基于跨越保護架的海管交叉跨越技術

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(1.中海油能源發(fā)展湛江采油服務文昌分公司，廣東 湛江 5240572.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

基于跨越保護架的海管交叉跨越技術

汪建明1,周聲結2,李天斌2,金德獻1

(1.中海油能源發(fā)展湛江采油服務文昌分公司，廣東 湛江 5240572.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

設計一種用于新鋪海底管道與現(xiàn)有海底管道發(fā)生交叉時的海管交叉跨越保護架，保護架采用截面形狀為Ω形的鋼制結構，根據(jù)海底土壤的承載力和抵抗海流和漁網(wǎng)的在位穩(wěn)定性要求，保護架兩側(cè)設置防沉板。該海管交叉跨越保護架在LBL水下定位系統(tǒng)和ROV協(xié)助下可實現(xiàn)一次性吊裝安放，與常規(guī)海底管道跨越處理方法相比具有安全、高效的優(yōu)點，可推廣應用于深水開發(fā)工程中。

海管跨越；保護架；水下定位技術；深水開發(fā)

隨著海洋油氣田進一步開發(fā)，海上石油平臺越來越多，隨之而來的是海底管道縱橫交錯。2條海管交叉跨越時新鋪海管會對原有海管產(chǎn)生額外壓力，同時新鋪海管也會發(fā)生懸跨，海管在懸跨段很容易發(fā)生彎曲變形[1-2]，這給海上油氣輸送管道帶來了極大的安全隱患，為了保障海洋油氣輸送管道的安全運行[3]，根據(jù)規(guī)范要求[4]，新鋪設的海底管道與原有海底管道發(fā)生交叉跨越時需要對原有管道進行保護處理。崖城13-4氣田開發(fā)工程項目中新鋪設的一條直徑8 in、總長22.5 km的復合海底管道將與崖城13-1氣田至南山終端的海底管道產(chǎn)生一個交叉點。為了保護崖城13-1氣田的海底管道，針對常規(guī)海底管道跨越處理方法存在的施工風險高、施工工作量大等缺陷[5]，設計新型海底管道跨越保護架。

1 常規(guī)海管交叉跨越處理方法

目前，常規(guī)海底管道跨越處理方法是沿著原有管道軸線方向在其上方鋪放混凝土壓塊或安放混凝土支墩，在混凝土壓塊或支墩2側(cè)填充沙袋，以使混凝土支墩頂部與海床之間形成緩坡過度?；A處理完畢后，在其上方鋪設新管道，由此實現(xiàn)對原有管道的保護。見圖1[6-7]。

圖1 常規(guī)海管跨越處理方法示意

常規(guī)海底管道跨越處理方法存在許多問題，譬如，由于混凝土壓塊的重力會通過土壤傳遞到原有管道上，特別是對于裸露的管道，混凝土壓塊的重力會直接作用在管道上，對原管道造成風險。對于不停產(chǎn)施工的油氣田，施工控制不當還將會引起管道泄漏或爆炸等嚴重后果[8]。

同時，由于新鋪管道的實際路由與設計路由存在一定的偏差，使得實際跨越點不確定，然而跨越點的基礎處理必須在新鋪管道鋪設開始前完成，為了確保新鋪管道落在已經(jīng)處理好的基礎上，基礎處理的范圍必須擴大。尤其在深水海管鋪設時新鋪管道的路由偏差更大，基礎處理的范圍也更大。另外，由于海底土壤性質(zhì)并不完全一致，可能會出現(xiàn)單個水泥支墩的沉降量的情況，將造成新鋪設管道懸跨等技術問題。

此外，采用常規(guī)方法進行海底管道交叉跨越處理保護時由于每塊混凝土壓塊或支墩都需要單獨吊裝，從而導致水泥墊墩較多，預制、運輸量大，水下墊墩就位次數(shù)多，就位難度大，增加海上工作量及施工風險，使得海上作業(yè)成本高[9]。

2 海管交叉跨越保護架

2.1 結構設計方案

新設計和研制的左右對稱的全新鋼結構，新型海底管道交叉跨越保護架的具體結構如圖2所示。

圖2 海管跨越保護架結構示意

2根頂部圓管位于原有管道的正上方左右2側(cè)，與新鋪海管接觸位置包裹一層橡膠墊。頂部通過頂部支撐相連，頂部支撐為圓管構件。2根底部內(nèi)側(cè)圓管分別位于2根頂部圓管的斜下方，并分別通過斜坡支撐相連，斜坡坡度以20°～ 30°為宜，斜坡支撐為圓管構件。底部外側(cè)圓管與新鋪管道接觸區(qū)域包裹一層橡膠墊。底部外側(cè)圓管與底部內(nèi)側(cè)圓管的底面標高齊平，通過底部支撐相連。底部支撐為工字鋼，在其底部設置防沉板。防沉板寬度由計算確定，以滿足防沉要求，同時保證新鋪管道自然下垂落在底部外側(cè)圓管之上，其寬度一般不小于1.5 m。頂部圓管上方安裝限位扣，其位置由新鋪管道的實際位置確定，故限位扣為后安裝。為滿足后安裝的要求，限位扣通過管卡固定。頂部圓管、底部內(nèi)側(cè)圓管和底部外側(cè)圓管兩端均設置封板。

2.2 結構校核

為了保證海底管道交叉跨越保護裝置滿足安裝、使用要求，參照《Recommended Practices of Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design 》 (API RP 2A)，根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查得到的土壤參數(shù)、跨越保護裝置在位工況下所受的波流力數(shù)據(jù)，進行結構分析與強度校核，主要有土壤承載力計算、土壤抗滑移計算、整體強度校核等[10-11]。

2.2.1 土壤承載力校核

根據(jù)API RP 2A規(guī)范，基礎所能承受的豎向最大總載荷為

Q=(cNcKc+γD)A′

(1)

式中：Q為基礎破壞時的最大豎向載荷，kN；c為土壤剪切強度，kPa；Nc為無因次常數(shù),摩擦角度φ=0°時Nc=5.14；γ為土壤容重，kN/m3；

D為基礎埋深，m;A′為基礎有效面積，m2；Kc為修正系數(shù)。

對于給定的破壞模式承載破壞安全系數(shù)FOSb=2.0，經(jīng)計算，實際土壤承載力安全系數(shù)fs=6.68>FOSb，滿足規(guī)范要求。

2.2.2 土壤滑移能力校核

抗滑移穩(wěn)定性，根據(jù)公式

H=cA

(2)

式中：H為水平破壞載荷，kN；c為土壤抗剪切強度，kPa；A為基礎有效面積，m2。

對于給定的破壞模式滑動破壞安全系數(shù)FOSs=1.5，經(jīng)計算，實際水平方向抗滑移安全系數(shù)fs′=2.79>FOSs，滿足規(guī)范要求。

2.2.3 整體強度校核

對跨越保護架的吊裝工況和在位時受波流沖擊工況依據(jù)DNV OS F101規(guī)范，選用海洋工程設計通用軟件SACS校核結構桿件強度，計算結果顯示所有桿件UC(unity check)最大值為0.68<1.0，滿足強度要求。

3 海上施工技術

利用海管跨越保護架進行海管跨越處理海上施工主要包括以下內(nèi)容。

1)海管跨越保護架在交叉跨越點的海上安裝。

2)采用精確水下定位系統(tǒng)引導新鋪海底管道準確通過新型海底管道跨越保護架。

3.1 海管跨越保護架的海上安裝

為了保證海管跨越保護架在設計交叉點上的精確就位，采用長基線(long base line，LBL)高精度水下定位技術以確保海管跨越保護架和定位錨的精確就位。LBL定位系統(tǒng)的硬件結構包括導航控制單元、海底基陣、問答傳感器和應答器等。導航控制單元控制信號的傳輸并實時對接收到的信息進行處理，海底基陣需預先布置在海底，是坐標推算的基點，問答傳感器發(fā)送控制單元的命令并接收信息的反饋，應答器對問答傳感器發(fā)送的命令作出響應[12]。

海管跨越保護架具體海上施工作業(yè)流程如下。

1)LBL水下定位系統(tǒng)信標布陣。將水下定位系統(tǒng)LBL信標陣列布設在海底管道交叉處設計位置周圍。如圖3所示，崖城13-4氣田開發(fā)工程項目在海底管道交叉位置周圍布設5個LBL信標，并確定每個智能信標能正常工作，對LBL水下定位系統(tǒng)調(diào)試、校準。

圖3 崖城13-4氣田開發(fā)工程項目海管交叉處信標布陣示意

2)工程船拋錨并對錨位進行監(jiān)控。由拋錨定位系統(tǒng)的引導下將定位錨準確布設在交叉點周圍，由水下機器人(ROV)將LBL信標安裝在原海底管道2側(cè)、離海底管道最近4個錨上，通過LBL水下定位系統(tǒng)實時監(jiān)測錨的準確位置，防止因走錨而損壞原有海底管道。

3)海管跨越保護架的水下安裝。如圖4所示，在海管跨越保護架下水前須在其2端對稱位置安裝2個LBL信標，吊裝過程中比較2個信標的位置可以檢測保護架跟蹤位置的準確性，并確保保護架的艏向與原有海底管道方向一致。通過LBL水下定位系統(tǒng)實時監(jiān)測海管跨越保護架是否與設計位置偏離，當海管跨越保護架下放至距離海底上方3 m時，對海管跨越保護架方向和位置進行仔細檢查，并由ROV對其進行微調(diào)，緩慢下放，確保海管跨越保護架準確安放在設計位置。

圖4 LBL信標在海管跨越保護架上的安裝位置

3.2 利用水下定位系統(tǒng)引導新鋪海管通過海管跨越保護架

海管跨越保護架解決了新鋪海底管道與原有海底管道產(chǎn)生的交叉跨越難題，且在鋪管作業(yè)開始前已完成海管跨越保護架的安裝。當海底管道鋪設至跨越交叉點時，操作ROV使其位于海底管道著泥點以監(jiān)測管道跨越就位情況，保證復合海底管道鋪設作業(yè)順利經(jīng)過海底管道跨越保護裝置中心位置，準確跨越交叉點。鋪管船在交叉跨越點鋪設海底管道時的施工流程如下。

1)調(diào)查新鋪設管道位置。由于海底管道的實際路由與設計路由總是存在一定的誤差，為了確保新鋪管道安全就位于交叉處的海底管道保護架，當管道離交叉點2 km時，ROV將攜帶LBL信標沿著新鋪管道著泥點向管道起始點方向，調(diào)查一段長500 m的管道實際位置，然后與設計路由進行對比并制定調(diào)整方案。

2)原有交叉跨越點位置LBL基陣和保護架檢查。LBL支持船對已有的海管交叉跨越位置LBL陣列進行檢查，確保基陣信標沒有移動且工作正常，同時檢查海管跨越保護架2個信標的定位位置。通過2信標位置與安裝時的位置進行比較，以確保整個LBL系統(tǒng)處于精確測量狀態(tài)。

3)新鋪設管線跨越交叉點。在鋪管船至海底管道交叉點約600 m處時，在新鋪海管上安裝1個LBL信標(編號1#)，當該LBL信標穩(wěn)定在著泥點后，ROV下水剪斷固定信標的纜繩使LBL信標浮起，然后與周圍的LBL信標陣列進行相互通信，確保LBL陣列處在正常工作狀態(tài)，同時測量1#LBL信標以獲得準確的位置，并與管線設計路由進行比較。

管線繼續(xù)向交叉點鋪設，ROV攜帶LBL信標監(jiān)控海管鋪設，并獲得準確的已鋪管線位置，然后根據(jù)已鋪管線實測位置，推算管線壓到保護架的位置。如果推算的位置在保護架的安全范圍內(nèi)，則管線鋪設按照原有的設計路由和方向進行鋪設；如果計算出的位置不在保護架的安全范圍內(nèi)，則需要進行相應的調(diào)整。

當鋪管船至交叉點大約200 m處時，再在新鋪海管上安裝1個LBL信標(編號2#)，海管鋪設過程中，實時監(jiān)控該2#LBL信標位置，確保新鋪管線準確、安全安裝在保護架上，從而確保已有管線的安全。同時ROV下水對海管著泥狀態(tài)、海管壓過海管跨越保護架的狀態(tài)進行全程監(jiān)控和錄像。

4)新鋪管線過交叉處作業(yè)結束。當海管交叉點上新鋪設與原有海管的狀態(tài)得到確認后，ROV下水鎖定設置于海管跨越保護架頂部的限位扣，實現(xiàn)對新鋪海管的限位。采用LBL信標釋放系統(tǒng)自動回收信標。至此，新鋪管線通過海底管線交叉跨越保護裝置的作業(yè)結束。

4 結論

1)海管跨越保護架可實現(xiàn)一次吊裝安放，采用LBL水下定位系統(tǒng)準確定位安裝， ROV解鉤，從而減少了水下作業(yè)工作量，降低作業(yè)風險，同時也有效降低了作業(yè)成本；

2)該海管跨越保護架與原有管道之間不直接接觸，因此，該裝置和新鋪管道的重力不會傳遞到原有管道上，使原有管道得到最大程度的保護，降低了風險。

3)采用精確水下定位系統(tǒng)引導新鋪海底管道準確通過新型海底管道跨越保護架，成功解決了深水海底管道跨越保護水下工作量大，作業(yè)風險高的難題。

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Design and Installation Technology for Cross Over Existing Pipeline Base on Cross Over Protector

WANGJian-ming1,ZHOUSheng-jie2,LITian-bin2,JINDe-xian1

(1.OPSC Wenchang Branch, CNOOC Energy Technology & Services Company, Zhanjiang Guangdong 524057, China;2.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd., Zhanjiang Guangdong 524057, China)

A new cross over protector was designed to be used by new pipeline cross over an existing pipeline. The cross over protector is the steel structure with Ω type of cross-sectional. The mud-mats at both sides along the protector was designed considering soil bearing capacity and on-bottom stability against current and fishing nets. The underwater installation of the cross over protector was achieved by one time lifting in the LBL underwater positioning system and ROV’s assistance. The application of a steel structural cross over protector in the case of a new pipeline to be laid crossing over an existing pipeline will be a safe and efficient method with respect to the conventional method. This method can be fully applied to deepwater development projects.

pipeline cross over; protector; underwater positioning technology; deepwater development

P756.2

A

1671-7953(2017)05-0022-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.007

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

汪建明(1983—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋石油工程管理