浮體助浮措施在大直徑薄壁海域管道鋪設(shè)施工中的應(yīng)用

許耀金，俞立新，程加軍，夏俊橋

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海200032；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇連云港222042）

0 引言

隨著沿海地區(qū)工業(yè)的不斷發(fā)展，為了兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的要求，通過(guò)長(zhǎng)距離的海域污水排放管道進(jìn)行達(dá)標(biāo)尾水的集中處理和排放成為比較常見(jiàn)的工程措施，該方法能減少污水處理的成本，在不污染海洋的基礎(chǔ)上充分利用海洋自身的凈化功能。目前國(guó)內(nèi)相似工程的管道鋪設(shè)長(zhǎng)度基本在離岸10 km之內(nèi)，鋪設(shè)水深大多位于10 m以下，為滿足長(zhǎng)距離海域污水管道的鋪設(shè)要求，需要在深水區(qū)進(jìn)行海域管道鋪設(shè)施工。本項(xiàng)目通過(guò)在海域管道上部綁扎浮體，減小管道的下沉荷載，從而將管道鋪設(shè)過(guò)程中的曲率控制在允許范圍之內(nèi)，順利實(shí)現(xiàn)了深水區(qū)海域管道的鋪設(shè)施工[1-4]。

1 工程概況

徐圩新區(qū)達(dá)標(biāo)尾水排海工程的海域排放管道全長(zhǎng)22 678.5 m，放流段總長(zhǎng)度為22 378.5 m，另有300 m排放擴(kuò)散段，鋪管駁船施工21 258.5 m，鋪設(shè)水深范圍在2~18 m。管道采用DN1400鋼管，鋼管截面外徑D為1 420 mm，壁厚為18 mm，材質(zhì)為Q235B。采用鋪管船法進(jìn)行管道鋪設(shè)施工，在駁船上部加裝管道鋪設(shè)裝置，鋪設(shè)施工時(shí)通過(guò)向管道內(nèi)部注水的方式進(jìn)行，利用抱緊器控制管道下放的長(zhǎng)度，通過(guò)托管架控制管道下放的角度。

管道鋪設(shè)施工海域偏北向平均波高為0.9 m，實(shí)測(cè)漲潮流流速最大為2 m/s，平均潮差約為3.4 m。鋪管駁在深水區(qū)進(jìn)行管道鋪設(shè)施工時(shí)，波浪和水流作用對(duì)船舶穩(wěn)定性以及管道軸線形態(tài)影響較大，由于工程工期緊張，加上海上作業(yè)施工窗口期有限，需要確保管道鋪設(shè)施工的穩(wěn)定進(jìn)行。鋪管駁進(jìn)行管道鋪設(shè)施工時(shí)的布置見(jiàn)圖1。

圖1 海域管道鋪設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pipeline laying in sea area

2 方案計(jì)算

海域管道鋪設(shè)的過(guò)程中，管道一端置于海底，另一端與鋪管駁甲板上的托管架相連接。中間有一段較長(zhǎng)的懸跨段，懸跨段變形較大且受力復(fù)雜。懸跨段管道實(shí)際上是幾何非線性和彈塑性大變形結(jié)構(gòu)，而管道的懸跨長(zhǎng)度和著床點(diǎn)的受力情況是未知的。為了計(jì)算海域管道鋪設(shè)的極限水深，將該問(wèn)題進(jìn)行了適度簡(jiǎn)化，選取注氣拾管狀態(tài)對(duì)海域管道進(jìn)行計(jì)算分析，注氣拾管狀態(tài)管道受力情況如圖2所示。根據(jù)管道設(shè)計(jì)要求管道曲率半徑逸800 m，分析管道鋪設(shè)過(guò)程中的極限水深和應(yīng)采取的浮體助浮方案[5-8]。

圖2 注氣拾管狀態(tài)管道受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipeline stress in gas injection and pickup pipe status

2.1 管道鋪設(shè)極限水深計(jì)算

根據(jù)鋪設(shè)管道型號(hào)及注水情況，可得到鋼管重力為6.1 kN/m，空管段的管道浮力為15.9 kN/m，滿管段管道浮力為0.8 kN/m，通過(guò)分析可以得到圖2中的G水=5.3 kN/m，F(xiàn)浮=9.8 kN/m。當(dāng)鋼管注水端剛出水時(shí)（注氣拾管狀態(tài)），水下管道由滿管段L1和空管段L2組成，由于管道處于平衡狀態(tài)，故向下的合力等于向上的合力，所以滿管段的下沉均布荷載與滿管段長(zhǎng)度的乘積等于空管段向上的均布荷載與空管段長(zhǎng)度的乘積。單獨(dú)將滿管段的管段視為簡(jiǎn)支梁，一端位于海床處，一端位于空管段的右端，再將均布荷載方向近似視為與管道垂直，利用均布荷載下簡(jiǎn)支梁的彎矩計(jì)算公式，其最大彎矩位于跨中位置處。當(dāng)管道滿管段截面彎矩達(dá)到了控制曲率下的極限彎矩值5 114.2 kN·m時(shí)，此時(shí)L1的長(zhǎng)度計(jì)算得88 m。

根據(jù)管道平衡計(jì)算公式得到空管段長(zhǎng)度為47.6 m，對(duì)空管段跨中最大彎矩值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型與滿管段一致，也視為簡(jiǎn)支梁，得到空管段的跨中最大彎矩值為2 775.6 kN·m，小于控制控制曲率半徑下的極限彎矩5 114.2 kN·m。此時(shí)管道懸跨段總長(zhǎng)度L為135.6 m，將管道曲線按照?qǐng)A弧計(jì)算，此時(shí)懸跨段管道所對(duì)應(yīng)的圓弧角度為9.7毅，按照管道鋪設(shè)著床點(diǎn)與海床相切，計(jì)算此時(shí)的管道鋪設(shè)水深為11.5 m，所以管道在不加其他輔助措施情況下的極限鋪設(shè)水深為11.5 m。管道極限鋪設(shè)水深的計(jì)算過(guò)程如下：

式中：ρ為曲率半徑，根據(jù)管道設(shè)計(jì)要求，曲率半徑逸800 m；M為鋼管截面彎矩；E為鋼材彈性模量，Q235B鋼材取值為2.1伊1011Pa；Iz為鋼管截面慣性矩；y為管道截面彎曲應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)處的y坐標(biāo)，取值為=0.71 m；σ為管道截面計(jì)算點(diǎn)處的彎曲應(yīng)力。

2.2 管道鋪設(shè)浮體助浮方案計(jì)算

根據(jù)管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)布置浮體將水深大于極限的管道鋪設(shè)軸線曲率半徑都調(diào)整為800 m，根據(jù)鋪設(shè)水深計(jì)算得到不同鋪設(shè)水深下管道懸跨段長(zhǎng)度，以及滿管段長(zhǎng)度和不同鋪設(shè)水深下浮體綁扎的間距，每個(gè)浮體提供的浮力為2 kN，通過(guò)綁扎浮體調(diào)整之后的滿管段最大應(yīng)力值均為186.4 MPa，不同鋪設(shè)水深下的空管段最大應(yīng)力值均小于控制應(yīng)力。在實(shí)際施工過(guò)程中，為減少浮體安裝時(shí)間，將3個(gè)浮體合為1組進(jìn)行綁扎（圖3），并對(duì)綁扎距離進(jìn)行了相應(yīng)的換算。浮體調(diào)節(jié)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 海域管道浮體助浮鋪設(shè)施工Fig.3 Laying construction of pipeline floating body in sea area

表1 鋪設(shè)水深大于極限水深時(shí)浮體調(diào)節(jié)計(jì)算表Table 1 Adjustment calculation table of floating body when laying depth is greater than limit depth

3 浮球輔助措施實(shí)施效果

在使用浮球進(jìn)行深水區(qū)的海域管道鋪設(shè)過(guò)程中，通過(guò)定時(shí)觀察管道曲線狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)綁扎浮球之后的海域管道軸線形態(tài)基本滿足要求。由于采用繩索連接的方式綁扎浮體，在水流和波浪作用下，浮體無(wú)法處于穩(wěn)定狀態(tài)。施工時(shí)通過(guò)選擇海況較為平穩(wěn)的窗口期進(jìn)行管道鋪設(shè)，在波高>0.8 m時(shí)及時(shí)棄管，確保管道鋪設(shè)施工的穩(wěn)步進(jìn)行。

4 浮體安裝施工工藝

4.1 測(cè)量定位

通過(guò)鋪管駁船頭和船尾布置的2臺(tái)DGPS定位系統(tǒng)檢查鋪管駁的鋪設(shè)軸線。利用卷?yè)P(yáng)機(jī)將鋪管駁船頭左右2個(gè)錨按船舶定位系統(tǒng)布設(shè)到指定位置，再將船尾左右2個(gè)錨繼續(xù)按船舶定位系統(tǒng)布設(shè)到指定位置。布設(shè)完畢后根據(jù)定位系統(tǒng)將鋪管駁精準(zhǔn)調(diào)整到設(shè)計(jì)軸線上。

4.2 管節(jié)焊接

在第1節(jié)鋼管端部焊接封口板，并在封口板上焊接2個(gè)球閥短管作排氣排水用。通過(guò)鋪管駁上方的履帶式起重機(jī)吊運(yùn)管節(jié)至導(dǎo)向架上方，控制管節(jié)沿著導(dǎo)向架底部的被動(dòng)輥下滑至托管架上方，管節(jié)一端通過(guò)抱緊器固定，履帶吊吊運(yùn)下一節(jié)管節(jié)至導(dǎo)向架上方，下移至管道焊接平臺(tái)，和上一節(jié)管道在焊接平臺(tái)處完成對(duì)口，并在此處進(jìn)行管道的焊接和檢測(cè)。放下管托架，卷?yè)P(yáng)機(jī)緩慢把鋼管一端下滑至導(dǎo)向架外，壓緊管道抱緊器，焊接法蘭，進(jìn)行防腐處理，檢查球閥是否關(guān)閉。放松管道抱緊器卷?xiàng)顧C(jī)繼續(xù)緩慢把鋼管放下水，收緊管托架，繼續(xù)送管到管端拼焊位置，壓緊管道抱緊器依次開(kāi)始第3節(jié)、第4節(jié)鋼管拼焊。

4.3 浮體綁扎

管道焊接和檢測(cè)工作全部完成之后，開(kāi)始在管道上方綁扎浮體，通過(guò)尼龍繩索將浮體按照計(jì)算間距布置在管道上方，控制繩索長(zhǎng)度為管道內(nèi)部液面距離海面的高度，從而確保滿管段下沉荷載減小，而空管段管道上浮荷載基本不變。在管道頂部綁扎浮體完畢后，開(kāi)始管道下放。待到管道沉底之后，安排潛水員將繩索割斷，用運(yùn)輸船將浮體回收至鋪管駁的甲板上方，繼續(xù)進(jìn)行綁扎，直到管道鋪設(shè)完成。

5 浮體助浮措施的效益分析

通過(guò)駁船改造的簡(jiǎn)易鋪管駁進(jìn)行本工程的長(zhǎng)距離大直徑海域管道鋪設(shè)施工，只需在管道外部增加浮體，即能確保鋪管駁能夠在較深水域進(jìn)行正常作業(yè)。專用大型鋪管駁每天的船機(jī)費(fèi)用為45萬(wàn)元，采用駁船改造而成的簡(jiǎn)易鋪管駁每天的船機(jī)費(fèi)用僅為22萬(wàn)元，并且在管道上部綁扎浮體的施工工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，成本優(yōu)勢(shì)明顯。

6 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)浮體助浮措施在大直徑薄壁海域管道鋪設(shè)施工中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹，給出了管道鋪設(shè)極限水深的計(jì)算方法以及給定管道鋪設(shè)條件下的浮體助浮安裝方案。通過(guò)在管道上部綁扎浮體，有效地解決了深水區(qū)海域管道鋪設(shè)施工的問(wèn)題，并且浮體綁扎工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，降低了施工成本，提高了施工安全性。