基于射流的海管懸跨處理方法研究

林守強， 葉永彪， 齊兵兵， 崔寧， 陳贏豪， 謝锏輝

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518067）

0 引言

海底管道是指設(shè)置于海底用于輸送原油、天然氣、淡水、污水的管道。隨著海洋油氣資源的不斷開發(fā)，海底管道的規(guī)模不斷擴大。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，目前國內(nèi)海底管道總長度已超過8000 km[1-2]。由于海底地形起伏不平、復(fù)雜多變，從而導(dǎo)致海管鋪設(shè)于海床之后容易產(chǎn)生懸跨。根據(jù)海底土壤地質(zhì)資料、設(shè)計壽命、環(huán)境資料、海管材料、外徑及內(nèi)部輸送介質(zhì)等因素綜合計算，可得出每條海管的允許懸跨長度臨界值。若懸跨長度超過允許懸跨長度臨界值時，則必須立即采取措施處理。否則將導(dǎo)致海管在后續(xù)服役期間由于自身重力或浪流沖擊力等作用而發(fā)生變形，甚至導(dǎo)致輸送介質(zhì)泄漏，引起海洋環(huán)境污染，造成巨大損失。

目前常用的海管懸跨處理方法有沙袋回填、灌漿填充、吸力樁、拋石、人工海草等多種方法，這些方法各有優(yōu)劣。比如沙袋回填雖然操作簡單、經(jīng)濟成本較低，但可靠性差，長期效果不佳；灌漿填充屬于點支撐，資源少，經(jīng)濟成本較高，容易失效；吸力樁施工難度很大，風(fēng)險較高；拋石的技術(shù)可行性高，但是經(jīng)濟成本過高，通常是懸跨處理最后的選擇方法；人工海草見效慢，風(fēng)險高。

本文詳細(xì)闡述一種基于射流的海管懸跨處理方法，此種方法經(jīng)濟成本較低，應(yīng)用范圍廣泛，可處理各種海床懸跨，適用于絕大部分國內(nèi)的海管懸跨處理。

1 工作原理

海管懸跨處理時，將噴射式吹泥設(shè)備安裝至配套支持船上，由吊機下放吹泥設(shè)備，并進行水下牽引固定，使吹泥設(shè)備與船舶保持固定的相對位置，通過控制船舶的艏向、速度等來控制海管懸跨處理速度。調(diào)整吹泥設(shè)備的流量、高度來控制吹泥的深度與寬度，從而達到海管懸跨處理的目的。

利用噴射式吹泥設(shè)備進行海管懸跨處理的施工流程基本一致，下面以船舶HYSY289搭載T8000吹泥設(shè)備為例進行說明：1）下放5 t配重塊（Clump Weight）至水下距海床5 m高度。2）下放T8000設(shè)備至水下，T8000與配重塊之間連接鋼絲繩。3）通過吊機旋轉(zhuǎn)調(diào)整配重塊與T8000之間的距離，使?fàn)恳K（Guide Wire）處于受力狀態(tài)。T8000與配重塊連成直線，與船舷平行，便于通過船舶來控制T8000吹泥作業(yè)，見圖1。4）T8000與船舶保持固定相對位置，調(diào)整船舶航行速度即可控制T8000吹泥速度；調(diào)整吊機入水鋼纜長度控制T8000與海床距離；調(diào)整T8000流量大小控制吹泥深度。5）根據(jù)懸跨類型及周圍海床地形，控制T8000對海管周圍海床進行吹泥作業(yè)，達到消除或減少懸跨的目的。

圖1 工作原理

2 常見的海管懸跨類型

海底環(huán)境復(fù)雜多變，引起管道懸跨的原因有很多，比如特殊海底地形、地震區(qū)域，或者浪、流對海管的沖刷，以及海管鋪設(shè)后的殘余應(yīng)力等等。不同原因?qū)е碌暮９軕铱绲念愋筒煌８鶕?jù)海管懸跨形成時的形狀，將海管懸跨分為以下3種類型：“L”型懸跨，“U”型懸跨和“W”型懸跨（見圖2～圖4）。

圖2 “L”型懸跨

圖3 “U”型懸跨

圖4 “W”型懸跨

3 海管懸跨處理方法

針對不同類型的懸跨，采用噴射式吹泥設(shè)備進行處理時方法也不盡相同，需根據(jù)懸跨類型、懸跨形成原因、周圍海床特點等因素綜合考慮，采取最合理的方法進行處理。

3.1 “L”型懸跨處理方法

“L”型懸跨常出現(xiàn)在海床起伏比較大的地方，例如地震帶區(qū)域，海床出現(xiàn)斷層，兩側(cè)落差較大。此處海床凸出部分土壤剪切力一般比較大，土壤內(nèi)部容易存在較多巖石，處理前需要首先對土壤進行取樣，獲得土壤的準(zhǔn)確信息，根據(jù)土壤信息選定合適吹泥設(shè)備。然后根據(jù)有限元分析（FEA）軟件計算分析結(jié)果，確定海床吹泥區(qū)域及深度。再根據(jù)設(shè)定的海床處理目標(biāo)，制定海床處理方法，最終實現(xiàn)海管懸跨的處理。

圖5 “L”型懸跨處理結(jié)果

懸跨處理實際施工步驟如下：1）根據(jù)理論計算結(jié)果，確定海管懸跨處理方案，即將圖5中陰影部分消除，使海管與海床貼合，消除懸跨；2）船舶航行至懸跨位置上方，進行DP測試；3）下放吹泥設(shè)備至海床距離3 m左右，進行吹泥設(shè)備測試，確定流量、速度等參數(shù)；4）移動吹泥設(shè)備至懸跨處理位置A點，見圖6；5）開啟吹泥設(shè)備沿著從A～C的方向前進，前進過程中，保持高度不變，逐漸增大流量；6）到達C點后，關(guān)閉或降低吹泥設(shè)備流量，返回A點，返回途中利用聲納掃描處理結(jié)果；7）根據(jù)處理結(jié)果，將吹泥設(shè)備降低高度，再次沿著A～C的方向進行懸跨處理；8）經(jīng)過多次處理，最終達到A～B之間的海床地形，使海管與海床緊密貼合，消除“L”型懸跨。

3.2 “U”型懸跨處理方法

“U”型懸跨通常是海管鋪設(shè)以后由于海底浪流沖刷而形成的，也有部分懸跨是由于海底地形而產(chǎn)生的。根據(jù)懸跨形成的原因不同，處理方法選擇也不同。

圖6 “L”型懸跨處理過程示意

3.2.1 海底地形產(chǎn)生的“U”型懸跨處理方法

此種“U”型懸跨是海管鋪設(shè)于海床之上，海床地形與海管之間存在懸空導(dǎo)致。懸跨周圍海床土壤較為松軟，剪切力較小，可通過逐步消除海管懸跨兩端的海床，使海管沉降至海床上，來實現(xiàn)懸跨處理的目的，如圖7所示。

圖7 地形產(chǎn)生的“U”型懸跨處理過程

具體實施步驟：1）根據(jù)理論計算結(jié)果，確定海管懸跨處理方案，即將圖7中陰影部分消除，使海管與海床貼合，消除懸跨；2）下放吹泥設(shè)備至海床距離3 m左右，進行吹泥設(shè)備測試，確定流量、速度等參數(shù)；3）移動吹泥設(shè)備至懸跨處理位置兩端，以懸跨為中心，按照從中間到兩側(cè)的處理方向，開始懸跨處理；4）處理過程中，通過控制吹泥設(shè)備高度、流量和速度，最終達到懸跨處理的理論計算結(jié)果，使海管下沉與海床貼合，消除“U”型懸跨，如圖8所示。

3.2.2 沖刷形成的“U”型懸跨處理方法

圖8 地形產(chǎn)生的“U”型懸跨處理過程

此種“U”型懸跨是指在海管鋪設(shè)后經(jīng)調(diào)查未發(fā)現(xiàn)懸跨，但是經(jīng)過長時間海底浪流沖刷而形成的懸跨。此種懸跨兩側(cè)的土壤比較堅硬，不易處理（見圖9），無法通過消除兩端的土壤來處理懸跨。處理此種懸跨時，需要將周圍的土壤吹至懸跨區(qū)域，將此處懸跨填平。

圖9 沖刷形成的“U”型懸跨

圖10 沖刷形成的“U”型懸跨處理俯視圖

圖11 沖刷形成的“U”型懸跨處理剖視圖

圖12 沖刷形成的“U”型懸跨處理結(jié)果

具體施工步驟如下：1）根據(jù)噴射設(shè)備吹泥的范圍，設(shè)定吹泥設(shè)備距海管之間的距離L，確定吹泥處理路線,見圖10。2）吹泥設(shè)備沿著設(shè)定的路線進行吹泥，將海床附近的土壤吹到海管懸跨區(qū)域，填充海管底部的凹坑（見圖11），將懸跨區(qū)域填平，達到消除懸跨的目的,處理后的結(jié)果見圖12。

若懸跨兩端及周圍土壤均比較堅硬，處理難度比較大時，可考慮在較遠(yuǎn)地帶，重復(fù)上述步驟，將海床吹填至懸跨區(qū)域，消除海管懸跨。

3.3 “W”型懸跨處理方法

“W”型懸跨通常存在于海床復(fù)雜多變、起伏不平的地方?！癢”型懸跨也叫連續(xù)懸跨，可看做是多個“U”型懸跨連續(xù)在一起（見圖4）。處理時要綜合考慮其周圍的海床情況，若海管懸跨兩端海床土壤比較堅硬，可采用3.2.2節(jié)方法進行消除懸跨；若海管懸跨周圍所處海床土壤松軟，采取3.2.1節(jié)方法進行懸跨處理。具體處理方法可根據(jù)土壤實際情況，選擇合理方法進行懸跨處理。

4 結(jié) 論

基于射流的海管懸跨處理方法采用的相關(guān)船舶、設(shè)備資源在國內(nèi)非常多，易于鎖定；海上施工效率較高，經(jīng)濟成本較低，在進行海管懸跨處理時相比于其他懸跨處理方法性價比很高，可處理的懸跨種類較多，非常實用。但是此種懸跨處理方法要求提供準(zhǔn)確的海床土壤資料，進行提前計算并模擬出懸跨處理結(jié)果，否則可能導(dǎo)致現(xiàn)場施工困難，懸跨處理失敗。

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