基于卷管法的石油管道系統(tǒng)模塊化施工安裝研究

李巍，付澤意

（中國(guó)化學(xué)工程第十一建設(shè)有限公司， 河南 開封 475000）

我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，離不開各種能源。其中，石油是工業(yè)發(fā)展的命脈，被稱為“工業(yè)的血液”。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示：2018年中國(guó)石油產(chǎn)量為189.1百萬(wàn)噸，石油消費(fèi)量641.2百萬(wàn)噸油當(dāng)量，原油加工量12441千桶/日[1]。如此大的石油需求量，保證供應(yīng)已成為重要問題，僅靠西氣東輸、川氣東送等工程已無(wú)法滿足需求。在此背景下，亟待鋪設(shè)新的石油管道系統(tǒng)，其中海底管道工程是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。在海底鋪設(shè)管道，不僅避免了對(duì)地面設(shè)施的破壞，減少了資源浪費(fèi)，還減低了施工成本，鋪設(shè)效率和安全性高。我國(guó)海洋工程發(fā)展較慢，裝備與技術(shù)相對(duì)落后，起步較晚[2]。為了減少和防止管道事故的發(fā)生，保證石油管道的正常輸送，有必要提高管道系統(tǒng)安裝施工的合理性，使其符合相應(yīng)的安裝標(biāo)準(zhǔn)，減少企業(yè)受到的經(jīng)濟(jì)損失，促進(jìn)石油天然氣行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

目前，海洋石油管道施工安裝工藝主要有拖管法、鋪管船法兩種。其中拖管法是將管子組裝焊接成管段，然后由拖管船或其他牽引設(shè)備把管段拖到海上預(yù)定的位置再進(jìn)行連接的施工方法。施工周期短，但施工費(fèi)用相對(duì)較高。鋪管船法是采用專用的鋪管作業(yè)船，需要有一整套施工機(jī)具和船舶與之相配合，一般用于長(zhǎng)距離水深能滿足鋪管船吃水要求的海管海上鋪設(shè)[3]。優(yōu)點(diǎn)是抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、作業(yè)效率高，缺點(diǎn)是施工周期長(zhǎng)，施工難度高。

針對(duì)上述情況，本文提出一種新的方法—卷管法，可運(yùn)用到的石油管道系統(tǒng)模塊化施工安裝中。卷管法是近些年被廣泛應(yīng)用和發(fā)展的一種海底管道鋪設(shè)方法，原理是將管道在陸地預(yù)制場(chǎng)地上接長(zhǎng)，然后卷在專用液筒上，送到海上進(jìn)行鋪設(shè)施工的方法[4]。因?yàn)榻^大多數(shù)的管道制造加工均在陸地完成，施工難度小，便于控制，且鋪管效率高，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，成本低。為測(cè)試卷管法施工的合理性，利用模糊評(píng)價(jià)法對(duì)其施工安裝的合理性進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明：卷管法進(jìn)行石油管道系統(tǒng)模塊化施工安裝，施工安裝合理性指數(shù)更高，由此可知基于卷管法的石油管道系統(tǒng)模塊化施工安裝要好于拖管法、鋪管船法。

1 基于卷管法的石油管道系統(tǒng)施工安裝工藝

在我國(guó)廣闊的海域中，蘊(yùn)藏著巨大的石油資源，為我國(guó)工業(yè)發(fā)展提供了能源基礎(chǔ)，減輕了中國(guó)對(duì)外能源的過分依賴，但是受到海洋環(huán)境的影響，資源開發(fā)與利用并不順利，而這主要?dú)w于前期石油管道施工安裝的不合理性[5]。為此，本文研究一種新的石油管道系統(tǒng)施工安裝工藝，即基于卷管法的石油管道系統(tǒng)模塊化施工安裝法。該方法的施工流程如圖1所示。

圖1 基于卷管法的石油管道系統(tǒng)施工安裝研究思路

卷管法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種專門用于海洋油氣資源管道鋪設(shè)方法，卷管法與拖管法、鋪管船法最大的區(qū)別在于陸海結(jié)合，大部分前期工作，如管道制作、清洗處理、纏繞卷筒、卷筒安裝等都在陸地上進(jìn)行，降低了海上作業(yè)的難度和風(fēng)險(xiǎn)，而少部分后期工作，需要利用鋪管船在海上完成海底管道鋪設(shè)[6]。卷管法基本原理如下：在陸地上制造出待鋪設(shè)的石油管道，并將其纏繞到固定在鋪管船上的專業(yè)卷管圓盤上，然后鋪管船帶著纏有管道的圓盤行駛到預(yù)先選定的鋪設(shè)位置，將管道在起點(diǎn)處連接，最后鋪管船按照設(shè)計(jì)的方向行駛，而管道就同時(shí)慢慢放到海底，完成石油管道鋪設(shè)，如圖2所示[7]。

圖2 卷管法基本原理

1.1 石油管道系統(tǒng)模塊化施工安裝準(zhǔn)備工作

在石油管道施工安裝前，需要進(jìn)行一些準(zhǔn)備工作，包括施工設(shè)備選取、鋪管準(zhǔn)備工作等。

1.1.1 施工安裝設(shè)備選取

利用卷管法鋪設(shè)安裝石油管道系統(tǒng)，需要使用的主要相關(guān)設(shè)備有纏繞設(shè)備、定位系統(tǒng)、張緊器、收放絞車、吊管機(jī)、矯直器等[8]。

（1）卷管纏繞設(shè)備。卷管圓盤包括有一圓盤狀外殼，中間設(shè)置有一根軸，軸上套置有中間設(shè)置管帶槽的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤的槽內(nèi)盤放置管道。

（2）定位系統(tǒng)。定位系統(tǒng)幫助鋪管船到達(dá)指定位置，保證管道鋪設(shè)在指定位置。定位系統(tǒng)是以確定空間位置為目標(biāo)而構(gòu)成的相互關(guān)聯(lián)的一個(gè)集合體或裝置，一般船舶上的定位系統(tǒng)為GPS，技術(shù)指標(biāo)如表1所示[9]。

表1 GPS定位系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

（3）張緊器。張緊器的作用是保持管道在傳動(dòng)過程中擁有適當(dāng)?shù)膹埦o力，從而避免管道松動(dòng)、脫落，減輕卷管圓盤磨損。

（4）收放絞車。收管棄管絞車是用卷筒纏繞鋼絲繩或鏈條以提升或牽引重物的小型起重設(shè)備，主要用于水下拖曳設(shè)備的自動(dòng)收放，技術(shù)參數(shù)如表2所示[10]。

表2 收放絞車技術(shù)參數(shù)

（5）吊管機(jī)。吊管機(jī)由履帶式底座、吊臂、液壓絞車、平衡液壓缸、平衡支架、平衡配重和滑輪組等幾部分組成，主要用于石油、天然氣、水網(wǎng)等長(zhǎng)輸管線的建設(shè)，是運(yùn)管、布管、組對(duì)、下溝施工工序的專用設(shè)備。

（6）矯直器。在管道鋪設(shè)過程中，矯直器可將因纏繞導(dǎo)致彎曲的管道進(jìn)行矯直。

1.1.2 鋪管準(zhǔn)備工作

（1）收集有關(guān)鋪管工程的資料和技術(shù)要求，了解施工海域的氣候和水文情況，考核參與管道施工安裝工作人員的技術(shù)能力，為后續(xù)工作提供可靠的數(shù)據(jù)參考。

（2）對(duì)鋪管船以及船上設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，保證在管道安裝過程中不出現(xiàn)故障。

（3）前期進(jìn)行海底管道鋪設(shè)試驗(yàn)，準(zhǔn)備相關(guān)的技術(shù)文件。

（4）預(yù)判施工過程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，以便進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避。

（5）編制施工安全計(jì)劃，按技術(shù)要求進(jìn)行施工操作，提高施工效率。

1.2 石油管道施工安裝工藝

石油管道施工安裝工藝流程如下：

步驟1：管道清潔，包括吹掃和清洗。首先用壓縮空氣吹掃管道，然后進(jìn)行管道酸洗，以便清除遺留在管道內(nèi)的污物 。

步驟2：石油管道上卷，將管道纏繞到卷管圓盤上，這是石油管道施工安裝工藝中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，直接關(guān)系著管道的彎曲程度，從而影響管道塑性變形。為此，石油管道上卷前，要對(duì)管道進(jìn)行預(yù)彎，即根據(jù)管道的屬性和圓盤大小，使管道事先有一定彎曲，然后再往滾筒上纏繞。

步驟3：管道圓盤運(yùn)輸及安裝。在石油管道上卷之后，管道加上圓盤的總重將達(dá)到上百噸，通常一般用吊管機(jī)、起重機(jī)等設(shè)備，將纏有管道的圓盤從陸地運(yùn)輸?shù)戒伖艽喜惭b。在安裝過程中，操作人員要嚴(yán)格按照安裝步驟和規(guī)范進(jìn)行操作，注意安全，防止事故發(fā)生。

步驟4：GPS定位。鋪管船帶著管道需要行駛到指定地點(diǎn)，才能進(jìn)行放盤。而這一過程，GPS定位發(fā)揮著重要作用。GPS定位原理：系根據(jù)已知衛(wèi)星位置與用戶接收機(jī)之間的距離，計(jì)算接收機(jī)的具體位置，具體包括如下步驟：（1）跟蹤、選擇衛(wèi)星，接收選定衛(wèi)星的信號(hào)；（2）解讀、解算出衛(wèi)星；（3）測(cè)量得到衛(wèi)星和用戶之間的相對(duì)位置；（4）解算得到用戶的最可信賴位置。

步驟5：管道放盤。即將圓盤上的管道有序地釋放出來(lái)，鋪設(shè)到海中。在這一過程中，需要用到張緊器設(shè)備，起到管道均勻收放，保證退卷穩(wěn)定、控住鋪設(shè)速度以及管道在水下的良好形態(tài)，避免與設(shè)計(jì)的鋪設(shè)位置出現(xiàn)偏差。

步驟6：正式鋪管。在正式鋪管時(shí)，要注意選在天氣狀況和水域狀況良好的環(huán)境中進(jìn)行。石油管道鋪裝具體過程如下：（1）根據(jù)GPS定位，鋪管船到達(dá)指定位置，并拋錨就位；（2）管道下放，管道通過張緊器傳輸?shù)酱系膶?dǎo)管架或懸挑結(jié)構(gòu)上，然后下放到海中。在這一過程中，管道因海底與鋪管船之間的距離差會(huì)產(chǎn)生很大一段彎曲，這部分彎曲必須保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，否則可能導(dǎo)致管道彎折或折斷；（3）根據(jù)預(yù)先設(shè)定的鋪設(shè)深度，計(jì)算好管道入海的角度；（4）控制好管道入海的速度和入海形態(tài)，降低管道所承載的應(yīng)力；（5）管道在繩索的引導(dǎo)下，伸向海底，與海底的吸力錨連接固定；（6）必須沿著設(shè)定好的鋪裝路線進(jìn)行管道安裝。

步驟7：質(zhì)檢。在石油管道施工安裝完成后，需要進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)管道是否存在漏洞、彎折等問題，保證管道的嚴(yán)密性。

2 基于卷管法的石油管道施工安裝仿真分析

本工程位于某沿海區(qū)域，管道材質(zhì)主要有Q235B螺旋縫焊接管、20#鋼無(wú)縫管、304不銹鋼無(wú)縫管。安裝計(jì)劃預(yù)計(jì)4月25日至8月10日完成所有管道安裝工作，7月25日開始至8月12日分段進(jìn)行管道施工安裝合理性試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估方法進(jìn)行，首先選取評(píng)估指標(biāo)，然后利用熵權(quán)法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重計(jì)算，最后構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行施工安裝合理性評(píng)估。評(píng)估測(cè)試工具為MATLAB，通過MATLAB建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用MATLAB工具箱中的TRAINBPX快速訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。

步驟1：選取指標(biāo)。施工工期、開挖費(fèi)用、設(shè)備損壞費(fèi)用、人工成本等是影響石油管道施工安裝合理性的主要因素，因此選取這四個(gè)因素作為指標(biāo)。

步驟2：計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。利用熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，如表3所示。

表3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

步驟3：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果，如表4所示。

表4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果

從表4可知，利用卷管法進(jìn)行石油管道系統(tǒng)模塊化施工安裝后，施工安裝技術(shù)合理性指數(shù)為0.1562，而利用拖管法、鋪管船法進(jìn)行石油管道系統(tǒng)模塊化施工安裝后，施工安裝技術(shù)合理性指數(shù)為0.1255和0.1356。從以上結(jié)果對(duì)比可知，本文介紹的卷管法施工安裝更為合理，可為石油開采提供重要幫助。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)目前的石油儲(chǔ)備已無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)需求，需要開發(fā)新的石油資源，海上石油是目前開采的主要目標(biāo)，但由于海上環(huán)境的復(fù)雜性，管道鋪設(shè)存在很多難點(diǎn)。為此，針對(duì)當(dāng)前使用的拖管法、鋪管船法等管道施工安裝工藝存在的問題，提出一種基于卷管法的石油管道系統(tǒng)模塊化施工方法。該方法解決了拖管法、鋪管船法海上施工困難問題，將大部分工作量轉(zhuǎn)移到岸上完成，降低了施工難度，節(jié)省了施工費(fèi)用，使施工更加合理。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 宋光春，李玉星，王武昌，等. 油氣混輸管道中天然氣水合物的形成和堵塞過程研究[J].石油與天然氣化工，2017，46(2)：38-43.

[2] 駱正山，袁宏偉. 基于誤差補(bǔ)償?shù)腉M-RBF海底管道腐蝕預(yù)測(cè)模型[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2018，28(3)：96-101.

[3] 謝英，麻秀芬，寧海峰，等. 海底懸跨管道形成及破壞機(jī)理[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2017，36(12)：1436-1442.

[4] 田水承，王亞妮，霍登財(cái). 基于博弈論的石油天然氣長(zhǎng)輸管道安全監(jiān)管研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2018，18(5)：1891-1895.

[5] 劉金國(guó). 燃?xì)夤艿老麓┘扔需F路施工方法[J].鐵道建筑，2018，58(6)：83-85.

[6] 謝永雄，林華，廖葵莉. 頂管法在污水廠管網(wǎng)施工中的應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2018，44(6)：22-26.

[7] 李英，李婧一，劉志龍. 基于有限元分析的卷管法管道安裝實(shí)時(shí)研究[J].海洋工程，2019，37(3)：35-41.

[8] 覃杰. 煤礦立井井筒大直徑瓦斯抽采管道安裝工程研究[J].煤炭技術(shù)，2019，38(4)：61-62.

[9] 劉金海，涂銳，張睿，等z. Helmert方差分量估計(jì)在GPS/GLONASS/BDS組合定位權(quán)比確定中的應(yīng)用[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2018，38(6)：568-570.

[10] 黃良沛，寇煜，常進(jìn)杰. 海洋絞車鋼絲繩纏繞過程動(dòng)力學(xué)分析[J].礦業(yè)工程研究，2019，34(2)：70-78.