海底輸油管道后深挖溝11.9m的實踐分析

周彬，劉彬杰，董治國，肖守峰，耿燾

（海隆石油海洋工程有限公司，上海 201107）

當(dāng)海底輸油管道需要穿越航道時，管道的存在會使航道疏浚時挖深受限，而航道疏?；顒訉５纵斢凸艿赖耐暾院桶踩砸彩蔷薮箅[患。在孟加拉灣海域，需要對穿越兩條航道的4 條海底輸油管道實施后深挖溝作業(yè)，穿越寬度約1.2km，穿越處最大水深15m。為確保穿越段海底輸油管道的完整性，需將海底輸油管道埋設(shè)到原始海床標(biāo)高10.5m 以下。由于土壤地質(zhì)和施工技術(shù)、裝備等制約因素，挖溝過程中無法保證每一遍挖溝深度的均勻性，為了保證海底輸油管道在深挖作業(yè)過程中疲勞應(yīng)力處于安全狀態(tài)，后挖溝深度基本都超過設(shè)計要求的最小后挖溝深度，其中最深后挖溝處達(dá)到11.9m。

海底輸油管道埋設(shè)深度一般在1.5～3m，5m左右埋深的后挖溝施工已經(jīng)非常困難，超10.5m埋深海底輸油管道挖溝作業(yè)目前還沒有先例[1]。為了完成這項工作，必須從先挖溝后鋪管和先鋪管后挖溝這兩個施工方案中進(jìn)行選擇[2]。通過綜合對比分析，確定采用先鋪管后挖溝的施工方式，結(jié)果顯示施工達(dá)到了預(yù)期目的。圖1是后深挖溝處的海床、管道和設(shè)計管道標(biāo)高的剖面示意圖[3]。

圖1 管道原始標(biāo)高和目標(biāo)標(biāo)高對比圖示意圖Fig.1 Schematic diagram of comparison between original elevation and target elevation of pipelines

需要深埋的4 條管道分別為2 條平行18in 海底輸油管道和2 條平行36in 輸油管道。海底輸油管道的參數(shù)見表1。

表1 管道參數(shù)Table 1 Pipeline parameters

1 施工方案選擇

1.1 施工區(qū)域海床和地質(zhì)調(diào)查

由于需要將海底輸油管道埋設(shè)到海床以下10.5m，首要的風(fēng)險就是施工區(qū)域海底的地質(zhì)情況。

先采用多波束測深探測儀（MBES）對海床進(jìn)行調(diào)查，初步判斷海床上無大型的結(jié)構(gòu)物以及巖石等災(zāi)害性、嚴(yán)重影響挖溝的障礙物。然后在海底輸油管道路由上對4 條海底輸油管道寬度1km范圍內(nèi)的海床，進(jìn)行了海床以下11m 深的鉆孔地質(zhì)取樣調(diào)查。經(jīng)過對地質(zhì)調(diào)查的鉆孔樣品進(jìn)行分析，判斷出海床以下11m 深度的土壤，沒有影響挖溝作業(yè)的不良性地質(zhì)[4]。雖存在地震液化可能性高的土層，但總體來說施工區(qū)域地質(zhì)比較穩(wěn)定，適宜工程的建設(shè)和挖溝作業(yè)施工。

1.2 施工方案對比

從工作量、施工次序、施工資源、工期、成本、風(fēng)險等方面對兩種方案進(jìn)行對比。先挖溝后鋪管的優(yōu)點是管道的施工風(fēng)險低，在工作量上明顯優(yōu)于先鋪管后挖溝，但施工成本較高；而先鋪管后挖溝，因為挖溝時海管已經(jīng)鋪在海底，挖溝過程很難避免挖溝機(jī)會接觸到海管，施工風(fēng)險較高，但施工工期有較大幅度的壓縮，施工成本也較低。經(jīng)過反復(fù)分析論證，認(rèn)為先鋪管后挖溝的施工方式風(fēng)險可控，而先挖溝后鋪管作業(yè)施工工期較長，會造成航道停航時間過長，導(dǎo)致航道使用方有較大的經(jīng)濟(jì)損失。對兩種不同施工方案進(jìn)行了比較（表2）[5]，最終認(rèn)可采用先鋪管后挖溝的施工方式[6]。

表2 施工方案對比Table 2 Comparison of construction schemes

2 施工方案準(zhǔn)備

2.1 施工船舶選擇

施工海域流速較大，水流方向垂直于海底輸油管道路由，且屬于季風(fēng)氣候，雨季風(fēng)浪較大，為保證海上施工作業(yè)的連續(xù)性，考慮到DP 船艏向控制困難，所以優(yōu)選配備吊機(jī)的錨系駁船。

2.2 挖溝機(jī)選型

挖溝機(jī)作為施工的主要和關(guān)鍵設(shè)備，選型需綜合考慮施工水域海況、天氣、地質(zhì)、以及設(shè)計挖深的情況，其主要制約條件為：

（1）保證海底輸油管道的安全，挖溝過程不能損壞管道；

（2）溝深超過10m，挖溝機(jī)需具備將海底輸油管道下放10m 以上的能力；

（3）挖溝過程中挖溝機(jī)需具備防回淤的能力，能夠?qū)⑼诔龅哪嗤梁蜕呈懦?0.5m 以上海溝，以免泥土在已挖好的溝里回淤，造成下一遍挖溝時找管困難及額外進(jìn)行清淤作業(yè)[7]。

最終選擇的深挖溝機(jī)物理參數(shù)見表3。

表3 挖溝機(jī)主要物理特性Table 3 Main physical characteristics of trencher

（1）水力噴射型式，不會損壞到已鋪設(shè)的海底輸油管道；

（2）窄高型設(shè)計，以便能在挖溝過程中隨海底輸油管道下沉到已挖好的溝里，具備10.5m 以上挖溝能力，并具備足夠的能力在水下將海底泥沙甚至硬土層吹散；

（3）配備氣舉系統(tǒng)以及排泥系統(tǒng)，將泥漿排至溝外比較遠(yuǎn)的位置，以免影響毗鄰的管道；

（4）水下重量要控制在10t 左右，以減小挖溝過程中對海底輸油管道的作用力。

2.3 挖溝試驗

由于海底輸油管道一旦鋪設(shè)到海底后，選定的挖溝施工方案將不可更改，因此施工前進(jìn)行挖溝試驗驗證方案的可行性。試驗位置選擇在距離施工地點1km 的海域，進(jìn)行了為期6 天的挖溝試驗。試驗使用同型挖溝設(shè)備、挖溝船舶，進(jìn)行了2 個100m 長度的挖溝測試。根據(jù)試驗前后的海底調(diào)查，通過13 遍的挖溝，最終開挖深度達(dá)到9.2m，基本可滿足項目設(shè)計要求的挖溝深度要求。圖2顯示了試驗位置試驗前后的對比。

圖2 海床試驗前后調(diào)查對比圖Fig.2 Comparison of investigation before and after seabed test

2.4 設(shè)計校核

針對挖溝過程中可能出現(xiàn)的海底輸油管道完整性風(fēng)險，設(shè)計通過計算分析對挖溝過程中海底輸油管道允許產(chǎn)生的最大自由懸跨、單遍挖溝深度等給定了最大的限定值，以保證挖溝作業(yè)的安全性。主要的計算數(shù)據(jù)見表4。

表4 深挖作業(yè)應(yīng)力和懸跨校核數(shù)據(jù)Table 4 Stress and free-span evaluation for deep-trenching operation

（1）根據(jù)施工海域海底輸油管道長度進(jìn)行挖溝作業(yè)過程應(yīng)力和疲勞分析。利用有限差分法對海底輸油管道下降過程進(jìn)行長度和應(yīng)力校核，分析作業(yè)過程中海底輸油管道產(chǎn)生的最大應(yīng)力和疲勞狀態(tài)，對挖溝溝槽穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

①模擬施工過程中注水狀態(tài)下海底輸油管道下沉的過程，分析每個位置的應(yīng)力和應(yīng)變情況；

②為了保證初始狀態(tài)下海底輸油管道的長度滿足海底輸油管道下降至設(shè)計位置后的長度需求，將海底輸油管道的固定段長度設(shè)置為2.3 倍實際施工長度，分析海底輸油管道的線性長度；

③檢查海底輸油管道彎曲半徑是否滿足不小于1500 倍海底輸油管道直徑的設(shè)計要求；

④檢查海底輸油管道的支撐和自由懸跨狀態(tài)，特別是在海底輸油管道線性拐點位置；

⑤校核海底輸油管道鋪設(shè)殘余應(yīng)力對海底輸油管道穩(wěn)定性的影響。

（2）對施工起始邊界條件的變化、后挖溝過渡段長度等關(guān)鍵的設(shè)計輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行了敏感性分析，最終從設(shè)計角度給出施工可行性結(jié)論。

①根據(jù)DNVGL-ST-F101，整個施工期間，海底輸油管道和管溝是安全的，挖溝對相鄰管道無安全影響；

②施工期間，海底輸油管道允許懸跨值可控，施工工藝對海底輸油管道無失效損害風(fēng)險；

③施工期間對海底輸油管道施加的外力及海底輸油管道可能形成的自由懸跨，對注水后海底輸油管道無失效的風(fēng)險。

3 施工方案介紹

根據(jù)挖溝試驗的結(jié)果，綜合設(shè)計的計算分析結(jié)論，最終確定深挖溝作業(yè)的整體施工方案。

3.1 施工次序

根據(jù)前期的評估和計算確定整條管道的施工按照圖3的流程進(jìn)行[8]。

圖3 項目施工流程Fig.3 Project construction sequences

3.2 后深挖溝流程

根據(jù)試驗結(jié)果，計算確定挖溝前對海底輸油管道進(jìn)行注水增加海底輸油管道重量，以加大海底輸油管道下沉效果。同時，為了保證質(zhì)量，確定在每遍挖溝后，都對海底輸油管道及海溝的狀態(tài)做調(diào)查。最終確定后深挖溝流程按圖4進(jìn)行。

圖4 后深挖溝流程圖Fig.4 Flow chart for post deep-trenching operation

3.3 設(shè)備布置

挖溝機(jī)在水下的運動，靠吊機(jī)穩(wěn)定姿態(tài)，利用絞車拖拉提供前進(jìn)的動力，為了提高挖溝的效率，保證在雙向移船時都能進(jìn)行挖溝作業(yè)，施工方在作業(yè)船的舷邊布置了兩根拖拉臂，以保證雙向均可挖溝。

3.4 3D 聲納實時成像監(jiān)測系統(tǒng)

針對當(dāng)?shù)睾Ｓ蛄魉俅?、泥沙含量高、水下能見度極差的問題，使用傳統(tǒng)的攝像頭及雷達(dá)，很難滿足水下找管、實時監(jiān)測挖溝質(zhì)量的要求。為減少施工風(fēng)險、提高施工效率，在傳統(tǒng)的MBES調(diào)查基礎(chǔ)上，使用3D 聲納實時成像系統(tǒng)作為施工過程中的輔助調(diào)查方法，實現(xiàn)了實時判斷海底輸油管道狀態(tài)，監(jiān)測挖溝質(zhì)量的目的。圖5顯示了傳統(tǒng)的MBES 調(diào)查圖像與3D 聲納實時成像系統(tǒng)圖像。

圖5 MBES 后調(diào)查與3D 聲納實時成像調(diào)查對比圖Fig.5 Comparison of surveys by MBES and 3D sonar real-time imaging

3.5 實施挖溝作業(yè)

綜合設(shè)計管道埋深、挖溝機(jī)作業(yè)能力和管道安全等因素，深挖采用多遍挖溝下放海管的方式，并按照設(shè)計計算要求控制每一遍挖溝的深度。施工前根據(jù)淺剖儀預(yù)調(diào)查確定管道路由及埋深，先挖至露出管頂，然后將挖溝機(jī)跨騎至管道上進(jìn)行一遍吹掃作業(yè)以清理管溝并暴露出下放路由段的海底輸油管道。然后將管溝挖至與航道段設(shè)計管底標(biāo)高線近似平行后開始多遍深挖作業(yè)。為了保證海底輸油管道整體的完整性，深挖的過程中在航道外路由上挖出合適長度的過渡段確保海底輸油管道的平滑過渡。

海底輸油管道下放過程中，通過實時3D 成像監(jiān)測溝型、海底輸油管道狀態(tài)與挖溝機(jī)的位置。每完成一遍挖溝操作，在挖溝路由上每25m 進(jìn)行一處SBP 調(diào)查獲取管底標(biāo)高數(shù)據(jù)。綜合3D 和SBP 結(jié)果進(jìn)行分析，對于出現(xiàn)懸跨及垂直梯度較大的情況，立即采取措施進(jìn)行干預(yù)糾正處理。受土質(zhì)和溝深因素的影響，深挖過程中出現(xiàn)溝壁坍塌的情況時，需要及時分析坍塌原因、清理坍塌土層以及修正坍塌位置的溝型。

3.6 作業(yè)質(zhì)量控制

施工前根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計要求編制施工程序。確保施工程序滿足標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求。檢查施工船舶、定位、調(diào)查和監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)以及校準(zhǔn)報告或試運行報告，確保設(shè)備運行狀態(tài)良好，監(jiān)測數(shù)據(jù)真實。對相關(guān)的作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底以貫徹相關(guān)操作的技術(shù)要求。根據(jù)作業(yè)水域的實際情況，結(jié)合3D 聲納和SBP 調(diào)查方法控制施工質(zhì)量。施工過程按照程序要求執(zhí)行，每一遍挖溝后通過3D 聲納監(jiān)測結(jié)果或SBP 調(diào)查數(shù)據(jù)，確定挖溝過程中是否產(chǎn)生了超標(biāo)懸跨等信息，并形成相關(guān)的挖溝作業(yè)現(xiàn)場記錄和報告，清楚記錄每日的作業(yè)位置、使用設(shè)備、作業(yè)內(nèi)容和調(diào)查結(jié)果等信息。

挖溝結(jié)束后，按程序要求的間隔距離進(jìn)行MBES 調(diào)查，確認(rèn)挖溝線路挖溝深度達(dá)到設(shè)計要求。數(shù)據(jù)顯示較深航道平均挖溝10.9m 深，最深處下挖11.9m 長度約20m（圖6）。最終通過管道通球測徑試驗和水壓測試確保管道的完整性。

圖6 最終海管管底標(biāo)高示意圖Fig.6 Schematic diagram of final trenched pipeline bottom elevation

4 結(jié)論

按照施工方案的要求，在預(yù)定的時間內(nèi)完成了4 條海底輸油管道的深挖溝下放任務(wù)，其中最大挖溝深度達(dá)到了11.9m，管線處于安全狀態(tài)。在超深后挖溝過程中，需要從以下有別于常規(guī)后挖溝的方面進(jìn)行考慮：

（1）深挖溝機(jī)的選型要適應(yīng)深溝形狀特點選擇窄高型挖溝機(jī)，并且深挖溝機(jī)要具備排泥沙能力，以便排出溝底打散的泥沙，防止在溝底發(fā)生淤積；

（2）由于挖溝遍數(shù)較多，為了及時觀察海底輸油管道的狀態(tài)，采用實時3D 聲納影像進(jìn)行監(jiān)控和測量的輔助調(diào)查手段可行并且有效；

（3）挖溝遍數(shù)的增多，大大增加海底輸油管道超應(yīng)力和變形的風(fēng)險，因此需要確定好每一遍的挖溝深度、管線水平高差和懸跨狀態(tài)，進(jìn)行計算校核分析，以確保后挖溝操作的安全性。