，該管道設(shè)計(jì)為全程挖溝埋設(shè)，埋設(shè)深度為泥面距管頂1.0～2.0 m不等。該管道的結(jié)構(gòu)形式分為如下2種：1)近平臺(tái)0～10 km管道外僅包覆3層聚丙烯(3LPP)防腐涂層；2)遠(yuǎn)離平臺(tái)10～261 km管道外包覆3層聚乙烯(3LPE)防腐涂層。

管道鋪設(shè)后進(jìn)行挖溝作業(yè)時(shí)，靠近平臺(tái)側(cè)管道部分區(qū)段所處海床土質(zhì)較硬且存在珊瑚礁，致使這些區(qū)段管道挖溝無法達(dá)到設(shè)計(jì)深度，管道部分裸露或全部裸露在海床上，形成懸空段。為了保證該管道的海底穩(wěn)定性，防止隆起屈曲，減少產(chǎn)生懸跨的風(fēng)險(xiǎn)并對(duì)管道形成有效保護(hù)，經(jīng)過設(shè)計(jì)核算和多種保護(hù)方法論證，考慮到該管道已投產(chǎn)低壓運(yùn)行，為減少施工風(fēng)險(xiǎn)，確保管道安全運(yùn)行，最終確定對(duì)硬質(zhì)海床區(qū)段內(nèi)未埋設(shè)或懸空的管段采取不停產(chǎn)拋石保護(hù)作業(yè)。

1.2 拋石技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

拋石技術(shù)用于海洋工程起源于20世紀(jì)70年代，該技術(shù)作為水下結(jié)構(gòu)物的有效保護(hù)措施，已廣泛應(yīng)用于海洋石油開發(fā)工程中，如鉆井船水下樁坑的填充，海床預(yù)處理，海底管道、海底電纜和臍帶纜的后保護(hù)工程等。

1.3 拋石方案的確定

本項(xiàng)目海底管道需拋石區(qū)域距離陸地較遠(yuǎn)(183～261 km)，水深較深(80～190 m)，要求實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拋石，石料不能損壞海底管道外防腐涂層，在精確定位海底管道的同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海底拋石截面。根據(jù)上述要求并結(jié)合該管道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，最終確定使用落石管拋石技術(shù)。

該項(xiàng)技術(shù)已在挪威、菲律賓等深水油氣田中有所應(yīng)用。在我國，該技術(shù)僅于2011年海南電網(wǎng)淺水海底電纜拋石后保護(hù)工程中使用過，在深水海底管道的后保護(hù)作業(yè)中尚無使用先例，并且我國尚無落石管拋石船，需從國外動(dòng)員[1]。

由于該項(xiàng)目為國內(nèi)首次實(shí)施深水海管拋石作業(yè)，并且作業(yè)船舶需從國外動(dòng)員，為順利完成該項(xiàng)工作，合理組織施工作業(yè)，避免船舶待機(jī)，整個(gè)工程運(yùn)行被劃分為如下3個(gè)階段，各個(gè)階段工作逐一落實(shí)，確保最終保質(zhì)保量完成整項(xiàng)工作。

1)第1階段：對(duì)海底管道路由進(jìn)行精確勘察，確定需要拋石的區(qū)段及海床地形，經(jīng)過計(jì)算確定拋石區(qū)域范圍、拋石截面、石料粒徑以及拋石工程量，同時(shí)提出拋石技術(shù)要求。

2)第2階段：根據(jù)要求確定采石場(chǎng)、裝船碼頭，組織石料生產(chǎn)，進(jìn)行石料沖擊模擬試驗(yàn)及質(zhì)量控制。

3)第3階段：施工階段，包括拋石施工和拋石截面驗(yàn)收等。

2 設(shè)計(jì)論證和技術(shù)要求

2.1 拋石技術(shù)要求

針對(duì)本項(xiàng)目海底管道的結(jié)構(gòu)形式、環(huán)境條件和地質(zhì)條件，對(duì)拋石作業(yè)提出如下技術(shù)要求：1)采用拋石法來保證管道穩(wěn)定性，抑制熱膨脹和隆起屈曲，并填充懸跨底部懸空；2)拋放的石料應(yīng)滿足水下穩(wěn)定性要求；3)靠近平臺(tái)10 km管道外僅有3LPP防腐涂層，需選用適當(dāng)方法防止損壞防腐涂層；4)遠(yuǎn)離平臺(tái)10～261 km管道外有混凝土配重層，可直接拋放大粒徑石料；5)使用的石料在空氣中密度應(yīng)≥2 600 kg/m3，堆方密度應(yīng)≥1 550 kg/m3；6)拋石截面兩側(cè)坡比應(yīng)>1∶2.5，截面頂寬應(yīng)≥1 m，如圖1所示。

圖1 拋石截面示意圖

2.2 石料粒徑的確定

拋石區(qū)域水深為80～190 m，海底土質(zhì)為砂質(zhì)。作業(yè)區(qū)域環(huán)境條件見表1。

表1 環(huán)境條件

根據(jù)作業(yè)區(qū)域環(huán)境條件和土壤地質(zhì)條件等計(jì)算內(nèi)、外層石料的海底穩(wěn)定性，考慮一定的安全系數(shù)后，確定內(nèi)層石料為1″～2″碎石，外層石料為2″～8″組合塊石。

2.3 拋石區(qū)域及截面的確定

根據(jù)海管路由精確勘察的結(jié)果，最終確定27個(gè)拋石區(qū)段，總長16.05 km，共需內(nèi)層小石料約16 000 m3，外層大石料約36 500 m3，考慮到拋石的損耗量，估算內(nèi)層石料約需65 000 t，外層石料約需85 000 t。

經(jīng)過設(shè)計(jì)拋石截面分3種類型，各類型拋石厚度及截面形式見表2。

表2 拋石截面要求

3 石料生產(chǎn)、試驗(yàn)及質(zhì)量控制

3.1 采石場(chǎng)和裝船碼頭的確定

3.1.1 采石場(chǎng)調(diào)研

根據(jù)石料的技術(shù)要求、石料需求量及項(xiàng)目工期要求，對(duì)惠州市某采石場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)研。調(diào)研工作主要是針對(duì)石料的種類、石料生產(chǎn)能力、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)和檢測(cè)設(shè)備配置等。

該采石場(chǎng)生產(chǎn)能力為30萬m3/a，日產(chǎn)量最高可達(dá)5 000 t/d，開采出來的石料經(jīng)破石機(jī)破碎成所需尺寸的石料，經(jīng)5級(jí)篩網(wǎng)將石料按粒徑要求分類儲(chǔ)存，檢驗(yàn)合格后進(jìn)行石料碼頭堆場(chǎng)。

對(duì)石料進(jìn)行理化性能檢測(cè)，檢測(cè)工作由具有CMA資質(zhì)的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行。在擬開采的巖石面取樣，經(jīng)檢測(cè)確認(rèn)巖石為花崗巖，產(chǎn)品純凈度高，密度為2 630 kg/m3，軟化系數(shù)為0.87。

3.1.2 裝船碼頭調(diào)研

對(duì)惠州市某港口進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，包括水深、可使用面積和可使用時(shí)間等。情況如下：1)碼頭水深12.5 m，進(jìn)出航道水深14.5 m，可滿足拋石船的滿載吃水(7.7 m)要求；2)碼頭泊位堆場(chǎng)可存放24 000 t石料，碼頭外場(chǎng)地可存放150 000 t石料，充分的存放場(chǎng)地有利于石料大批量生產(chǎn)，可避免惡劣天氣或其他不確定因素影響石料供應(yīng)，從而影響海上拋石作業(yè)；3)碼頭可提供本項(xiàng)目使用3個(gè)月，滿足工期要求；4)碼頭與采石場(chǎng)距離僅為25 km，便于石料運(yùn)輸，可減少石料運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，最終確定使用該采石場(chǎng)生產(chǎn)的石料以及該碼頭靠泊施工船，并進(jìn)行石料堆場(chǎng)。

3.2 石料試驗(yàn)

在確定了采石場(chǎng)和石料粒徑后，分別進(jìn)行了試驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)沖擊模擬試驗(yàn)，以檢驗(yàn)內(nèi)層石料對(duì)管體3LPP防腐涂層、節(jié)點(diǎn)PP熱縮帶、節(jié)點(diǎn)聚氨酯泡沫和犧牲陽極的影響。此外還進(jìn)行了石料的堆方密度測(cè)試。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)室涂層沖擊試驗(yàn)

根據(jù)ISO 21809-1 Annex E Impact Test和ASTM G14標(biāo)準(zhǔn)方法，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，確定不同沖擊功對(duì)PP防腐涂層的損傷情況，并得出PP涂層最大抗沖擊能量。得出結(jié)果：PP節(jié)點(diǎn)熱縮帶為薄弱環(huán)節(jié)，熱縮帶厚2.65 mm，可承受最大沖擊功為31.1 J，3LPP防腐涂層厚3.05 mm，可承受最大沖擊功為41.97 J。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)涂層沖擊模擬試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室沖擊試驗(yàn)的基礎(chǔ)上現(xiàn)場(chǎng)模擬拋石等效高度，按內(nèi)層石料粒徑級(jí)配取用石料，開展3LPP防

腐涂層和PP節(jié)點(diǎn)熱縮帶的沖擊試驗(yàn)，并檢驗(yàn)沖擊后各涂層系統(tǒng)的損傷程度和減薄情況。根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，在落石高度為4 m，單個(gè)石料最大質(zhì)量為700 g，動(dòng)能為28 J的情況下，涂層無漏點(diǎn)，厚度最大減薄<0.5 mm，可見PP涂層系統(tǒng)可承受內(nèi)層石料的沖擊。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)模擬驗(yàn)證，內(nèi)層1″～2″的碎石不會(huì)損壞管道外防腐涂層，滿足石料技術(shù)要求。

3.2.3 石料堆方密度試驗(yàn)

石料堆方密度是指在規(guī)定條件下單位體積(包括石料實(shí)體和間隙體積)石料的質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)以2次測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值為測(cè)量值，得到石料堆方密度為1 550 kg/m3，滿足石料技術(shù)要求。

3.3 石料質(zhì)量控制

石料質(zhì)量是確保本次拋石作業(yè)成功的重要因素之一，既要保證石料不會(huì)損傷防腐涂層，又要確保石料的海底穩(wěn)定性，所以石料生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)級(jí)配比進(jìn)行定期檢測(cè)。

4 拋石施工

本項(xiàng)目使用的拋石施工船為荷蘭某公司2011年制造的落石管動(dòng)力定位拋石船。拋石船(見圖2)全長154.6 m，船寬32.2 m，吃水7.7 m，作業(yè)水深可達(dá)2 000 m。該船具有前、后2個(gè)石料艙，設(shè)計(jì)載重量為18 000 t，月池處于船中間位置。該船裝備了世界先進(jìn)的落石管組裝模塊、ROV操控系統(tǒng)及調(diào)查設(shè)備。

圖2 拋石船示意圖

4.1 石料裝船

拋石船靠港裝載石料時(shí)，通過2個(gè)陸地皮帶機(jī)將石料分別運(yùn)送到前、后石料艙內(nèi)，皮帶機(jī)裝船速度約為500 t/(臺(tái)·h)?？紤]到船舶后艙設(shè)有油水設(shè)備，通常前艙最多可裝載約9 500 t，后艙可裝載約8 000 t。

4.2 拋石過程

海上施工時(shí)拋石船采用2套DGPS海上定位系統(tǒng)，依據(jù)施工前精確路由勘察確定的坐標(biāo)在海管路由上進(jìn)行定位，同時(shí)啟動(dòng)超短基線(USBL)定位系統(tǒng)進(jìn)行水下定位，并啟動(dòng)多普勒計(jì)程儀校準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)，在取得精確數(shù)據(jù)后拋石船偏離海管路由150 m左右安全距離進(jìn)行ROV和落石管的安裝，隨后進(jìn)入作業(yè)區(qū)域，啟動(dòng)ROV系統(tǒng)開始進(jìn)行拋石作業(yè)(見圖3)。在石料拋放過程中，前、后石料艙內(nèi)的裝載機(jī)分別將石料放入石料口，由傳送帶轉(zhuǎn)入到中央緩沖料斗進(jìn)入落石管，然后通過落石管進(jìn)行精確拋石。根據(jù)ROV攜載的DTM(數(shù)字地面模型)、多波束(MBM)對(duì)海床地形和拋石截面進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)拋石過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

圖3 拋石示意圖

落石管出口距離海管高度為6～10 m，可適應(yīng)海底地形高低起伏的變化。落石管末端的ROV功率高達(dá)360 kW，配有4個(gè)推進(jìn)器，可推動(dòng)落石管移動(dòng)。拋石作業(yè)時(shí)由中控操控船舶緩慢向前移動(dòng)，ROV推動(dòng)落石管左右移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)沿海管路由精準(zhǔn)拋石作業(yè)。

通常拋石長度約每300 m進(jìn)行調(diào)查一次，數(shù)據(jù)處理分析后確認(rèn)拋石未達(dá)設(shè)計(jì)要求的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)拋，經(jīng)再次調(diào)查檢驗(yàn)合格后結(jié)束該區(qū)段的作業(yè)。對(duì)于需要拋放內(nèi)、外層石料的部分，先拋放內(nèi)層小石料，待內(nèi)層石料拋放厚度滿足設(shè)計(jì)要求后再拋放外層大石料。

此次拋石作業(yè)實(shí)際拋放內(nèi)層石料65 500 t，外層石料86 000 t，航行9個(gè)船次，海上作業(yè)時(shí)間共計(jì)38 d。

4.3 拋石作業(yè)檢測(cè)

拋石作業(yè)的檢測(cè)主要通過落石管末端的ROV上搭載的專用裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，ROV裝置由多種先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備組成(見圖4)，包括：導(dǎo)航儀、測(cè)深儀、DTM系統(tǒng)、測(cè)高儀、MBM、掃描傳感器、水下攝像設(shè)備和水下照明設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)海管/海纜定位、數(shù)據(jù)采集的功能。

施工中，ROV采集到的數(shù)據(jù)即時(shí)傳回操作平臺(tái)計(jì)算機(jī)處理，通過Terramodel程序制圖，每5 m提交一個(gè)拋石截面圖，在該圖中詳細(xì)描述了海管位置、海底地形原始狀態(tài)、內(nèi)外層拋石設(shè)計(jì)剖面和實(shí)際剖面等。當(dāng)石料的實(shí)際拋放剖面全部覆蓋設(shè)計(jì)拋放剖面，則視為拋石合格。

圖4 ROV調(diào)查示意圖

5 結(jié)語

深水海管應(yīng)用落石管拋石技術(shù)進(jìn)行后保護(hù)工程在我國尚屬首次應(yīng)用，在工程建設(shè)前期開展設(shè)計(jì)論證和試驗(yàn)研究，合理組織石料生產(chǎn)，以及后續(xù)施工中優(yōu)化完善施工方案，精心協(xié)調(diào)施工進(jìn)度等是本項(xiàng)目成功實(shí)施的關(guān)鍵。海洋工程施工技術(shù)、落石管技術(shù)和ROV檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，充分顯示了目前國際海洋工程發(fā)展的高水平。拋石技術(shù)作為海底管道后保護(hù)的有效手段之一，在我國深水工程發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景，本項(xiàng)目的成功實(shí)施，為今后類似工作奠定了基礎(chǔ)。

[1] 梁富浩，張印桐，劉春厚，等. 落石管拋石技術(shù)的發(fā)展及在我國深水油氣田開發(fā)中的應(yīng)用前景[J]. 中國海上油氣，2011,23(2):193-196.

責(zé)任編輯鄭練

OutlineofRockDumpingProtectionEngineeringforSubseaPipelineinDeepwater

HOU Jing, WEI Weirong, LIANG Yu, CHANG Shijun, SUN Qiwei

(CNOOC Deepwater Development Ltd., Shenzhen 518067, China)

The paper introduces the rock dumping protection engineering for subsea pipeline in deepwater of South China Sea concerning investigation, design, rock test, production rock dumping engineering and acceptance criterion. This is the first time using falling pipe technology for subsea pipeline in China. The successful application is an important reference for subsequent similar projects.

subsea pipeline, rock dumping protection, fall Pipe, ROV

TM 757.4

:B

侯靜(1977-)，女，高級(jí)工程師，主要從事海管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的研究。

2014-10-21