超大管徑海底管道長距離岸拖及復(fù)雜海況下水平口對接施工技術(shù)*

胡知輝 佟光軍 唐 彪 藍(lán) 天 趙天奉

(1.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計院 北京 100028； 2.中國石油大學(xué)(北京)海洋工程研究院 北京 102249)

浙江舟山大陸引水三期海底管道項目(以下簡稱舟山項目)從寧波鎮(zhèn)海側(cè)入海，穿越灰鱉洋海域，在馬目黃金灣水庫海堤登陸，路由全長33 km，由中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司承擔(dān)管道鋪設(shè)施工。該項目在馬目側(cè)海堤近岸段采用預(yù)挖溝、后岸拖的方法完成管道登陸，再通過海上水平口對接完成近岸段管道鋪設(shè)。

關(guān)于海底管道岸拖和水平口對接，國內(nèi)外有一些實(shí)施案例的報道[1-6]；但未見類似舟山項目這樣超大外徑(φ1.228 m)海底管道、長距離(1.2 km)岸拖、復(fù)雜海況下(水深12.2 m，海流流速1.5～2.0 m/s，流向垂直于管道拖拉方向，潮差大于2 m)的水平口對接和充水沉管的施工案例報道。

本文針對舟山項目中岸拖施工過程中的拖拉方法選擇、限位樁設(shè)計、管道受力分析以及水平口對接施工過程中的管道提吊和充水下放分析等問題，提出了詳細(xì)的模擬分析計算方法，從理論上論證了方案可行性，并創(chuàng)新采用了一種無安裝殘余應(yīng)力的水平口對接方法，施工過程中嚴(yán)格按照本文計算方案指導(dǎo)，最終順利完成施工。本文研究成果和施工經(jīng)驗(yàn)可為后續(xù)超大管徑海底管道長距離岸拖及復(fù)雜海況下水平口對接的設(shè)計、施工提供借鑒和參考。

1 工程背景

1.1 施工船舶資源

舟山項目以“中油海101”鋪管船作為主作業(yè)船，該鋪管船總長120.5 m，型寬32.2 m，型深6.5 m，設(shè)計吃水4.0 m，張緊器最大張力1×735 kN，托管架長度40 m，定位錨機(jī)拉力8×1 147 kN。

1.2 岸拖路由

舟山項目馬目側(cè)近岸段1.2 km海底管道路由KP31.8至KP32.5間地形變化劇烈且水深較淺(圖1)。考慮“中油海101”鋪管船吃水及潮汐因素，為避免鋪管船在施工過程中出現(xiàn)觸底現(xiàn)象，須將該鋪管船就位于KP31.8約10.6 m水深處(1985國家高程基準(zhǔn)，下同)進(jìn)行岸拖施工。

圖1 舟山項目岸拖管道水深及路由Fig.1 Water depth and route of shore pull of Zhoushan project

1.3 項目難點(diǎn)

該項目存在以下不利條件和難點(diǎn)：

1) 岸拖距離長?！爸杏秃?01”鋪管船就位于KP31.8處，須進(jìn)行1.2 km岸拖施工。

2) 岸拖海底管道管徑大(外徑1.228 m)，壁厚薄(14 mm)，管材強(qiáng)度低(Q345B)，無配重層。管道在水中的浮力大于自身重力，岸拖過程中管道漂浮在水面上，受波浪和海流影響大，拖拉過程中管道軌跡難以控制，易發(fā)生側(cè)向位移。

3) 水深大。管道岸拖就位后，需要在KP31.8處進(jìn)行海上水平口對接和充水沉管，該處高潮位水深超過12.2 m。

4) 海況復(fù)雜。該海域水流急(根據(jù)水文數(shù)據(jù)，施工期間水流速度1.5～2.0 m/s)，且流向垂直于管道拖拉方向，潮差平均超過2 m。

2 管道岸拖施工技術(shù)

2.1 施工方案

岸拖施工主要有浮拖法、離底拖法和底拖法等3種方式。舟山項目的管道無配重層，空管狀態(tài)下在水中的浮力大于自身重力，適合采用浮拖法施工。但由于岸拖距離長、管徑大，在拖拉過程中受波浪、海流影響大，會發(fā)生側(cè)向位移，須采取限位措施。若將管道100%充水并采用底拖法施工，雖然拖拉軌跡易于控制，但拖拉阻力大，需要大型拖拉絞車，同時管道在拖拉過程中與海床面接觸會破壞管道3PE外防腐涂層。綜合以上分析，最終決定采用浮拖法施工的方案，打限位樁對管道側(cè)向位移進(jìn)行限位，并在登陸點(diǎn)設(shè)置拉力196 kN的線型絞車配合岸拖施工。

2.2 岸拖管道受力分析

采用ABAQUS軟件，考慮管道在自重、浮力、張緊器張力、岸拖絞車?yán)?、波浪海流等荷載作用下，模擬岸拖過程中的管道力學(xué)狀態(tài)，計算管道應(yīng)力滿足DNV 1981規(guī)范[7]條件下的限位樁間距及管道在波浪海流荷載作用下與限位樁的碰撞強(qiáng)度。ABAQUS模型中，鋪管船上起始端按簡支約束考慮，限位樁位置處約束管道水平方向位移，岸拖管道最遠(yuǎn)端按自由端考慮。由于海上限位樁的安裝成本較高，計算過程中應(yīng)盡量增大限位樁間距，減少限位樁數(shù)量。

岸拖管道受到的波浪海流荷載，采用莫里森方程[8]進(jìn)行計算，即

(1)

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，岸拖過程中管道強(qiáng)度校核公式為

σ=

(2)

式(2)中：N為軸向力；A為管道的橫截面積；M為彎矩；W為管道的截面模量；σy為環(huán)向應(yīng)力；σF為最小屈服強(qiáng)度應(yīng)力；η為利用系數(shù)，僅考慮功能荷載時取0.72，當(dāng)采用施工期最大的風(fēng)、浪、流等最不利條件組合時取0.96。

計算分析輸入?yún)?shù)：管徑1 200 mm，壁厚14 mm，管材Q345B，外防腐涂層為3PE，涂層厚度3.7 mm；實(shí)測海流流速1.6 m/s，波高0.8 m，波周期4.0 s，波浪和海流方向與管道成90°(依據(jù)施工期海況條件選取)；岸拖施工過程中，“中油海101”鋪管船張緊器張力為78.4 kN。根據(jù)ABAQUS有限元計算結(jié)果，綜合考慮管端偏移和管道應(yīng)力，限位樁間距為120 m，岸拖過程中管道應(yīng)力滿足要求，管端最大偏移5.794 m(表1)。

表1 舟山項目岸拖管道受力計算分析結(jié)果Table 1 Calculation results of pipeline shore pull of Zhoushan project

2.3 限位樁設(shè)計

根據(jù)岸拖管道受力計算分析結(jié)果，須在1.2 km岸拖長度范圍內(nèi)間隔120 m設(shè)置限位樁，考慮該海域?yàn)榘肴粘保瑵q落潮流向發(fā)生換向，在管線路由中心線兩側(cè)間隔60 m交錯設(shè)置A、B兩列限位樁，保證在某一流向條件下岸拖管道的限位樁間距為120 m。

確定限位樁數(shù)量和位置后，須根據(jù)水深和海床土壤數(shù)據(jù)(表2)、岸拖管道施加給限位樁的荷載及環(huán)境條件等參數(shù)，確定限位樁的樁徑、壁厚以及每根限位樁打入海床的深度和總長度。限位樁強(qiáng)度分析采用SACS軟件，樁土相互作用分析由PSI模塊完成，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核依據(jù)文獻(xiàn)[9]。限位樁采用φ1 228×14 mm鋼管，材質(zhì)Q345B，計算給出了每根限位樁的總長度和須打入海床深度(表3)。考慮到近岸段預(yù)挖溝泥土堆放在管溝兩側(cè)對岸拖管道受到波流荷載的遮蔽效應(yīng)，以及打樁浮吊船的吃水要求，KP32.76至KP33.00不打限位樁。

表2 舟山項目登陸點(diǎn)附近土壤參數(shù)Table 2 Soil parameters near landing pipeline route of Zhoushan project

表3 舟山項目限位樁分析計算結(jié)果Table 3 Calculation results of limiting pile of Zhoushan project

3 水平口對接技術(shù)

海底管道在鋪管船舷側(cè)實(shí)施水上水平口對接，常規(guī)做法須將兩側(cè)管道起吊出水面，焊接完成后再下放到海床上。由于水上焊接成一體的管道長度大于海底管道與海底面兩切點(diǎn)之間的距離，因此下放到海床上后會在海床面上呈弓形，管道就位后始終存在附加彎曲應(yīng)力。水深越大、管徑越大，需要起吊的管道越長，下放的難度也越大；同時還存在對口處不易調(diào)平，焊接難度大，受潮汐、波浪和海流影響時間長等問題。若采用常規(guī)舷側(cè)水上水平口對接方法，在12.2 m水深將兩側(cè)1.228 m直徑海底管道提吊出水面，在水上對接后再進(jìn)行下放，難度非常大。

舟山項目創(chuàng)新采用的水上水平口對接技術(shù)是利用一端管道為1.2 km浮拖法施工的優(yōu)勢，采用文獻(xiàn)[10]中提到的方法，在一端管道浮拖就位后、充水沉管之前先進(jìn)行水上水平口對接，在對接完成后的下放過程中先利用登陸點(diǎn)絞車同步進(jìn)行拖拽，配合管道下放到水面上，最后通過充水將管道下放至海底，實(shí)現(xiàn)了無安裝殘余應(yīng)力的水平口對接[11]，降低了施工難度。

根據(jù)“中油海101”鋪管船舷側(cè)吊位置和水深等參數(shù)，采用OFFPIPE分析軟件對施工現(xiàn)場水深條件下已鋪管道的起吊過程進(jìn)行分析，確定在文獻(xiàn)[7]規(guī)范允許條件下的吊點(diǎn)數(shù)量、各吊點(diǎn)荷載和管道的受力情況等，保證管道應(yīng)力水平在允許范圍內(nèi)。計算方法同式(2)，只是利用系數(shù)取值不同，根據(jù)文獻(xiàn)[7]規(guī)范要求，上彎段利用系數(shù)取0.85，下彎段利用系數(shù)取0.72。根據(jù)計算結(jié)果(表4)，須采用“中油海101”鋪管船3個舷側(cè)吊對已鋪管道進(jìn)行提吊(圖2)。提吊完成后，管端(KP31.8處棄管頭)提吊出水面1.9m，滿足舷側(cè)對口焊接要求。提吊過程中，上彎段管道最大應(yīng)力為254.5 MPa，下彎段管道最大應(yīng)力為218.0 MPa(表4)，均小于許用應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

表4 舟山項目已鋪管道起吊過程計算分析結(jié)果Table 4 Davit lift calculation results of installed pipeline of Zhoushan project

圖2 舟山項目已鋪管道舷側(cè)起吊示意圖Fig.2 Davit lift configuration of installed pipeline of Zhoushan project

4 充水下放技術(shù)

管道完成海上對接后，須充水下放到海床上，充水管道向下的水下浮重量和空管段向上的水下浮重量相平衡，使管道成S形(圖3);隨著管道充水不斷進(jìn)行，管道會形成新的S形，得以重新平衡，直到充水完成。充水過程中管道會受到較大的彎曲應(yīng)力，須對管道強(qiáng)度進(jìn)行模擬分析計算。

圖3 舟山項目岸拖管道充水下放沉管形態(tài)Fig.3 Shore pull pipeline during sinking process of Zhoushan project

采用AutoPIPE軟件對管道充水下放強(qiáng)度進(jìn)行分析[12]，模型中管道單元的管徑、壁厚和材質(zhì)按實(shí)際參數(shù)輸入，海床以Guide型支撐模擬，實(shí)際建模充水管段長度500 m，空管段長度400 m，管道主要的荷載包括壓力、溫度、重量和浮力等，由程序自動計算。

施工階段選擇低潮位進(jìn)行管道充水下放，根據(jù)水深調(diào)查資料，KP31.8處低潮位水深為9.8 m，管道上彎段處應(yīng)力304 MPa(圖4)，超過文獻(xiàn)[7]規(guī)范許用要求。經(jīng)計算，滿足規(guī)范[7]允許要求的臨界水深為6.7 m， KP32.0處低潮位水深為6.7 m。綜上分析，在KP31.8—KP32.0間的200 m管道充水沉管過程中，須采取吊機(jī)輔助等措施保證管道安全。

圖4 舟山項目岸拖管道充水下放應(yīng)力計算結(jié)果Fig.4 Stress calculation results during sinking process of Zhoushan project

5 現(xiàn)場施工

根據(jù)上述計算要求，現(xiàn)場首先打限位樁，施工采用250 t錨泊定位浮吊船帶DZJ200電動打樁錘，依據(jù)DGPS定位系統(tǒng)確定樁位。滿足岸拖施工要求后，“中油海101”鋪管船就位于KP31.8開始岸拖施工，將登陸點(diǎn)絞車拖拉索具的一端與鋪管船管道拖拉頭相接，管道在鋪管船作業(yè)線上組對、焊接、檢驗(yàn)和防腐，完成一根拖拉一根，直至將管子拖拉到岸上登陸點(diǎn)處(圖5)。管道拖至登陸點(diǎn)后，“中油海101”鋪管船在KP31.8處進(jìn)行棄管；同時，“中油海101”鋪管船400 t主吊配合將棄管端管道轉(zhuǎn)移至舷側(cè)，為后續(xù)海上水平口對接施工做好準(zhǔn)備。

圖5 舟山項目海上管道岸拖施工Fig.5 Pipeline shore pull of Zhoushan project

在完成海上管道岸拖施工后，立即進(jìn)行水平口對接。根據(jù)計算分析提供的吊點(diǎn)數(shù)量和布置，由潛水員下水探摸，進(jìn)行精確定位并標(biāo)定吊點(diǎn)位置，最后綁扎吊帶并與“中油海101”鋪管船舷側(cè)吊連接，進(jìn)行管道起吊(起吊過程中實(shí)時調(diào)整索具長度和吊力)，將已鋪管道提吊出水面，完成水平口對接施工(圖6)。水平口對接施工步驟為：①在水平口對接處搭設(shè)臨時操作平臺，切割棄管管頭；②根據(jù)兩端海底管道長度計算切割余量，對兩端管道的接頭處進(jìn)行劃線、3PE層防腐層去除，精確量取切割尺寸并完成切割工作；③通過舷側(cè)吊調(diào)整兩條管道位置使之達(dá)到焊接組對要求，作業(yè)人員完成管道的組對、焊接、檢測、防腐等工作，完成水平口對接施工。

圖6 舟山項目海上管道水平口對接施工Fig.6 Pipeline tie-in construction of Zhoushan project

最后進(jìn)行管道充水沉管施工。根據(jù)計算結(jié)果，KP31.8—KP32.0間的200 m管道充水沉管施工時管道應(yīng)力超過文獻(xiàn)[7]規(guī)范允許要求；通過“中油海101”鋪管船3個舷側(cè)吊和主吊配合沉管施工，保證了該段管道的沉管安全；剩余部分采取直接充水沉管。沉管過程中始終保持岸拖絞車?yán)?，除限位樁進(jìn)行限位外，預(yù)挖溝段還采用小艇進(jìn)行輔助，使預(yù)挖溝段管道準(zhǔn)確下放至管溝。

該項目的成功實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首次1.228 m超大外徑海底管道長距離岸拖及復(fù)雜海況下的水平口對接施工，并創(chuàng)新采用了一種無安裝殘余應(yīng)力的水平口對接方法，同時避免了再動員一艘淺吃水鋪管船進(jìn)行后續(xù)鋪管施工，取得了良好的技術(shù)成果和經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

針對浙江舟山大陸引水三期工程項目中超大外徑(1.228 m)海底管道長距離(1.2 km)岸拖及復(fù)雜海況下(水深12.2 m，流速1.5～2.0 m/s,流向垂直于管道拖拉方向，潮差大于2 m)水平口對接和充水沉管等難題，通過ABAQUS、SACS、OFFPIPE和AutoPIPE軟件對岸拖過程中的管道力學(xué)狀態(tài)、限位樁、管道水平口對接和岸拖管道充水下放各工況進(jìn)行了詳細(xì)的模擬分析計算，從理論上論證了方案可行性，并創(chuàng)新采用了一種無安裝殘余應(yīng)力的水平口對接方法，實(shí)現(xiàn)了該項目現(xiàn)場施工順利完成，取得了良好的技術(shù)成果和經(jīng)濟(jì)效益。本文提出的模擬計算方法和現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)，可為后續(xù)超大外徑海底管道長距離岸拖及復(fù)雜海況下水平口對接的設(shè)計、施工提供借鑒和參考。