海底管道安裝分析及鋪設(shè)工藝

張捷，陳偉鵬

（中交海洋建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司， 天津 300457）

海底管道作為海洋油氣田開(kāi)發(fā)的重要組成部分，被喻為油氣田的生命線。海底管線安全可靠運(yùn)行是海上油氣田生產(chǎn)的根本保證，海底管道的安裝至關(guān)重要，其施工質(zhì)量直接影響海底管道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)[1]。

海底管道按照使用功能主要分為油氣輸送管道、排海污水管道、市政取排水管道。按照管體構(gòu)造形式分類：(1)雙層鋼管保溫管道；(2)單層鋼管保溫管道；(3)非保溫有混凝土配重管道；(4)非保溫?zé)o混凝土配重管道；(5)管束；(6)撓性軟管；(7)塑性管。典型截面構(gòu)造如圖1所示[2]。

圖1 管道截面圖

本文從管道分類入手，介紹海底管道基本情況，并按工程建設(shè)的順序，研究從設(shè)計(jì)到施工管道建設(shè)過(guò)程。

1 海底管道鋪設(shè)分析

海底管道在鋪設(shè)前需進(jìn)行鋪設(shè)分析，目的是對(duì)已經(jīng)選定的鋪管船等施工資源進(jìn)行可行性校核，確保船舶設(shè)備滿足鋪管要求；同時(shí)確定托管架布置角度及支撐滾輪角度和高度，使管道處于最優(yōu)受力狀態(tài)，防止管道出現(xiàn)應(yīng)力劇變情況，保證海底管道在鋪設(shè)過(guò)程中的受力在規(guī)范允許范圍內(nèi)[3]。

1.1 海底管道強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)

海底管道鋪設(shè)強(qiáng)度分析基于多個(gè)輸入變量的模型，滿足DNV-OS-F101的荷載抗力系數(shù)法校核準(zhǔn)則[4]。

一般考慮采用組合荷載準(zhǔn)則（荷載控制條件）進(jìn)行校核，包括如下兩種情況：

(1)經(jīng)受彎矩，有效軸力和內(nèi)部超壓力作用的管件所有的橫截面應(yīng)設(shè)計(jì)成滿足以下條件：

適用于D/t≤45，Pi≥Pe（海底內(nèi)壓大于外壓）[5]

(2)經(jīng)受彎矩、有效軸力和外部超壓作用的管件應(yīng)按以下方程設(shè)計(jì)：

適用于D/t≤45，Pi＜Pe（海底外壓大于內(nèi)壓）

荷載條件選?。?/p>

表1 不同荷載條件下荷載條件因子選取[6]

1.2 鋪管分析

首先根據(jù)項(xiàng)目鋪管需求情況初步選定合適的鋪管船，了解鋪管船的張緊器能力，托管架長(zhǎng)度、角度，鋪管船和托管架上支撐滾輪坐標(biāo)。考慮如下荷載：

管道（及所有涂層）重量；浮力；鋪管船提供的張緊力；船舶和托管架的輥輪支反力；海底支反力；環(huán)境荷載（包括波浪和海流作用）；船舶動(dòng)態(tài)效應(yīng)。

一般根據(jù)不同水深定義不同的設(shè)計(jì)工況，分析每個(gè)設(shè)計(jì)工況的影響。根據(jù)水深定義不同的設(shè)計(jì)工況，船舶及托管架的支撐高度和角度不變，而張緊器張力根據(jù)不同設(shè)計(jì)水深可調(diào)整。不同設(shè)計(jì)工況下應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。

應(yīng)根據(jù)具體項(xiàng)目水深變化界定設(shè)計(jì)工況，如項(xiàng)目無(wú)特殊要求，可考慮每10m水深變化值考慮一個(gè)設(shè)計(jì)工況。采用行業(yè)認(rèn)可的商業(yè)有限元鋪管分析軟件，如Offpipe、flexcom、orcaflex進(jìn)行鋪管分析。

1.3 鋪管案例

用下例說(shuō)明某海底管道項(xiàng)目安裝鋪設(shè)分析過(guò)程。某項(xiàng)目管道情況及鋪管分析輸入條件：

(1)管道參數(shù)

表2 渤海某項(xiàng)目海底管道參數(shù)

(2)某鋪管船參數(shù)及鋪設(shè)期對(duì)鋪管船建立模型的坐標(biāo)系統(tǒng)如圖2所示：

表3 某鋪管船參數(shù)

圖2 鋪管船坐標(biāo)模型

船舶及托管架各支撐可調(diào)整范圍如圖3所示：

圖3 鋪管船托管架支撐滾輪坐標(biāo)參數(shù)

(3)分析工況

根據(jù)水深變化情況，考慮如下兩種工況：

工況一： 最淺水深（33m）=最淺水深+最低天文潮位；

工況二： 最深水深（38m）=最深水深+最高天文潮位。

通過(guò)建模分析得到結(jié)果如右圖。

工況一下管道最大彎矩為323kN·m，最大軸力為276kN；工況二下管道最大彎矩為339kN·m，最大軸力為276kN。

(4)強(qiáng)度校核

選取計(jì)算結(jié)果海底管道最大的受力及變形，按照DNV-OS-F101規(guī)范校核管道強(qiáng)度如表4所示：

表4 渤海某項(xiàng)目海底管道參數(shù)

依據(jù)DNV-OS-F101規(guī)范，UC值校核小于1時(shí)滿足規(guī)范要求。選取的船舶資源可行，托管架及船舶支撐滾輪高度合理。

2 海底管道鋪設(shè)工藝

2.1 海底管道施工方法分類及適用范圍

圖4 安裝分析結(jié)果

海底管道海上鋪設(shè)方式一般分為鋪管船法、拖拉法和浮托法。鋪管船法又有S-Lay、J-Lay和Reel-Lay三種方式。拖拉法和浮托法適用于登陸管道及臨岸管道施工；海底管道鋪設(shè)最常用方法是鋪管船施工，S-Lay適用于淺水及300m水深以內(nèi)管道安裝施工，J-Lay和Reel-Lay適用于數(shù)百米及千米級(jí)深水管道施工。世界上絕大多數(shù)海底管道均采用S-Lay鋪管船施工。我國(guó)目前還沒(méi)有J-Lay和Reel-Lay型鋪管船，除在南海某項(xiàng)目中租用國(guó)外船舶完成一次J-Lay鋪管施工外，其它國(guó)內(nèi)海底管道鋪設(shè)均采用S-Lay法施工。

2.2 S-Lay鋪管施工工藝介紹

S-Lay鋪管船作業(yè)主要順序是：將單節(jié)管（長(zhǎng)12.2m）或雙節(jié)管（2×12.2m）一根根焊接接長(zhǎng)，檢查每道焊口，對(duì)接口進(jìn)行防腐絕緣層、保溫層、外包混凝土防護(hù)層加工；通過(guò)下水滑道（托管架）慢慢地放入海床，每鋪設(shè)一段距離，移動(dòng)鋪管船錨纜一次。

(1)S-Lay鋪管介紹

S-Lay鋪管法的工藝特點(diǎn)可以簡(jiǎn)單概括為：以鋪管船為依托、以鋪管作業(yè)線為手段并輔之以鋪管專業(yè)設(shè)備（如張緊器、A/R絞車、托管架等）。鋪管船與著泥點(diǎn)之間的管道呈S形曲線，并分成上彎段和下彎段，典型鋪管S曲線如圖5。

圖5 鋪管船工作狀態(tài)

(2)海底管道鋪設(shè)工藝

海底管道海上正常鋪設(shè)作業(yè)過(guò)程中，海底管道焊接一般采用半自動(dòng)焊或全自動(dòng)焊技術(shù)，檢驗(yàn)采用超聲波檢測(cè)（AUT或UT）技術(shù)。鋪管船就位后，倒管至鋪管船后，檢查海底管道表面是否完整、有無(wú)破損；然后進(jìn)行吹掃、坡口處理、管口消磁，上作業(yè)線進(jìn)行組對(duì)焊接；檢驗(yàn)（如有必要進(jìn)行返修）；最后進(jìn)行節(jié)點(diǎn)處理；以上各站工作完成后，海底管道通過(guò)船尾的托管架進(jìn)入水中，最終到達(dá)海底。

(3)臨時(shí)棄管與回收

如果在鋪管期間遇到惡劣天氣危及海底管道或船舶自身安全，或是其他一些意外情況影響到海底管道正常鋪設(shè)，需要臨時(shí)棄管。

臨時(shí)棄管作業(yè)步驟如下：取出內(nèi)對(duì)口器、屈曲探測(cè)器；焊接臨時(shí)棄管封頭，并且連接A/R纜至棄管封頭上；釋放A/R纜，在各站依次完成焊接及檢驗(yàn)工作；進(jìn)行張力轉(zhuǎn)換（張力由張緊器張力轉(zhuǎn)換至A/R絞車?yán)Γ会尫臕/R纜，調(diào)節(jié)張力，直至封頭到達(dá)海底；如果天氣海況好轉(zhuǎn)，或其他意外情況解除，則需要回收海底管道，以恢復(fù)正常鋪設(shè)。

(4)海底管道終止鋪設(shè)

當(dāng)海底管道鋪設(shè)至終止棄管位置時(shí)，進(jìn)行終止鋪設(shè)作業(yè)。檢查封頭附近海底管道狀態(tài)，回收A/R纜，完成終止鋪設(shè)。

3 總結(jié)

本文介紹了海底管道建設(shè)設(shè)計(jì)及施工方法和流程，使其對(duì)海底管道建設(shè)有所了解，為開(kāi)展管道建設(shè)業(yè)務(wù)提供參考，為深入研究管道設(shè)計(jì)及施工提供基礎(chǔ)也為以后工程提供借鑒。實(shí)際管道建設(shè)過(guò)程中環(huán)境千變?nèi)f化，船舶裝備發(fā)展越來(lái)越先進(jìn)。我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際工程情況，如水深及環(huán)境條件采取合適的設(shè)計(jì)分析方法，選取合適的施工船舶、安裝及調(diào)整最優(yōu)的托管架姿態(tài)，在施工中選取合適的張緊器張緊力，在保證管道安全的前提下，提高鋪管效率。