探討海底管道防護(hù)技術(shù)及安全措施

高 雷（山東勝利建設(shè)監(jiān)理股份有限公司， 山東 東營(yíng) 257000）

0 引 言

作為最安全、經(jīng)濟(jì)、便捷的油氣水輸送方式，海底管道在海上石油開(kāi)發(fā)運(yùn)輸中占有重要的地位。以位于渤海南部極淺海水域的埕島油田為例，據(jù)有關(guān)資料顯示，截至2013 年底，整個(gè)埕島海域海底管道 150 條（包括：輸油管道 94 條 207.11 km，輸氣管道 1 條 11.6 km，注水管道 55條 87.86 km），總長(zhǎng) 306.57 km。這些復(fù)雜的海底管網(wǎng)肩負(fù)著埕島油田原油外輸及油田注水的重要使命。雖然在海底管道鋪設(shè)施工中對(duì)其進(jìn)行了挖溝埋設(shè)的處理，但由于海底地形復(fù)雜、洋流運(yùn)動(dòng)等因素的存在，造成了海底管道平管段及立管段大面積的裸露及懸空，并且海底洋流的持續(xù)運(yùn)動(dòng)造成了該懸空現(xiàn)象的持續(xù)加劇，由此對(duì)埕島油田的生產(chǎn)安全帶來(lái)了較大的隱患。

1 海底管道懸空的原因及危害

1.1 海底管道形成裸露、懸空的主要成因

據(jù)研究表明，海底海洋結(jié)構(gòu)造成海底沖刷的原因有兩點(diǎn)：一是海洋構(gòu)筑物的存在打破了原有水下流場(chǎng)的平衡，形成局部流速梯度集中區(qū)，并構(gòu)成對(duì)海底的強(qiáng)剪切作用；二是海洋構(gòu)筑物的存在改變了水流的運(yùn)動(dòng)方向，使之產(chǎn)生繞流和局部漩渦，加速了海底的沖刷作用[1]。沖刷機(jī)理如圖1 所示。

圖 1 海底管道沖刷懸空機(jī)理示意圖

當(dāng)海底管道裸露于海床上時(shí)，在海底洋流的作用下，管線與海床接觸的兩側(cè)會(huì)因壓力差導(dǎo)致管道的下方海床產(chǎn)生滲流，最終管道底部被掏空，造成管道的懸空。

1.2 海底管道懸空后的主要危害

海底管道懸空后，其懸空部分的應(yīng)力分布發(fā)生變化。這種懸空給海底管道帶來(lái)的強(qiáng)度及疲勞等是非常危險(xiǎn)的。特別是對(duì)于壓力管道來(lái)講，在內(nèi)部的溫度和壓力作用下，再加上外界海水的壓力和懸空部分管道部分自重帶來(lái)的應(yīng)力，當(dāng)懸空段的長(zhǎng)度較短時(shí)，水流橫向流過(guò)管道不會(huì)造成顯著的震動(dòng)，但管道底部的懸空段會(huì)隨著水流的持續(xù)沖刷而不斷增長(zhǎng)；當(dāng)懸空段的長(zhǎng)度達(dá)到一定長(zhǎng)度后，水流的沖刷會(huì)造成管道的震動(dòng)。當(dāng)震動(dòng)頻率與管道的震動(dòng)頻率接近時(shí)，其形成的共振極易造成海底管道疲勞斷裂的破壞[2]。

管道破壞造成的后果是非常大的。首先是經(jīng)濟(jì)上的損失，海底管道修補(bǔ)的投資費(fèi)用巨大，同時(shí)修補(bǔ)期間的生產(chǎn)將會(huì)受到影響。另外，輸油管道的破壞產(chǎn)生的原油泄漏將會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，在如今國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)要求越來(lái)越嚴(yán)格的形勢(shì)下，其造成的社會(huì)影響也是巨大的。

2 常用的海底管道防護(hù)措施

海底管道防護(hù)是伴隨著海底管道的新建就開(kāi)始產(chǎn)生的。在海底管道的鋪設(shè)過(guò)程中，要對(duì)其進(jìn)行挖溝埋設(shè)，使其埋于海床底 1.5 m～2 m，但由于海底地質(zhì)條件及洋流等多種因素的影響，埋于海床下的管道會(huì)部分裸露直至懸空。針對(duì)不同的海底管道的隱患形式，海底管道防護(hù)的措施主要有挖溝埋設(shè)、拋填沙袋、水下支撐樁、鋪設(shè)海底仿生水草和鋪設(shè)混凝土連鎖排等。

2.1 挖溝埋設(shè)

海底管道挖溝的目的是在管道底部形成溝或坑，使海底管道在自身重力的作用下沉到溝底[3]，并在海底水流的作用下形成溝的自然回填，從而達(dá)到海底管道防護(hù)的目的。但是，由于海底地質(zhì)條件的復(fù)雜性，土層的軟硬程度不一，給挖溝的具體操作帶來(lái)了困難，這就要求挖溝機(jī)對(duì)軟、硬土層有比較大的適應(yīng)范圍。目前海底管道挖溝的主要方式是鉸吸式和射水式，其中射水式適合海底管道周圍情況復(fù)雜的施工環(huán)境[4]。

海底管道挖溝防護(hù)的另外一個(gè)難點(diǎn)是巡管，即找到海底管道的位置，并將挖溝機(jī)準(zhǔn)確地騎到海底管道上。不同于陸上管道可以根據(jù)標(biāo)記清楚地知道管道的位置，海底管道由于受到環(huán)境的影響，無(wú)法直觀地看到管道的位置，只能通過(guò)海底管道鋪設(shè)時(shí)做的位置標(biāo)記來(lái)進(jìn)行尋找。受定位系統(tǒng)的范圍準(zhǔn)確度的影響，海底管道位置的尋找有一定的難度，同時(shí)隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，海底管道非常可能受海底洋流等因素的影響而發(fā)生了位移。這更給海底管道的尋找工作增加了難度。

2.2 拋填沙袋

沙袋填充的防護(hù)機(jī)理是用大沙袋將海底管道懸空的部位填滿，對(duì)海底管道起到支撐的作用，用小沙袋將大沙袋無(wú)法埋進(jìn)的間隙進(jìn)行填充，最后在海底管道的上方覆蓋沙袋，防止海底管道裸露[5]（如圖 2 所示）。上層的沙袋應(yīng)盡量與海床保持在一個(gè)平面上，避免海水對(duì)其的二次沖刷，減少其防護(hù)的壽命。

圖 2 海底管道拋填沙袋示意圖

2.3 水下支撐樁

水下支撐樁對(duì)海底管道的防護(hù)作用與拋填大沙袋相似，主要目的是對(duì)懸空的海底管道起到一個(gè)支撐的作用，防止其因自身重力原因造成疲勞斷裂，同時(shí)減少管線因水流沖刷產(chǎn)生的震動(dòng)（如圖 3 所示）。該應(yīng)用方法在國(guó)內(nèi)海底管線隱患治理的應(yīng)用中并不少見(jiàn)[6]。

圖 3 水下支撐樁示意圖

2.4 鋪設(shè)海底仿生水草

鋪設(shè)海底仿生水草是利用仿生學(xué)原理，在海底管線的周圍通過(guò)仿生水草的鋪設(shè)，利用水草的作用防止沖刷，減緩海底管道周圍水流的流速，促進(jìn)海床泥沙在此淤積，從而達(dá)成管線防護(hù)的目的（如圖 4 所示）。仿生水草可單獨(dú)使用，也可與支撐樁和拋填沙袋配合使用。

圖 4 仿生水草原理圖

2.5 鋪設(shè)混凝土連鎖排

混凝土連鎖排是將混凝土預(yù)制塊通過(guò)串聯(lián)而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在海底管道隱患治理的過(guò)程中，混凝土連鎖排往往與土工布一起配合使用。土工布覆蓋于海床上能夠有效減少海底泥沙的流失，而在土工布上方鋪設(shè)連鎖排能對(duì)土工布起到固定作用，增加土工布的使用壽命，對(duì)海底管道起到保護(hù)作用。該種海底管道防護(hù)方法工藝比較簡(jiǎn)單，能夠在一定程度上保護(hù)海底管道免受拋錨和落物等意外載荷的沖擊[7]（如圖 5 和圖 6 所示）。

圖 5 土工布連鎖排防護(hù)斷面圖（管道懸空）

圖 6 土工布連鎖排防護(hù)斷面圖（管道未懸空）

海底管道懸空的情況各不相同，因此在選擇治理的方法時(shí)，應(yīng)綜合考慮海底環(huán)境、管線深度、管線懸空高度及裸露的長(zhǎng)度等，選擇合適的方法進(jìn)行處理。

3 海底管道防護(hù)的安全管理措施

與陸地項(xiàng)目不同，海洋工程受海上環(huán)境的影響，危險(xiǎn)因素多、風(fēng)險(xiǎn)較高。特別是海底管道防護(hù)的施工過(guò)程需要水下作業(yè)，這就對(duì)該作業(yè)過(guò)程的安全提出了更高的要求。通過(guò)對(duì)海底管道防護(hù)施工中可能發(fā)生的安全事故原因進(jìn)行分析，主要為：人的不安全行為，如潛水員入水前身體狀況不佳、責(zé)任心不強(qiáng)、未按照操作規(guī)程進(jìn)行水下作業(yè)等；物的不安全狀態(tài)，如潛水服破損、機(jī)具損壞等；管理缺陷，如安全管理制度不落實(shí)、應(yīng)急管理制度不到位等。根據(jù)安全第一、預(yù)防為主、防治結(jié)合的方針，必須從事前、事中和事后三方面分別采取相應(yīng)的安全管理措施。

3.1 安全事前控制

（1）在工程開(kāi)工前，應(yīng)編制施工組織設(shè)計(jì)并履行相關(guān)的報(bào)審程序。其中，在編制施工組織設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)海底管線防護(hù)過(guò)程中的危險(xiǎn)源和危險(xiǎn)因素進(jìn)行充分辨識(shí)，并制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，落實(shí)各級(jí)管理人員的安全責(zé)任。常見(jiàn)的水下作業(yè)事故有溺水、砸傷、潛水病、窒息傷亡等。作業(yè)前對(duì)作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行 JSA 分析并對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行交底，是必要的步驟。

（2）加強(qiáng)教育培訓(xùn)工作，提高作業(yè)人員的安全素質(zhì)和技能水平。特別是水下作業(yè)人員，應(yīng)具備相應(yīng)的水下作業(yè)資質(zhì)。因海底環(huán)境能見(jiàn)度低、作業(yè)人員行動(dòng)不便，事故發(fā)生后反應(yīng)相對(duì)較慢，因此就要求作業(yè)人員水下操作熟練，一旦事故發(fā)生時(shí)能夠冷靜對(duì)待，避免因著急心慌造成不必要的傷亡。水下作業(yè)前應(yīng)當(dāng)認(rèn)真調(diào)查作業(yè)區(qū)域的環(huán)境，作業(yè)人員應(yīng)熟悉海底的狀況和有關(guān)的安全操作規(guī)程。

（3）作業(yè)前仔細(xì)檢查，保證設(shè)備的完好。潛水設(shè)備是潛水員能夠正常進(jìn)行水下作業(yè)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是易發(fā)生事故的危險(xiǎn)點(diǎn)，需要引起高度的重視。

3.2 安全事中控制

（1）由于海上作業(yè)受氣象及海況的影響較大，出海作業(yè)前應(yīng)提前了解施工過(guò)程中的天氣情況，綜合考慮風(fēng)力、涌浪等因素，風(fēng)力小于 6 級(jí)，水流流速小于 0.1 m/s～0.3 m/s 時(shí)方可進(jìn)行水下作業(yè)。根據(jù)海洋潮汐規(guī)律，每天大約有兩個(gè)平流期。這個(gè)時(shí)間段的海水流速接近于 0，海底能見(jiàn)度相對(duì)較高，作業(yè)時(shí)的安全系數(shù)較高，是最適合水下作業(yè)的時(shí)間段。

（2）作業(yè)期間船上指揮人員與水下作業(yè)人員的通訊應(yīng)保持暢通，規(guī)定統(tǒng)一的聯(lián)絡(luò)聯(lián)絡(luò)及應(yīng)急用語(yǔ)和信號(hào)。除隨時(shí)指導(dǎo)水下作業(yè)外，發(fā)生緊急情況時(shí)，能夠迅速做出反應(yīng)，對(duì)水下作業(yè)人員進(jìn)行救援。

（3）盡量避免交叉作業(yè)。如在水下作業(yè)人員進(jìn)行探摸或沙袋整平時(shí)，應(yīng)禁止水上作業(yè)人員進(jìn)行拋砂作業(yè)，避免沙袋落下砸傷水下作業(yè)人員。

3.3 事后應(yīng)急管理

發(fā)生事故后的應(yīng)急救援是我們最不希望用到的，同時(shí)又是必不可少的。一旦發(fā)生水下作業(yè)人員窒息、溺水等安全事故，應(yīng)迅速啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，按照應(yīng)急預(yù)案的程序?qū)嵤┚仍?/p>

4 結(jié) 語(yǔ)

海底管道在服役過(guò)程中受海底洋流及構(gòu)筑物等的影響，易發(fā)生裸露、懸空等隱患，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，該隱患的嚴(yán)重程度會(huì)持續(xù)增加。除上文介紹的挖溝埋設(shè)、拋砂防護(hù)、水下支撐樁等海底管道防護(hù)措施外，目前常見(jiàn)的防護(hù)措施還有剛性阻流板和柔性導(dǎo)流板防護(hù)、撓性軟管跨接等。根據(jù)事前控制的原則，在新建的海底管道鋪設(shè)完成后即對(duì)其通過(guò)挖溝埋設(shè)或鋪設(shè)連鎖排的方式，減少其裸露的機(jī)會(huì)。同時(shí)，在海底管道服役過(guò)程中，定期對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)估，及時(shí)掌握海底管道的運(yùn)行狀態(tài)，也是減少隱患的重要手段。