大直徑深海管道浮體助浮鋪設(shè)管道變形數(shù)值計(jì)算分析

陳 錕

（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

以往石化工業(yè)園區(qū)產(chǎn)生的廢水都是直接排放至內(nèi)河和近岸海域中，導(dǎo)致河流和近岸水域污染嚴(yán)重，對(duì)水體造成了巨大的破壞，直接影響了人們的生活和近岸的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)。為了兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)，降低污水處理的高昂經(jīng)濟(jì)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，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)尾水的順利排放，采用長(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。

徐圩新區(qū)達(dá)標(biāo)尾水排海工程設(shè)計(jì)規(guī)模為：近期排放量8.57萬(wàn)m3/d，遠(yuǎn)期排放量11.83萬(wàn)m3/d。項(xiàng)目海域工程范圍以入海點(diǎn)為界，管道走向?yàn)橄虮贝┰綖I海大道，沿平行防波堤鋪設(shè)，在防波堤?hào)|邊坡腳外邊沿250 m左右。然后在東防波堤北端折轉(zhuǎn)，鋪向排放口，海域段排放管全長(zhǎng)22 279 m，最大鋪設(shè)水深約18 m。

海域管道工程平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 海域管道工程平面布置圖

以往海域管道鋪設(shè)的施工水域水深較淺，只能在水深14 m以內(nèi)的水域進(jìn)行施工，無(wú)法滿足長(zhǎng)距離海域污水管道的鋪設(shè)要求。為解決較深水域的污水管道的鋪設(shè)問(wèn)題，將管道鋪設(shè)過(guò)程中的管道彎曲曲率控制在允許范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)14 m水深以上海域的管道鋪設(shè)施工的順利進(jìn)行，需探索深水條件下管道鋪設(shè)施工方法，并對(duì)施工過(guò)程中的管道形態(tài)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)。

1 海上建設(shè)條件

1.1 潮位

徐圩港區(qū)尚無(wú)長(zhǎng)期潮位觀測(cè)資料，根據(jù)2005年9月和2006年1月水文測(cè)驗(yàn)期間小丁港臨時(shí)潮位觀測(cè)資料，與連云港長(zhǎng)期潮位站同步潮位資料建立相關(guān)，推算獲得徐圩港區(qū)設(shè)計(jì)水位如下（85國(guó)家基準(zhǔn)）：50 a一遇高潮位為3.66 m（設(shè)計(jì)高水位），50 a一遇低潮位為-3.58 m，平均高潮位為1.94m，平均低潮位為-1.72 m（設(shè)計(jì)低水位）。

1.2 波浪

海區(qū)累年平均波高為0.5 m，各月平均波高為0.4～0.6 m。其中，秋冬季波高略大于春夏季。各向平均波高以偏北向?yàn)樽畲?，其中NNW、N、NNE向平均波高均為0.9 m。海區(qū)累年平均周期為3.1 s，各月平均周期介于2.7～3.1 s之間。累年各向平均周期以NNE向?yàn)樽畲?，達(dá)4.3 s；NE向次之，為4.1 s。

1.3 海底地形

連云港地區(qū)沿岸屬于廢黃河水下三角洲北緣的一部分，歷史上受黃河奪淮入海期泥沙擴(kuò)散淤積的影響，沿岸底部普遍沉積了厚度不等的粉砂－黏土質(zhì)淤泥沉積層，岸灘呈現(xiàn)淤泥質(zhì)海岸特點(diǎn)。海床呈沖淤平衡、略有沖刷的態(tài)勢(shì)。

本項(xiàng)目海底路由位于連云港徐圩新區(qū)東側(cè)近岸，東西連島與灌河口之間海域，原始地貌為淺海平原，總體上呈西南高東北低的趨勢(shì)。路由及其附近海域，由岸向海方向，水深逐漸增加，坡度平緩，水深范圍0～18 m，等深線走向與岸線相近。

2 管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 管材選擇

在尾水排海工程中，管道工程投資在工程總投資中占有很大的比重，尾水排海管道屬于城市地下永久性隱蔽工程設(shè)施，要求具有很高的安全性和可靠性。因此，合理選擇管材是非常重要的。排海管道必須具有足夠的強(qiáng)度，以承受外部的荷載和內(nèi)部的水壓。同時(shí)必須具有抵抗污水中雜質(zhì)的沖涮和磨損的作用，也應(yīng)有耐腐蝕性。內(nèi)壁應(yīng)整齊光滑，粗糙系數(shù)小，使水流的阻力盡量減小。

管材的選擇取決于施工方法、管道埋深、管道內(nèi)壓、工程造價(jià)等因素。國(guó)內(nèi)外排海工程海底放流管中，使用的管材有鋼管、鋼筋混凝土管、玻璃鋼管和HDPE管等。PE管、HDPE管有防酸耐腐蝕、內(nèi)壁光滑糙率小等特點(diǎn)，但重量比較輕，海上鋪設(shè)管道須加混凝土配重塊間隔布置，對(duì)鋪管施工造成較大不便。鋼管具有強(qiáng)度大、剛度大、各向力學(xué)性能均勻、力學(xué)性能比較明確等特點(diǎn)。接頭可采用焊接，工藝成熟可靠，管道延性好，可容許的懸空距離長(zhǎng)，一般海底地質(zhì)沉降對(duì)管道幾乎沒(méi)有影響。

從降低海上埋管施工風(fēng)險(xiǎn)和控制施工工期的角度考慮，選擇鋼管作為海上埋管的管材。

2.2 管徑確定

本排海工程水量變化較大，近期規(guī)模為8.57萬(wàn)m3/d，遠(yuǎn)期規(guī)模為11.83萬(wàn)m3/d，總排水流量按11.83萬(wàn)m3/d考慮。管道直徑的選擇應(yīng)既要保證管道流速不可過(guò)低，又要保證管道沿程損失適中，水泵揚(yáng)程合理。同時(shí)，還要考慮施工方法和工程投資。根據(jù)《污水排海管道工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 19570—2017），“管道內(nèi)最小流速不小于0.6 m/s，一般可取0.8～1.0 m/s”。根據(jù)水力計(jì)算和多方案比選，采用單根管道，管徑DN1 400方案。

2.3 管壁厚度

管壁厚度根據(jù)管徑大小、設(shè)計(jì)條件下的受力特點(diǎn)、管道防腐和經(jīng)濟(jì)性等因素綜合確定為18 mm。

3 管道施工方法

鋪管船法是海底管道最常用的安裝方式。特別是在遠(yuǎn)離海岸的海洋中敷設(shè)管道，鋪管船法鋪管幾乎是唯一的選擇。在水深較大的海域采用普通Q235B鋼管進(jìn)行“S”型鋪設(shè)法管道敷設(shè)，管道張力較大，需要嚴(yán)格控制其水中形態(tài)。

本工程管道鋪設(shè)作業(yè)水深大于14 m時(shí)的管道鋪設(shè)長(zhǎng)度為2 800 m，施工水深范圍在14～18 m，鋪設(shè)管道型號(hào)為DN1 400，外徑為1 420 mm，壁厚為18 mm，鋼管材質(zhì)為Q235B鋼板卷制而成。采用浮體助浮的方式進(jìn)行施工，通過(guò)在海域管道上部綁扎浮體來(lái)調(diào)節(jié)管道注水段的下沉荷載，將管道鋪設(shè)過(guò)程中的曲率控制在允許范圍之內(nèi)。

首先將管節(jié)運(yùn)輸至陸地碼頭，進(jìn)行管節(jié)的拼裝，將兩節(jié)出廠的管節(jié)焊接拼裝成一節(jié)。其次將焊接拼裝并檢測(cè)完畢的管節(jié)吊運(yùn)至管節(jié)倒運(yùn)駁船上。通過(guò)倒運(yùn)駁船將管節(jié)運(yùn)輸至管道鋪設(shè)船上，儲(chǔ)運(yùn)堆放。具體見(jiàn)圖2。

圖2 海域管倒運(yùn)平面施工圖

管道鋪設(shè)施工前，通過(guò)DGPS檢查管道鋪設(shè)船的鋪設(shè)軸線。將管道鋪設(shè)船船頭船尾左右四個(gè)錨布設(shè)到指定位置，將管道鋪設(shè)船精準(zhǔn)調(diào)整到設(shè)計(jì)軸線上。在第一節(jié)鋼管端部焊接封口板，并在封口板上焊接兩個(gè)球閥短管作排氣、排水用。通過(guò)履帶式起重機(jī)吊運(yùn)管節(jié)至導(dǎo)向架上方，在焊接平臺(tái)處完成管道的焊接和檢測(cè)。管道焊接并檢測(cè)完畢之后，把鋼管一端下滑至導(dǎo)向架外，壓緊夾管器，焊接法蘭，防腐，檢查球閥是否關(guān)閉，放松夾管器卷?xiàng)顧C(jī)繼續(xù)緩慢把鋼管放下水，在管道上方綁扎浮體（見(jiàn)圖3）。

圖3 管道鋪設(shè)船布錨位置及布錨圖

松開(kāi)抱緊器，控制錨機(jī)，通過(guò)收纜拖動(dòng)管道鋪設(shè)船向后移動(dòng)，向管道內(nèi)部灌水，進(jìn)水量采用流量計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量。在管道沉放過(guò)程中，控制管道移動(dòng)的速度和注水的速度一致。同時(shí)對(duì)托管架前端的受力情況進(jìn)行觀測(cè)，校核注水與沉管速度的同步性，觀察安裝在管道上的測(cè)量浮標(biāo)的水下深度校驗(yàn)管道在水下的形態(tài)。管道下滑至海底之后，安排潛水員割除管道上綁扎的浮體（見(jiàn)圖4），通過(guò)運(yùn)輸船回收利用。

圖4 浮體助浮管道鋪設(shè)施工示意圖

管道鋪設(shè)施工過(guò)程中遇到臺(tái)風(fēng)或者暴風(fēng)雨等惡劣天氣預(yù)報(bào)時(shí)，為避免惡劣天氣導(dǎo)致施工船只和已經(jīng)完成鋪設(shè)的管道造成破壞，需要及時(shí)停止管道的焊接作業(yè)，使用封頭堵板將管道封住。同時(shí)松開(kāi)管道抱緊器，將管道緩慢下放至海中。使用水泵向管道內(nèi)部注水下放至海底，標(biāo)記棄管位置。繼續(xù)進(jìn)行管道鋪設(shè)施工時(shí)，使用起重船將管頭吊起。同時(shí)打開(kāi)管道另一端的出水閥門(mén)向管道內(nèi)部充入高壓氣體，將管道內(nèi)部的海水從另一端的閥門(mén)排出，使管道浮起，并將管道拖至抱緊器繼續(xù)進(jìn)行焊接和管道鋪設(shè)作業(yè)。

為保證鋪設(shè)完畢管道的質(zhì)量符合要求，在管道鋪設(shè)完畢覆土之前需要進(jìn)行管道水壓試驗(yàn)。在管道注水端焊接封頭堵板，將管道脫離托管架，使管道轉(zhuǎn)變?yōu)闂壒軤顟B(tài)，進(jìn)行灌水和排氣，以無(wú)變形、無(wú)滲漏、不降壓為合格。

已經(jīng)鋪設(shè)完畢的管道，經(jīng)過(guò)試壓檢測(cè)合格之后，采用多功能水力沖溝機(jī)進(jìn)行溝槽沖溝開(kāi)挖埋設(shè)，在鋪設(shè)完畢的管道下放沖出溝槽，利用管道自身重力將管道埋設(shè)至溝槽之中。然后回填溝槽，將管道埋設(shè)至設(shè)計(jì)深度。最后回填海砂碎石，保護(hù)海域管道。

深海管道敷設(shè)過(guò)程中，管道一端置于海底，另一端與鋪管船甲板上的導(dǎo)管架和托管架相連接。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，管道可能發(fā)生彎曲。懸跨段管道為幾何非線性和彈塑性大變形結(jié)構(gòu)，而管道的懸跨長(zhǎng)度和著地點(diǎn)的受力情況未知，分析難度較大。本文采用有限元方法建立管道和水域模型，研究管道敷設(shè)過(guò)程中懸跨段在重力、浮力、水流力等作用下的變形特征。同時(shí)，根據(jù)曲率半徑不小于800 m的管道設(shè)計(jì)要求，分析管道敷設(shè)過(guò)程中應(yīng)采取的必要措施。

4 數(shù)值模型

4.1 水動(dòng)力基本方程

有限元計(jì)算中，假設(shè)流體是不可壓縮的，能夠傳遞能量和浮力。與ALE變形網(wǎng)格一起使用，可以進(jìn)行流固耦合分析。其流體的控制方程為：

對(duì)于穩(wěn)態(tài)水流而言，動(dòng)量守恒方程的積分形式變成：

式中：V為具有表面積S的任意控制流體；n為S的外法向；ρ為流體密度；v為速度矢量；vm為移動(dòng)網(wǎng)格的速度；f為體積力，本文主要為重力g；τ為黏性切應(yīng)力。

上述不可壓縮流體方程，被稱(chēng)為納維-斯托克斯方程。在工程應(yīng)用的復(fù)雜幾何邊界上求其解答，必須采用一些特定的算法才能實(shí)現(xiàn)。因本文計(jì)算為圍堰結(jié)構(gòu)和水流的相互作用問(wèn)題，圍堰在外力作用下發(fā)生變形，對(duì)于任意一個(gè)變形區(qū)域，使用先進(jìn)的二階投影形式。然后基于固定網(wǎng)格的SIMPLE算法，采用壓力的一個(gè)節(jié)點(diǎn)為中心的有限元離散和所有其他傳輸變量的體積中心的有限體積離散。當(dāng)保持與傳統(tǒng)有限體積法相關(guān)聯(lián)的局部保守屬性時(shí)，此種混合法可保證解的精確性。

4.2 有限元模型

本文建立有限元模型分析不同水深管道懸空段的變形情況，應(yīng)根據(jù)本項(xiàng)目管道深海敷設(shè)的水深變化，分別建立不同尺寸的流體域和管道模型，設(shè)計(jì)了12 m、14 m、15 m、16 m、17 m、18 m、19 m共7個(gè)水深工況。不同水深管道水下懸空段長(zhǎng)度分別為132 m、154 m、165 m、176 m、187 m、198 m和209 m，同時(shí)考慮20.1 m長(zhǎng)托管架上的管道。根據(jù)裝管后敷管船船頭吃水深度為2.6 m，按照導(dǎo)管架傾斜角度考慮，托管架通常約有1.73 m長(zhǎng)在水面以下。有限元模型中按托管架均在水面以上考慮，其計(jì)算結(jié)果偏于安全。

水域模型尺寸考慮管道長(zhǎng)度和水流波長(zhǎng)等因素，垂直于管道軸線方向取10個(gè)波長(zhǎng)（本文取60 m），管道軸線方向考慮管道懸空段和托管架長(zhǎng)度，深度方向按計(jì)算水深考慮。管道初始狀態(tài)按照導(dǎo)管架的傾斜度插入水中，見(jiàn)圖5。

圖5 有限元計(jì)算模型

（1）單元尺寸

管道采用8節(jié)點(diǎn)修正二次六面體拉格朗日單元（C3D8R），水采用8節(jié)點(diǎn)流體單元（FC3D8）。管道壁厚方向設(shè)一個(gè)單元，即單元尺寸為18 mm，管道軸線方向尺寸0.5 m。水單元尺寸與管道軸線方向單元尺寸一致。

（2）參數(shù)的選取

計(jì)算中需考慮流體（海水）與管道的相互作用。有限元計(jì)算中根據(jù)能量傳遞的方式進(jìn)行。海水材料參數(shù)應(yīng)包括與溫度相關(guān)的參數(shù)，本文所取參數(shù)按氣溫20℃時(shí)考慮。具體參數(shù)選取見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)選取

（3）荷載與邊界條件

管道的重力通過(guò)施加重力荷載實(shí)現(xiàn)，采用平滑分析步施加，加載時(shí)間取10 s。水流浮力和水流波浪力由水體運(yùn)動(dòng)與管道的相互作用施加。后續(xù)施加的浮漂力按集中荷載施加。

管道按簡(jiǎn)支邊界考慮，即觸入海底處為三方向位移約束，20.1 m長(zhǎng)托管架處按豎向位移為零的邊界處理。托管架頂端除了約束管道豎向位移外，與管道軸線垂直的水平方向位移亦約束，管道邊界條件見(jiàn)圖6。

圖6 管道邊界條件

在水體的側(cè)面施加速度邊界條件，速度方向與管道軸線垂直。邊界流速按Stokes五階波理論計(jì)算，水域邊界按自由流入邊界考慮。以下計(jì)算水流流速取2 m/s考慮，平均波高取0.5 m，平均周期取3.1 s。

5 管道變形分析

敷管過(guò)程中，管道受到導(dǎo)管架、托管架和海底的約束作用。同時(shí)受到重力、水流浮力等的作用。管道在施工過(guò)程中，為將管道沉入海底，需在管道內(nèi)注水。為防止重力作用下，懸空管道的屈曲變形過(guò)大，會(huì)在管道出水端留出空管段?？展芏蔚拈L(zhǎng)度需根據(jù)管道屈曲變形的要求（按設(shè)計(jì)控制曲率半徑為800 m考慮，根據(jù)彈性力學(xué)計(jì)算，管道最大控制應(yīng)力為188 MPa）確定。本文根據(jù)不同水深，經(jīng)過(guò)大量試算，得出不同水深下管道的變形和浮漂安裝方案，保障管道能夠安全、順利敷設(shè)。

管道鋪設(shè)有限元計(jì)算部分結(jié)果如下所示：

（1）管道敷設(shè)水深為12 m時(shí)，管道總長(zhǎng)度為142 m，水下空管段長(zhǎng)度為45 m，滿管段長(zhǎng)度為87 m。管道最大豎向變形43 cm，最大上浮量為17 cm；管道最大應(yīng)力為156 MPa≤188 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求（見(jiàn)圖7、圖8）。

圖7 12 m水深管道豎向變形

圖8 12 m水深管道最大應(yīng)力圖

（2）管道敷設(shè)水深為14 m時(shí)，管道長(zhǎng)總長(zhǎng)度為174 m，水下空管段長(zhǎng)度為64 m，滿管段長(zhǎng)度為90 m。管道最大豎向變形17 cm，最大上浮量為99 cm，管道最大應(yīng)力為183 MPa≤188 MPa（見(jiàn)圖9、圖10），滿足設(shè)計(jì)要求，但是管道應(yīng)力已接近極限狀態(tài)，且管道上浮量較大。因此，施工到14 m水深的海域，應(yīng)密切監(jiān)測(cè)管道變形及應(yīng)力，且空管段不應(yīng)超過(guò)64 m。

圖9 14 m水深管道豎向變形

圖10 14 m水深管道最大應(yīng)力圖

（3）管道敷設(shè)水深為15 m時(shí)，管道總長(zhǎng)度為185 m，水下空管段長(zhǎng)度為55 m，滿管段長(zhǎng)度為110 m。管道最大豎向下沉量134 cm，最大上浮量為21 cm，管道最大應(yīng)力為268 MPa≥188 MPa（見(jiàn)圖11、圖12），超過(guò)最大控制應(yīng)力，管道豎向變形過(guò)大，已經(jīng)不滿足安全施工要求。因此，應(yīng)在滿管段加適當(dāng)數(shù)量的浮漂，增加滿管段上浮力，以便調(diào)整管道姿態(tài)和應(yīng)力。

圖11 15 m水深管道豎向變形

圖12 15 m水深管道最大應(yīng)力

經(jīng)試算，滿管段長(zhǎng)度為110 m，每米加1個(gè)浮漂（每個(gè)浮漂力按200 kg計(jì)），滿管段管道最大豎向下沉量21 cm，最大上浮量為83 cm，管道最大應(yīng)力為178 MPa≤188 MPa（見(jiàn)圖13、圖14），滿足設(shè)計(jì)要求。

圖13 15 m水深加浮漂管道豎向變形

圖14 15 m水深加浮漂管道最大應(yīng)力

通過(guò)不同工況下管道變形和應(yīng)力的計(jì)算分析，對(duì)不滿足設(shè)計(jì)要求的工況，經(jīng)過(guò)試算給出了滿管段安裝浮漂的方案，使管道變形與應(yīng)力控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，確保管道能夠安全、順利敷設(shè)。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，不同水深條件下，管道空管段、滿管段和浮漂安裝方案見(jiàn)表2。

表2 管道浮體綁扎方案

6 結(jié)論

徐圩新區(qū)達(dá)標(biāo)尾水排海工程海域工程范圍以入海點(diǎn)為界，海域段排放管全長(zhǎng)22 279 m，管道敷設(shè)最大水深達(dá)到18 m，水深大于14 m的管道鋪設(shè)長(zhǎng)度為2 800 m，管道鋪設(shè)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制管道彎曲曲率在允許范圍之內(nèi)，施工難度非常大。本文介紹了能夠適應(yīng)水深較大工況的深海鋪管施工方法，并對(duì)施工工藝參數(shù)進(jìn)行了定量的計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：

（1）為適應(yīng)水深較大工況，深海鋪管施工可采用鋪管船施工，通過(guò)控制管道注水段長(zhǎng)度調(diào)節(jié)下沉荷載，通過(guò)在管道上部綁扎浮體助浮，控制管道在水中的姿態(tài)，將管道鋪設(shè)過(guò)程中的曲率控制在允許范圍之內(nèi)。

（2）通過(guò)數(shù)值計(jì)算，在水深14 m以內(nèi)水域施工，僅通過(guò)控制管道注水段長(zhǎng)度，可控制施工過(guò)程中管道變形與應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（3）通過(guò)數(shù)值計(jì)算，管道鋪設(shè)施工水深超過(guò)14 m時(shí)，在不加浮體輔助裝置的情況下會(huì)導(dǎo)致管道的變形曲線超過(guò)允許的限度，應(yīng)增加浮體裝置減小管道滿水段的下沉荷載。為控制施工過(guò)程中管道變形與應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，水深15 m工況下，滿水段安裝浮體1個(gè)/m；水深16～17 m工況下，滿水段安裝浮體1.5個(gè)/m；水深18～19 m工況下，滿水段安裝浮體2個(gè)/m。

在管道下水之前將浮體按照計(jì)算好的間距通過(guò)繩索布置在管道頂部。繩索長(zhǎng)度應(yīng)該與管道空管段的水位深度保持一致，在管道下放過(guò)程中不斷在管道頂部綁扎浮體。管道下沉至海底之后，安排潛水員割除管道上綁扎的浮體，通過(guò)運(yùn)輸船回收利用。