近岸段海底管道底拖法鋪設(shè)研究

高 媛

中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊

1.引言

近三十年來，近岸底托法施工在國(guó)外已是比較成熟的施工方法，北海、墨西哥灣應(yīng)用較多，而國(guó)內(nèi)近岸底托施工法經(jīng)驗(yàn)較少，發(fā)展比較緩慢，因此研究近岸段海底管道底拖法鋪設(shè)研究非常有意義。

近岸段登陸海底管道的鋪設(shè)大都采用預(yù)挖管溝、拖拉鋪管的方法進(jìn)行。拖拉鋪管分為陸上拖管和海上拖管兩種類型[1]。目前使用的拖拉設(shè)備有許多種，不同的拖拉設(shè)備又有與之相配套的拖拉系統(tǒng)。作業(yè)中采用哪種方法鋪設(shè)登陸管道，選用何種類型的拖拉設(shè)備，要根據(jù)工程的具體情況及登陸點(diǎn)的環(huán)境條件而定[2]。

2.管道登陸方法的選擇

海底管道在近岸段登陸的拖拉鋪設(shè)方法可分為兩種：陸上拖管法和海上拖管法。

陸上拖管法最普遍使用的一種方法是接管拖管法，即鋪管船在滿足吃水的設(shè)計(jì)管軸線上就位，將陸地絞車把索具的一端送上鋪管船與管道拖頭相接，利用鋪管船上的作業(yè)線接管，陸地用絞車拖管，接一節(jié)拖一節(jié)，將管道逐漸拖向登陸點(diǎn)，如圖1所示。正常情況下，陸上拖管法使用大型絞車直接拖拉，但沒有大型絞車時(shí)，也可用較小的絞車穿接滑輪組拖管。例如，美國(guó)一家公司生產(chǎn)了一種叫做GRIPER 的液壓拖拉專用設(shè)備，它有兩部或四部液壓缸，缸的端部帶有鋼絲繩夾具，可連續(xù)拖拉，安全可靠，但是設(shè)備價(jià)格昂貴[3]。

Figure 1.Land Tubing 圖1.陸上拖管法

海上拖管法是鋪管船就位后先做一段正常鋪管，達(dá)到設(shè)計(jì)管段長(zhǎng)度后棄管，陸地絞車往岸邊拖管，鋪管船棄/拾絞車隨即放纜，當(dāng)管段末端即將到達(dá)原鋪管船初始位置時(shí)(一般預(yù)留一定長(zhǎng)度以便收管)停止拖拉，鋪管船向回移船，并收起管末端繼續(xù)接管，再棄管，再拖管，用此法完成管道的登陸鋪設(shè)，如圖2所示。海上拖管法有兩種。一種是陸地接管，海上鋪管船直接鋪管。這種方法須在路上修建一套接管作業(yè)線。由于設(shè)備價(jià)格昂貴，一般非專業(yè)公司不采用此方法；另一種是海上鋪管船自行接管和鋪管，利用陸地倒向滑輪將管道拖向陸地，如果采用此方法，鋪管船需要配備足夠拖管能力的絞車[4]。

Figure 2.Maritime Tubing 圖2.海上拖管法

如果海底管道在特殊的海岸登陸，則需要采用特殊的方法。例如管道要在山邊或懸崖處登陸，則需要安裝立管來完成。一般在登岸立管處打一保護(hù)樁，登岸立管就固定在此樁上，保護(hù)樁附近應(yīng)有牢固的護(hù)坡，以防因海浪沖刷使立管失穩(wěn)。海底管道與登岸立管的連接要比海底管道與平臺(tái)立管的連接容易，因?yàn)榭梢岳藐懮掀鹬卦O(shè)備，但海底管道與登岸立管的連接仍需在工程船上進(jìn)行，其程序與海底管道和平臺(tái)立管的連接相同[5][6]。

3.拖管力計(jì)算

拖管力的計(jì)算與—系列的設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，至少應(yīng)考慮如下因素：管道在空氣和水中的單位重量，管道上所加深筒的浮力，管道與預(yù)挖溝底土壤的摩擦系數(shù)，最終拖拉總長(zhǎng)度，拖拉索具與泥面的摩擦力、管道拖頭形式，拖管時(shí)可能出現(xiàn)的不可預(yù)見性因素及潮位等[7]。

拖管力由下述公式確定：

式中：F—拖管力，N；

FZ—海上—陸上鋪管船的張力，N；

Ni—每段管拖拉時(shí)對(duì)海底面的正壓力，N；

μ—管道于泥面的摩擦系數(shù)，取1.6～1.0；

k—不可預(yù)見性載荷因子，取1.25。

4.拖拉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管道拖拉系統(tǒng)是完成管道登陸的系統(tǒng)設(shè)施。主要包括三部分，即拖拉設(shè)備、拖拉鎖具和系統(tǒng)布置，如圖3所示。

1)拖拉設(shè)備

拖拉設(shè)備具有非常重要的選擇性，它不僅關(guān)系到拖拉技術(shù)的實(shí)施、作業(yè)的安全，而且關(guān)系到施工周期及整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)性[8]。例如，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，某海底管道登陸敷設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)了穿接滑輪組式拖管的總體方案，所用主要設(shè)備如下：1臺(tái)最大拖拉力為980 kN 的主拖拉絞車，分高低位兩個(gè)滾筒，滿載卷繩速度為2～2.9 m/min；2臺(tái)78 kN 輔助絞車；1臺(tái)49 kN 回拉絞車；動(dòng)、定滑輪組，安全負(fù)荷1300 kN；1臺(tái)8膠輪動(dòng)滑輪小車。

2)拖拉索具設(shè)計(jì)

拖拉索具是拖管的傳力繩索，在用大型絞車直接拖管時(shí)，該索具就是一根直接卷上絞車滾筒的鋼絲繩。若采用穿接滑輪組拖管，則拖拉索具分成若干段，由多節(jié)鋼絲繩和連接卡環(huán)組成索具串，這種索具主要根據(jù)拖管各階段(或工況)的拖拉力來設(shè)計(jì)[9]。

3)拖拉系統(tǒng)布置

拖拉系統(tǒng)的布置由拖管方法所決定，直接拖拉法的系統(tǒng)布置比較筒單，而使用滑輪組拖管時(shí)，拖拉系統(tǒng)就復(fù)雜得多，如圖3所示。在拖管開始時(shí)，動(dòng)滑輪處于遠(yuǎn)端位置，隨著管道的拖拉，動(dòng)滑輪越來越接近定滑輪。當(dāng)動(dòng)滑輪到達(dá)拖拉終點(diǎn)時(shí)，將主絞車的拖管力轉(zhuǎn)移到輔助絞車上去，解掉一節(jié)鋼絲繩，再用回接絞車將動(dòng)滑輪拉回原位，掛上主拖拉索具繼續(xù)拖管[10]。

Figure 3.Towing system and pulley block layout 圖3.拖拉系統(tǒng)及滑輪組布置

5.管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括登陸管道拖頭、管道上浮筒的布置、浮筒的綁扎及解脫等內(nèi)容。

管道拖頭的設(shè)計(jì)形式根據(jù)拖管的方法(浮拖法、水中拖法、底拖法)而確定[11]。由于登陸管道受岸邊波浪力及潮流力的影響較大，一般都是采用底拖法，即管道一直沿預(yù)挖溝的溝底行走。在管道鋪設(shè)中，由于挖掘的內(nèi)底不可能是光滑平整的，拖管可能會(huì)出現(xiàn)管道彎曲、別勁或拖頭帶泥的現(xiàn)象。為防止此類問題出現(xiàn)，可將拖頭的下部做成雪橇形滑靴，此外還可以在拖頭上增設(shè)浮筒，以減少拖管阻力。

海底管道一般都設(shè)有鋼筋混凝土防腐蝕配重層，盡管在鋪設(shè)過程中已在管子上加了軸向張力，但管道從鋪管船上下水時(shí)往往保證不了設(shè)計(jì)曲率半徑和應(yīng)力要求；另外管道重量大，與海底泥面的摩擦力就大。為解決這些問題，需在管道上布設(shè)張力浮筒。布設(shè)浮筒的原則是：均勻布置，控制管道下水曲率和應(yīng)力，使管拖頭離開泥面，防止拖頭啃泥、造成附加抱管阻力。所需浮桶的數(shù)量由下式計(jì)算：

式中：n—拖運(yùn)管段所需綁扎的浮桶數(shù)量；

F—每米拖運(yùn)管段在海水中的負(fù)浮力，kN/m；

L—拖運(yùn)管段的長(zhǎng)度，m；

P—拖運(yùn)管段在海中所需的浮力，kN；

F1—單個(gè)浮桶的有效浮力，kN；

采用底拖法，浮桶的布置要做如下考慮：為防止拖運(yùn)管段首端扎地，在離首端30～40 m 的范圍內(nèi)適當(dāng)增加浮桶數(shù)量，控制首端的負(fù)浮力為100～200 N/m；為防止拖運(yùn)管段擺尾，在離尾端60 m 左右的范圍內(nèi)少設(shè)置浮桶，控制尾端的負(fù)浮力為中部的5～6倍；中部浮桶均勻布置。

浮筒的綁扎設(shè)計(jì)根據(jù)綁扎方便、使用可靠、解脫容易的原則進(jìn)行確定。用于系管的浮筒一般有兩種，即專用浮筒和普通加厚汽油桶。專用浮筒帶有法蘭卡子，可在管道下水之前用吊車吊起直接卡在管道上，鋪管作業(yè)完成后由潛水員在水下卸開卡子，浮筒自行浮起，由作業(yè)船回收。普通厚壁汽油筒的筒體無任何連接物，在綁扎時(shí)要做特殊處理.綁扎方法如下：先將兩塊木板條分上下各一塊用鋼片打包帶綁扎在浮筒上；再按設(shè)計(jì)位置將綁有木條的浮筒綁扎在管道上；最后，綁扎時(shí)讓其中一根木條與管道接觸，利用木條的彈性增大管道與浮筒的摩擦力，減小其旋轉(zhuǎn)或脫落的可能性[12]。

在綁扎浮筒的同時(shí)，應(yīng)該用一根繩子把本節(jié)管道上的浮筒串在一起，并在綁扎浮筒與管道的打包帶下設(shè)一根浮筒解脫鋼絲?；厥諘r(shí)，用工作艇拖拉解脫鋼絲，將綁扎鋼帶逐個(gè)切斷，浮筒即成串浮出海面，以便及時(shí)回收，潮差段的浮筒可利用低潮位由人工解脫回收[13]。

6.拖拉索具的連接及布設(shè)方法

鋪管船在滿足吃水的設(shè)計(jì)管道軸線上就位(離岸800 m)，將陸地絞車拖拉鎖具的一端送上鋪管船與管道拖拉頭相接。拖拉索具是由多段鋼絲繩用卡環(huán)連接而成的，為了減小索具與地面的拖拉摩擦力，可在卡環(huán)及鋼絲繩段的適當(dāng)位置上加水下張力浮筒，以減小索具的水中重量，但是索具應(yīng)始終保持足夠的負(fù)浮力，不至因海流力和波浪力作用而偏離管軸線，如圖4所示。

當(dāng)鋪管船在近岸段預(yù)挖內(nèi)設(shè)計(jì)管軸上就位后，就開始做索具的布設(shè)工作。索具布設(shè)可采用浮拖法和底拖法兩種。浮拖法將索具浮在水面用拖船拖送，這種方法受自然環(huán)境影響較大。底拖法將索具沿預(yù)挖溝底拖拉布設(shè)，這樣土壤的束縛作用可減小索具鋪偏的可能性[14]。在布設(shè)時(shí)采取如下步驟：用拖船將一根細(xì)鋼絲引繩送至海上鋪管船，固定預(yù)拉，防止引繩彎曲或偏離軸線；潛水員對(duì)引繩入管溝情況進(jìn)行檢查；將引繩與鋪管船的絞車鋼纜連接，并牽引到陸地端，為防止預(yù)挖溝不平，可將引繩和絞車鋼纜間串接一個(gè)通溝機(jī)，來回拖拉通溝；將拖拉索具在陸地端擺開，將鋪管船上的絞車鋼纜與首節(jié)索具相接并拖拉，直至索具首端絞上鋪管船；將索具與作業(yè)線上的管道拖頭連接，剎死張緊器，對(duì)拖拉索具進(jìn)行預(yù)拉，準(zhǔn)備鋪管作業(yè)。

Figure 4.Land tubing 圖4.陸上拖管法

7.管道拖拉鋪設(shè)作業(yè)

管道拖拉鋪設(shè)作業(yè)是近岸段管道施工的中心工作，也是最關(guān)鍵的一步，拖管時(shí)必須有海陸統(tǒng)一的指揮系統(tǒng)和良好的通訊設(shè)施[15]。

拖管指揮系統(tǒng)由拖管總指揮(陸地端)、鋪管船中控室指揮、陸地絞車指揮、拖管工程師組成。拖管前應(yīng)規(guī)定口令，明確崗位職責(zé)，規(guī)定指揮通訊頻道。

當(dāng)海上鋪管船接管完畢，中控室指揮報(bào)告可以走管，各崗都已報(bào)告準(zhǔn)備完畢時(shí)，總指揮下達(dá)開始拖管的命令。主絞車慢慢啟動(dòng)，并逐漸加速，待本節(jié)管道即將拖完時(shí)逐漸減速。當(dāng)鋪管船中控室指揮報(bào)告管端到位(到對(duì)中站)時(shí)，停止拖管，等待下一節(jié)管道的拖拉，拖管速度一般控制在1.5～2.5 m/min。

在拖管過程中，拖管工程師要隨時(shí)監(jiān)視拉力顯示器，若拖管力超過了本階段設(shè)計(jì)拖管力，應(yīng)停止拖管。整個(gè)拖管過程要做詳細(xì)記錄，該記錄至少應(yīng)包括拖管節(jié)數(shù)、施管力、拖管開始和結(jié)束時(shí)間、鋪管船上張緊器時(shí)的設(shè)定張力等。

當(dāng)動(dòng)滑輪小車走完有效行程時(shí)，就將拖管力轉(zhuǎn)移結(jié)兩臺(tái)輔助絞車；放松主絞車，用回拉絞車慢慢回拉動(dòng)滑輪小車，待第一節(jié)索具放松后將其解掉，回拉動(dòng)滑輪小車到初始位置，掛上第二節(jié)索具；主絞車慢慢收緊、將輔助絞車上的拖管力再轉(zhuǎn)移給主絞車，繼續(xù)拖管作業(yè)。當(dāng)管道鋪到一定長(zhǎng)度，管道與地面的摩擦力遠(yuǎn)大于鋪管船上的預(yù)張力時(shí)，可不使用輔助絞車，直接放松主絞車，做索具段的解接工作。

8.結(jié)論

海底管道底托法登陸是一門綜合性工程技術(shù)，在選擇鋪管方案時(shí)，應(yīng)仔細(xì)弄清與鋪管有關(guān)的各種設(shè)計(jì)參數(shù)和具體的施工要求。要針對(duì)五種施工方法的適用范圍，選取技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可行的施工方法。海底管道的登陸鋪設(shè)大都采用拖拉法，盡管拖拉法有許多種，但都需要大型絞車或?qū)Ｓ猛侠O(shè)備。利用現(xiàn)有條件，本文設(shè)計(jì)了一套“絞車穿接滑輪組+ 拖纜分段+ 整體串接”的接管拖管法。經(jīng)過總結(jié)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用拖拉法鋪設(shè)登陸管道應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

1)在拖送拖拉索具時(shí)，拖船的拖力應(yīng)是引繩總摩擦力的5倍以上。

2)拖管前要對(duì)預(yù)挖溝底進(jìn)行平整，并在管道拖頭上增設(shè)浮體，使拖頭離開泥面。

3)若采用分段拖拉索具，最好使用交互捻鋼絲繩，或?qū)⒆笥夜赡礓摻z繩分段配置使用。

4) 動(dòng)、定滑輪組要分別在小車上和支架上固定，防止受力后旋轉(zhuǎn)傾翻或擰攪，確保拖管作業(yè)順利進(jìn)行。