登陸海底管道設(shè)計技術(shù)

夏日長，鄧合霞，李慶，潘悅?cè)?，倪自?qiáng)

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

海底管道作為海洋石油的輸送大動脈，發(fā)揮著尤為重要的作用，登陸管道作為海底管道的重要組成部分，具有設(shè)計影響因素多、施工復(fù)雜等特點。本文詳細(xì)介紹了登陸海底管道設(shè)計技術(shù)，從路由設(shè)計技術(shù)和近岸段設(shè)計技術(shù)兩個方面重點闡述，近岸段設(shè)計技術(shù)包含挖溝穩(wěn)定性、土壤液化、工程回填和海底管道拖拉四個部分。

1 登陸海底管道路由設(shè)計

登陸海底管道距離遠(yuǎn)，路由設(shè)計中利益相關(guān)方多，影響因素復(fù)雜，通常需要滿足該海域功能區(qū)規(guī)劃并和利益相關(guān)方協(xié)商設(shè)計管道路由，盡可能較少對相關(guān)方影響，主要利益相關(guān)方如下：

● 港口資源

● 航道資源

● 錨地資源

● 旅游開發(fā)

● 漁業(yè)活動

● 海洋自然保護(hù)區(qū)

此外在管道路由布置過程中還要考慮以下因素：

● 路由長度最短

● 避開路由障礙物和路由危險區(qū)

● 平行管道間距,通常最小20m

● 路由彎曲曲率半徑和直管段長度滿足規(guī)范要求

● 管纜跨越滿足規(guī)范要求

● 與鉆井船施工保持合理間距

● 登陸點滿足施工要求

2 近岸段海底管道設(shè)計

2.1 挖溝穩(wěn)定性

近岸段海底管道需要挖溝施工作業(yè)，便于后續(xù)拖拉作業(yè)施工和海底管道保護(hù)，挖溝截面如圖1所示，截面為倒梯形，溝型兩側(cè)斜面存在滑坡失穩(wěn)的可能性，可通過下述公式評估近岸段挖溝穩(wěn)定性。

圖1 挖溝截面圖

其中，F(xiàn)為挖溝穩(wěn)定系數(shù)；tf為土壤剪切應(yīng)力，MPa；td為失效面剪切應(yīng)力，MPa；C為土壤粘性力，MPa；σ為有效法向應(yīng)力，MPa；γ為土壤水下重，kN/m3；H為挖溝深度, m；φ為土壤內(nèi)摩擦角，deg；β為挖溝邊坡角，deg；θ臨界挖溝邊坡角，deg。

2.2 土壤液化

近岸段水下海床受到波浪和海流的循環(huán)荷載作用，全部或部分土壤可能會發(fā)生液化，無法有效支撐海底管道，海底管道因此產(chǎn)生上浮、下沉和懸跨等潛在風(fēng)險，海床土壤液化可通過以下公式評估[1]，當(dāng)液化系數(shù)小于1時，土壤不發(fā)生液化。

其中，LP為液化系數(shù)；ts為土壤阻尼應(yīng)力，MPa；tc為波浪誘導(dǎo)應(yīng)力，MPa；tdc/（σal）DR為實驗室條件下循環(huán)應(yīng)力引起的液化應(yīng)力比例系數(shù)；Cr為實驗室數(shù)據(jù)修正系數(shù)；Dr為土壤相對密度，kg/m3；DR為實驗室條件下的土壤相對密度，kg/m3；Rd為液化難度比例；σo為土壤初始有效限制壓力，MPa；γw為海水密度，kg/m3；γb為土壤水下重，kg/m3；Hs為有義波高，m；L為波長，m；d為水深，m；z為管道距離海床以下深度，m。

2.3 工程回填

海底管道在挖溝鋪設(shè)完成后，需要工程回填保護(hù)，工程回填材料在海底受到波浪、海流的作用，可能發(fā)生移位。根據(jù)規(guī)范DNVGL-RP-F109[2],工程回填材料的穩(wěn)定性可以通過下述公式評估，當(dāng)防護(hù)參數(shù)小于0.04時，回填材料保持穩(wěn)定。

其中，φ為防護(hù)參數(shù)；tb為底部剪切應(yīng)力，MPa；g為重力加速度，m/s2；Sb為回填材料密度和海水密度比值；D50為回填材料平均粒徑，mm；fw為波浪、海流摩擦參數(shù)；Aw為水質(zhì)點軌道半徑，mm；kb為等效沙的粗糙度，mm；K為無量綱常數(shù)；D為管道外徑，mm。

回填材料的厚度可以通過下述公式計算。

其中，h為回填材料厚度，mm；Wst為回填材料重量，kg；ρst為回填材料密度，kg/m3。

2.4 海管拖拉

登陸海底管道通常采用拖拉的方法上岸，海底管道需要增加浮筒減輕重量，便于絞車拖拉上岸，絞車能力可以通過下述公式計算。

其中，F(xiàn)p為絞車能力，kN；k為安全系數(shù)；μ為摩擦系數(shù)；Wc為拖拉纜繩水下重，kN；Wp為海底管道水下重，kN。

3 工程實例[3]

中東某工程項目實例：

海底管道參數(shù)：外徑 4 0 6.4 m m，壁厚15.9mm，涂層厚度3mm，密度940kg/m3，混凝土配重層厚度70mm，密度3040kg/m3；

環(huán)境參數(shù)：有義波高（2.6m-1年，3.4 m-10年，3.9 m-100年），譜峰周期（7.7s-1年，8.7s-10年，9.9s-100年），底層流速（1.07m/s-1年，1.23m/s-10年，1.39m/s-100年）；

土壤參數(shù)：水下重 9.3kN/m3,摩擦角 41.4deg。挖溝穩(wěn)定性校核評估結(jié)果如表1所示。

表1 挖溝穩(wěn)定性校核結(jié)果

土壤液化評估校核結(jié)果如表2所示，液化系數(shù)均小于1，土壤不會發(fā)生液化。

表2 土壤液化校核結(jié)果

工程回填評估校核結(jié)果如表3所示，防護(hù)參數(shù)小于0.04，回填材料穩(wěn)定。

表3 工程回填校核結(jié)果

登陸海底管道拖拉評估結(jié)果如表4所示，拖拉力為1300kN，可選用最小200噸能力絞車，為減輕海底管道拖拉重量，需要增加浮筒。

表4 海底管道拖拉校核結(jié)果

4 結(jié)論

登陸海底管道設(shè)計復(fù)雜，影響因素多，通過上述研究得出以下結(jié)論：

1） 登陸海底管道路由設(shè)計需要考慮利益相關(guān)方和影響整條路由布置的所有因素；

2） 對于近岸段海底管道通常施工方法為拖拉上岸，設(shè)計中重點考慮挖溝穩(wěn)定性、土壤液化、工程回填和海底管道拖拉，通過計算分析確定溝型、回填工程量以及拖拉設(shè)備能力。

本文介紹了登陸海底管道設(shè)計方法，我國渤海灣、東海和南海均存在大量登陸海底管道，該項設(shè)計技術(shù)給未來類似的工程項目提供了借鑒參考。