海底软管跨越已建管道技术及工程应用

汤乾宇，陈大江，周声结，刘立辉，马东山

中海石油（中国）有限公司湛江分公司工程建设中心，广东湛江 524057

海底软管跨越已建管道技术及工程应用

汤乾宇，陈大江，周声结，刘立辉，马东山

中海石油（中国）有限公司湛江分公司工程建设中心，广东湛江 524057

在我国渤海油田、南海涠洲油田等管网较密集地区，新建管道跨越已建海底管道或海底电缆的跨越点通常采用在已建管道上铺设混凝土压块的方式进行处理，但随着作业水深的增加，这种处理方式的难度、时间、风险成倍地增加。从常规海底管道跨越点处理方法、软管特性及跨越点处理、跨越计算等方面，较详细介绍了一种海底软管跨越已建管道的新型跨越点处理方法，即使用注浆气囊作为跨越点支撑的方法，并以南海某项目为例，对软管跨越的安全性进行全面的校核。该方法已在我国南海某气田成功应用，将常规需7～10 d的跨越处理作业时间缩短到24 h以内。

海底软管；跨越处理；注浆气囊；跨越计算

十二五期间，我国海洋石油事业有了蓬勃的发展，在我国的渤海、东海、南海已建成数十条管径不同的海底管道，并且每年都会有数条新管道增加。随着海洋石油201、海洋石油289、海洋石油286等3 000 m级深水铺管船的下水使用，我国已具备自主深水铺管作业能力。但是由于油气田存在的海底管道或海底电缆越来越密集，新铺设海底管道时，在其设计路由上会遇到已有的海底管道或海底电缆，DNVOS-F101规范要求在跨越点处应安装支撑结构。

在以往的工程实际中，往往采取提前在已建管道上铺设混凝土压块的方式来进行新管道的跨越处理，但随着作业水深的增加，跨越点处理的难度、所需时间、风险将成倍地增加。本文详细介绍了一种海底柔性管道跨越已建管道的跨越点处理方法，并以南海某项目为例，对管道跨越的安全性进行全面的计算校核。该方法已在我国南海某气田成功应用，将常规需7～10 d的跨越处理作业时间缩短到24 h以内。

1 常规海底管道跨越点处理方法

在以往的工程实际中，应用较为广泛的跨越点处理方法是使用混凝土压块，即按照设计路由的管道跨越点位置，在已建的管道上方堆放混凝土压块，使其顶部与两边的海床形成连续的过渡缓坡[1]。每片混凝土压块是用尼龙绳将30 cm×30 cm的小混凝土块连接成片而制成的，总长约3 m，宽2 m，质量约2～3 t。安装时使用预制的吊装框架吊装下水就位，再由潜水员或ROV（Remote Operated Vehicle）在水下解钩，每次吊装1～3片，见图1。新建管道则铺设在混凝土压块上跨越已建管道。

图1 混凝土压块与吊装框架

由于新建管道铺设的实际路由不可避免地会与设计路由存在一定误差，因此在使用混凝土压块进行跨越点处理时，所需要覆盖的已建管道和海床面积就要考虑实际安装时产生的误差，另外，还要再根据水深确定放大系数。而且随着水深的增加，吊装就位的精度也会下降，调整就位的难度也将逐渐增大，这就会大幅增加管道跨越点处理所需的作业时间，增加了施工成本；同时也给原有在役输油/气管道、海底电缆带来极大的安全风险。

2 软管特性及跨越点处理

主要介绍软管与传统钢管在结构特性上的区别，总结软管跨越已建管道的新跨越方式的可行性，并详述了采用注浆气囊作为软管跨越支撑的方法。

2.1 软管与传统钢管的区别

海底软管一般为非粘结软管，由螺旋缠绕的金属层、挤塑的聚合物层和缠绕的聚合物层经物理结合而构成。骨架层是软管的最内层，是由可产生塑性变形的金属带制成的互锁结构，故其弯曲刚度远远小于钢管。其最小弯曲半径一般为3～5 m，这样其在铺设作业时就具有了更高的灵活性，即使铺设时偏离了设计路由，也可通过移船回收来调整铺设轨迹。

在进行软管铺设作业时，软管的悬链线较短，软管的着泥点与船尾的距离较近，这样就更方便潜水员或ROV对着泥点的观察和作业。

2.2 采用注浆气囊作为软管跨越支撑

基于软管上述特性，采用了一种简单有效的软管新式跨越处理方式，以此减少跨越施工所需要的时间。

选择橡胶气囊替代混凝土压块作为软管跨越已建管道的支撑结构，将气囊进行抽真空预处理，在铺设时安装在软管管体上指定的位置。当完成软管跨越铺设后，向气囊内注入水泥浆顶起软管，注浆时通过潜水员或ROV观察注浆状态。当新铺设的软管被抬升至一定高度（一般做法为与已建管道保持至少30 cm的间隙）后停止注浆，见图2，注浆完成后关闭注浆管道阀门并拆除及回收注浆管道。

图2 软管跨越气囊支撑示意

2.3 气囊定位及安装方法

2.3.1 气囊的定位方法

由于注浆气囊不是预先放置在已建管道的跨越点位置，而是预先安装在软管上，而后随着软管一起下水铺设在已建管道的跨越点的，因此在软管的铺设过程中，在何时、在软管的何处安装气囊是施工作业中要考虑的重要问题。应尽量避免气囊安装位置错误，导致回收软管、重复调整气囊位置的麻烦。

首先应根据铺设分析报告，了解作业水深、软管悬链线长度、软管着泥点与软管入水点的距离。当软管铺设至跨越点附近时，通过潜水员或ROV来观察、确定软管着泥点与跨越点的水平距离L，也可以把USBL（超短基线定位系统）信标绑扎在软管管体上来进行辅助定位。然后根据软管悬链线的长度，从软管着泥点开始在软管管体上量取长度L进行标记。最后根据跨越间距分析（3.2.2节）得出的气囊间距Y，在标记前后的各Y/2处安装气囊。

在实际施工中，由于船舶升沉造成软管悬链线变化以及定位系统的定位精度有限，会造成约0～2 m的误差，现场可以通过横向移船来调整气囊与已建管道的相对位置，保证已建管道处于两气囊之间。

2.3.2 气囊的安装方法

可使用绑扎带将已抽真空的气囊与软管管体绑扎在一起并对称折叠，见图3～4，以此减小受力面积，并使其在注浆时能自由打开。气囊应通过硫化预埋固定点，以方便安装。绑扎时应从多角度进行捆绑，防止气囊在水流的作用下转动或移动。

图3 绑扎带

图4 气囊安装示意

气囊安装固定完成后再连接灌浆管道，在气囊接口处安装一个适合潜水员或ROV操作的关断阀门，阀门的把手应进行适当的保护，防止因波浪的拍击造成阀门失效。在气囊下放过程中，灌浆管道也应绑扎固定在软管管体上，防止因灌浆管道过长而打结缠绕。

注浆时，安排潜水员或ROV观察软管抬升高度以及气囊沉降量，随时控制注浆量。注浆完成关闭注浆阀门，回收注浆管道。

3 跨越计算分析

以我国南海某气田12 in（1 in=25.4 mm）管径的海底软管的铺设为例，从软管的悬跨、气囊的沉降量、注浆压力以及涡激振动等多方面进行计算分析，确保此软管跨越点处理方法的安全性。

3.1 设计参数

表1～3分别给出计算分析所使用的软管结构参数、风波流参数以及表层土壤参数。

表1 软管结构参数

表2 风波流参数

表3 表层土壤参数

3.2 软管悬跨分析

3.2.1 跨越高度分析

根据以往工程实际做法以及海底管道有关规范，新铺设管道应与已建管道或电缆保持间距h0至少为30 cm。由于需跨越的已建管道外径D0为406 mm，因此气囊需要将软管顶起的高度为：

式中：α0为安全系数，取1.4。

3.2.2 气囊间距计算

将顶起的软管简化为悬臂梁，悬臂梁挠度公式为：

式中：Wb为竖向挠度，m，取值1.0；q为均布载荷即软管单位长度自重，N/m，取值1 700；L2为注浆气囊中心与海底管道触泥点的水平距离，m；EI为弯曲刚度，N·m2，取313 630。

计算得到L2=6.2 m。

同时利用ANSYS软件，对软管的悬空段进行分析，得到两气囊间软管挠度和软管所受的最大弯矩值。根据默认密度进行网络划分，其结构计算模型见图5。

图5 软管跨越的ANSY S模型

计算当顶起软管的高度H为1 m时，在不同情况下软管所受的弯矩以及L1段的最大挠度。计算结果见表4、图6～9。其中中点位移为ANSYS直接反馈的计算结果，根据坐标系，设定同时减1 m后即为中点挠度。

表4 挠度、弯矩计算结果

3.3 气囊沉降分析

气囊的沉降量按照APIRP 2A WSD 6.13中浅基础的稳定性所给出的经验公式进行计算[2]。

式中：Q为基础破坏时的最大竖向载荷，kN；c为土的不排水抗剪强度，kPa；A为实际基础面积，m2。

气囊的总载荷Q包括管体重力、气囊重力以及水泥浆的重力，计算得到：

接触面积A=2×6×2=24（m2），计算得到c=5.09（kPa）。

图6 工况1海底管道挠度计算结果/m

图7 工况3海底管道弯矩计算结果/（N·m）

图8 工况4海底管道挠度计算结果/m

图9 工况4海底管道弯矩计算结果/（N·m）

由表3的土质资料可知，该地区0.7 m深处土的不排水抗剪强度为3 kPa，故可估算出气囊沉降约为1 m。

3.4 注浆压力分析

本节主要根据气囊所顶起的软管重力以及克服的静水压力计算出注浆所需要的压力，从而指导橡胶气囊的选型以及注浆管道压力等级的选择。

3.4.1 静水压力P1

式中：ρ为海水密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2，取9.8；h为水深，m。

本项目ρ取1 025 kg/m3，水深h取70 m，计算得到P1=0.703 15（MPa）。

3.4.2 软管管体压力P2

式中：α为水中单位长度软管管体质量，kg/m；L为顶起软管长度，m，L=L1+2L2；S为气囊与软管接触面积，m2。

本项目α取68.45 kg/m，L=L1+2L2=5+2× 7=19（m），S=0.2×0.2=0.04（m2），则计算得到P2=0.318 6（MPa），注浆总压力P=P1+P2= 1.022（MPa）。

故选择抗爆破压力为2 MPa的注浆气囊以及注浆管道即可满足使用要求。

3.5 涡激振动分析

为了避免谐振的出现，通过涡激振动（VIV）计算比较涡流的频率和管道的自振频率，以此确定管道自由悬跨允许的最大长度。如果软管铺设后进行埋设，则不用考虑操作期的自由悬跨，除非软管基础由于某种原因有被淘空的可能[3]。

本节计算以DNV-RP-F105“Free Spanning Pipeline”[4]为基础，采用《海洋石油工程设计指南第五册海底管道设计》中给出的简化公式来计算临界自由悬跨长度：

式中：Lcr为临界自由悬跨长度，m；D为管道外直径，mm；Vr为折算流速，m/s，由图10中Ks对应的数值取得；Ks为稳定系数，无量纲；v为百年一遇底层流速，m/s；δT为结构模态阻尼比；C为边界条件系数，无量纲，简支取9.86；Me为单位管长的有效质量，kg/m。

本项目D取406.1 mm，v取112.6 m/s，Me取68.45 kg/m，δT按DNV-RP-C205柔性管建议取0.04，Vr取0.75 m/s，则计算得到Lcr=6.2（m）。

图10 DNV-1981海底管道系统规范附录A图A.3[5]

4 结论

根据软管刚度小、质量小等特性，采用注浆气囊代替混凝土压块作为跨越支撑结构，安装时受恶劣天气影响较小，可大大缩短施工时间，降低施工成本。此方法已在我国南海“东方1-1气田一期调整开发工程项目”海底管道铺设中成功应用，在此项目的两个跨越点处理中，施工用时均小于24 h，远远少于传统方式5～7 d的施工时间。证明了本文所述方式在理论上和技术上是可行的，而且此方法可根据管径、管单位长度质量、刚度、跨越距离、水深的不同，采用跨越分析、涡激振动（VIV）分析、注浆压力分析等选择气囊与注浆系统，以适应各种各样的工况[6]。

[1]易涤非，邓欣，唐少华.一种新型海底管线跨越保护装置[J].广东造船，2014（5）：74-76.

[2]API-RP-2A，Recommend Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design（twenty-first edition，December 2000）[S].

[3]《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程设计指南第五册海底管道设计[M].北京：石油工业出版社，2007：172.

[4]DNV-RP-F105，Free Spanning Pipeline（February 2006）[S].

[5]DNV-1981，Rules for Submarine Pipeline Systems[S].

[6]易涤非，李挺前，尹彦坤.国产复合软管在涠洲6-1油田复产项目中的应用[J].石油工程建设，2012，38（2）：12-15.

Technique and Engineering Application of Submarine Flexible Pipeline Overcrossing Existing Pipeline

TANG Qianyu，CHEN Dajiang，ZHOU Shengjie，LIU Lihui，MADongshan
Engineering&Construction Center of CNOOC Zhanjiang Company，Zhanjiang 524057，China

In the regions having denser pipeline network such as Bohai Oilfield in Bohai Sea and Weizhou Oilfield in South China Sea，when a new submarine pipeline or cable crosses over the existing pipeline，the usual treatment method is to lay concrete weights on the existing pipeline at the crossing place.With the operation water depth getting deeper，this treatment method becomes more difficult and increases construction time period and cost.Based on the illustration of conventional pipeline overcrossing a existing pipeline in aspects of crossing place treatment，flexible pipeline features and crossing calculation，a new kind of overcrossing method is introduced in detail，that is to apply the grouting air bag as the support.The crossing safety is wholly checked by taking a practicalproject in South China Sea for example.This method has been successfully applied in a gas field in South China Sea，which has shortened the construction time period to 24 h compared with 7～10 d by conventionaltreatment method.

submarine flexible pipeline；overcrossing treatment；grouting air bag；overcrossing calculation

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.006

汤乾宇（1989-），男，天津人，助理工程师，2012年毕业于天津大学船舶与海洋工程专业，现从事海洋石油工程建设项目管理工作。Email:tangqy1@cnooc.com.cn

2016-06-25