海底管道充水铺设技术

焦冬梅，余志兵，杜永军，韩 旭

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

0 引言

海底管道铺设有多种施工方法，而施工方法的选择，需要结合实际情况从技术、经济、工期等因素综合考虑。在安装期 （安装期是指从管道放置在海底之后到投产之前的这一期间），对于裸置于海床上的管道，在波流等自然环境因素的作用和影响下，依靠其自身重量不足以保持稳定时，可采用充水铺设的方法，确保其稳定性。

1 充水铺设

充水铺设是指在海底管道正常铺设阶段，从铺设船舶上间断性地向管道内注入一定量淡水的铺设方法。充水铺设不仅能解决海底管道稳定性问题，同时还具有以下优点：

（1）减少制作费用。在海底管道稳定性设计中，增加壁厚或配重层是实现其稳定性的方法之一，但管道制作费用也会随之增加。而采用充水铺设法可达到减少壁厚或节省混凝土配重的效果，从而可在实现稳定性的前提下节省管道制作费用。尤其对于注水管道和污水管道，因其安全级别相对油气管道低，更可考虑采用此种方法。

（2）提升船舶能力。受管道制作加工和铺设等作业的限制，混凝土加重层不能任意地配置。例如，对于大尺寸的排污管道，管径＋配重层的截面尺寸有可能超过铺管船的作业管径范围。可去除重层，充分发挥船舶的铺管能力，为铺设管道选取设备方面提供更大的空间。

2 侧向稳定性分析

海底管道在海床上的稳定性分析是海底管道设计中的一个重要方面。若稳定性达不到要求，海底管道可能会出现侧向或垂向位移过大，导致海底管道发生屈曲破坏。而海底管道的稳定性与管道的水下重量、环境荷载以及海底土壤阻力有直接的关系。安装期管道稳定性设计的目的在于确保管道水下重量充分满足安装稳定性准则的要求。

稳定性评价基于选定的路由、各种自然条件和管道本身的工艺、施工及运行参数等。海底管道的稳定性包括侧向稳定和垂向稳定。一般情况下，在管道安装期，将管道的侧向稳定性作为主要考虑要素，故本文将着重对其进行介绍。如图1所示，置于海床表面的海底管道，受到的作用力有流体升力FL、拖曳力FD、流体附加质量力FI、土壤的摩擦力Ff、海床的支撑力FS、被动土阻力FH及管道自身的重力WS。

图1 海底管道受力模型

依据DNV RP E305“On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines”的要求[1]，选用一年一遇的环境条件进行安装期侧向稳定性分析。采用通用商业软件AGALEVEL2中的准静态方法进行分析，该软件能较好地模拟水动力条件下的管土相互作用，并考虑管道由于小振幅而产生的沉陷对管道水动力的影响。

通过输入所需的环境参数、管道特性、土壤条件，程序模拟连续4 h和额外3 h的风暴潮条件，得到模拟时域内的管道所受水动力。根据土壤数据及管道沉降量计算出土壤对管道的侧向阻力：土壤摩擦力Ff=μ·（WS-FL）和被动土阻力FH（包括由管道自重引起的沉降量所产生的被动土阻力和管道水平运动引起的附加沉降量所产生的被动土阻力）。根据DNV RP E305规范定义如下安全系数：

式中 μ——侧向摩擦系数；

WS——单位长度管道水下重力/（N/m）；

FL——流体升力/N；

FH——被动土阻力/N；

FD——拖曳力/N；

FI——附加质量力/N。

AGA LEVEL2的水动力计算考虑了波流的相互作用、部分覆盖土的作用和管道移动的影响。同时，管道沉降后，土壤对管道的作用力考虑了加载历史的影响，包括土壤摩擦力和管道沉降引起的被动土阻力[2-3]。

AGA的校核准则是最小安全系数，当它同时满足以下条件时，管道是侧向稳定的[2-3]：

（1）4 h风暴潮结束时 U1/100（1.66倍有义波速）情况下的管道稳定 （安全系数大于1）。

（2）3 h追加的风暴潮结束时U1/1000（1.86倍有义波速）情况下的管道稳定 （安全系数大于1）。

3 海底管道充水铺设分析

海底管道充水铺设分析方法与空管铺设一致，一般采用通用商业软件OFFPIPE，依据DNV等相关规范的要求，通过输入所需的管道/缆绳参数、环境参数、铺管设备参数，建立模型并分析 （管道重量须按管内充水来考虑）。对于分析结果，可采用应力／应变或荷载组合校核等方法作为设计准则：

（1）DNV 1981 “Rules for Submarine Pipeline Systems”。

（2） DNV-OS-F101-2000 “Submarine Pipeline Systems” （或其修订版）。

由于篇幅限制，下面仅列举DNV 1981“Rules for Submarine Pipeline Systems”规范中的许用应力法。安装期的管道总应力须满足以下要求[4-5]：

式中N——轴向力/N；

A——管道横截面积/m2；

M——弯矩/N·m；

W——管道截面模量/m3；

σy——环向应力/Pa；

σF——公称最小屈服强度/Pa；

η——应用系数。

4 充水铺设施工工艺 （见图2～3）

海底管道充水铺设的施工方法与海底管道常规铺设施工方法基本相同，都包括起始铺设、正常铺设、临时弃管和回收、终止铺设。两者的区别在于前者比后者增加了注水过程。海底管道充水铺设时，放置一根注水软管于铺设的管道中，注水软管的起始端与屈曲探测器钢丝绳相连接，末端置于管道上弯段。屈曲探测器一般放置于管道着泥点后适当位置。注水软管应足够长，确保注入淡水在重力作用下沿管壁流入下弯段。注水操作步骤如下：

（1）将注水管道连接至注水软管。打开注水阀门，向管道中注水。每次注水量及注水速度应符合该管道铺设的设计要求。

（2）注水完毕后，关闭注水阀门，拆下注水管道。

（3）向前移船，铺设一根管道至海底。

（4）组对、焊接下一根管道，同时利用绞车向前拖拉屈曲探测器及注水软管，直到注水软管起始端位于所铺设管道外侧，以便于连接注水管道。

（5）重复 （1）～（4）步，直至铺管作业完成。

5 工程实例

5.1 管道参数

以渤海湾某海底注水管道为例。该管道为单层管，由钢管层和3PE防腐层组成。钢管公称直径为323.9 mm，壁厚为12.7 mm，钢材等级为API 5L X65，管道全长7 km，设计寿命为25年。管道相关设计参数如表1所示。

表1 管道特性参数

5.2 安装期管道稳定性计算

设计水深23.1 m，海水密度为1 025 kg/m3。土壤为极软黏土，剪切强度为3.5 kPa。

环境荷载 （波流）按照1年重现期对应的参数值选取，并分析以下两种工况：

工况1：最大流速和相应的波高。距水面20.8m处（0.9倍的设计水深）的流速为0.9 m/s，有效波高3.1 m，峰值周期6.6 s。

工况2：最大波高和相应的流速。距水面20.8m处的流速为0.63 m/s，有效波高3.4 m，峰值周期8.3 s。

管道设计寿命为25年。海底管道侧向稳定性分析结果见表2。

表2 海底管道侧向稳定性分析结果

5.3 海底管道铺设强度分析

采用OFFPIPE软件进行海底管道铺设静态强度分析，分析以下两种工况并进行比较：

工况1：空管铺设。

工况2：海底管道注水铺设，海底管道内充水20%，并假设水的重量均布加载于管道上。

使用同一条铺管船，并将铺管参数 （张紧器张力、托管架角度、支撑滚轮高度）和环境参数 （水深等）设为一致，铺管强度分析结果见表3。

表3 海底管道铺设静态强度分析结果

由表3可知：两种工况下的海底管道应力均达到了规范要求。但在充水铺设状态下，由于管道重量加重，导致管道应力增大。

6 结束语

充水铺设法作为一种非常规铺设方法，在某些情况下，可用于无混凝土配重层管道施工，并满足管道在安装期的稳定性要求，尤其适用于安全级别低的管道，比如注水管道和排污管道。当然对某些处于相对硬质海床且底流较大的管道而言，若侧向稳定性无法满足规范要求，也可以按照上述充水铺设方法来执行。

由于充水铺设是在常规铺设法的基础上增加了注水操作，因此不可避免地会影响到海上整体施工效率和工程投资。尤其对于长距离、大口径管道，若全程实施充水铺设，不仅应充分考虑到注水设备在铺管船上的布置问题，还必须重点评估托管架的承重力。因此在前期方案设计阶段，建议全面考虑海域、环境条件及生产类型等实际情况，并通过方案经济性对比，选择性地采用充水铺设方法。

[1]DNV RP E305-1988，On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines[S].

[2]赵冬岩.海底管道稳定性综述[J].中国海上油气（工程），1998，10（5）：1-2.

[3]陈思，赵冬岩.新规范中海底管道稳定性半动态分析方法的比较研究[J].中国造船，2009，50（增刊）：628-630.

[4]DNV1981，Rules for Submarine Pipeline Systems[S].

[5]孙成赞，王允.OFFPIPE软件在海底管道铺设中的应用[J].石油工程建设，2005，31（5）：49-52.