大尺寸双层海底管道舷侧起吊辅助措施

梁光辉，成二辉

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

大尺寸双层海底管道舷侧起吊辅助措施

梁光辉，成二辉

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

舷侧起吊是海底管道进行铺设或维修过程中常用的方法，风险性较高，尤其对于大尺寸双层管道，必须采取有效的辅助方法，保证起吊过程的安全。文章创新性地提出了采用长条形辅助起吊气囊、单点辅助提升浮袋、施工船甲板吊机、防滑卡子、单点提升五种措施进行舷侧起吊辅助，并针对前三种措施进行了计算分析及效果对比，结果表明这些措施有助于大尺寸管道的舷侧起吊，浮袋可防止下弯段悬跨过长造成管内应力过大，长条形辅助起吊气囊和施工船甲板吊机辅助作业可有效减少舷吊受力并合理控制管内应力分布，保证起吊作业安全可控。

双层海底管道；起吊；辅助措施；气囊

1 概述

舷侧起吊是海底管道铺设或维修过程中常用的一种方法，广泛应用于近岸段新建海底管道的水面对接、法兰的更换、损伤应急维修等。据不完全统计，近十年来，国内海底管道应急维修约20例，其中采用舷侧起吊方法进行维修的工程接近一半。

常规的舷侧起吊作业步骤主要有：

（1）起吊段海底管道吹泥暴露。

（2）水下吊点位置吊带连接。

（3）按舷侧起吊计算报告进行管道起吊。

（4）法兰或管段焊接、检验及防腐。

（5）按舷侧起吊计算报告进行管道下放[1-4]。如图1所示。

图1 舷侧起吊示意

海底管道舷侧起吊本身是一项风险较高的作业，尤其是对于大尺寸双层且充满海水的海底管道，风险更高。管道尺寸和自重大，对于舷侧起吊设备（舷吊、卷扬机等）的能力要求较高，管道母材发生损伤的风险也随之增大。

本文以海底管道舷侧起吊的计算分析为理论基础，提出了针对大尺寸双层管道安全起吊行之有效的措施，可为今后类似工程作业提供借鉴。

2 大尺寸管道舷侧起吊措施

尺寸较小的海底管道舷侧起吊采用如图1所示的常规起吊方式即可，但对于大尺寸双层且充满海水的海底管道，必须增加多项辅助措施以保证起吊过程的安全。

2.1 长条形辅助起吊气囊

在海底管道舷侧起吊作业中应用长条形辅助起吊气囊（以下简称气囊，见图2）尚属首例，气囊可以为水下海底管道提供一定的浮力，减小起吊时钢丝绳的张力，保证起吊过程更加平稳安全。

图2 长条形辅助起吊气囊

气囊的尺寸及吨位与起吊海底管道的重量及需要提供的浮力有关，太小的气囊起不到辅助作用，太大的气囊又会适得其反，需要用软件对起吊作业过程进行试算，再选择合适的气囊及其尺寸。

气囊上设置若干吊点，在海上施工之前需要做负重试验，吊点的强度必须大于气囊所能提供的浮力，保证在起吊作业时吊点的安全可靠。

2.2 单点辅助提升浮袋

单点辅助提升浮袋（以下简称浮袋）是水下较为常用的提供浮力的辅助装备，见图3。潜水员在水下将浮袋与海底管道连在一起后，使用空压机通过气带给浮袋充气，为管道提供一定的浮力。

与长条形辅助起吊气囊不同的是，浮袋提供的是单点浮力，气囊提供的是长距离均布浮力。浮袋可以与气囊组合使用，共同完成大尺寸管道的起吊作业。浮袋吨位大小也要根据海底管道的数据进行初步计算后进行选择。

图3 浮袋

2.3 施工船甲板吊机辅助作业

在常规海底管道舷侧起吊作业中，选用2～3个舷吊即可（见图4）。按照计算分析报告的步骤，舷吊依次提升一定的高度，直到将海底管道提升至预定位置满足水上作业的需求。在使用海底管道计算软件进行计算分析时，可以设定每次提升的高度，来试算管道的应力及舷吊钢丝绳的受力，如果不满足要求，则需重新设定提升高度再次计算。

对于大尺寸管道，当管道自重过大或者舷吊间距过大时，使用甲板吊机进行辅助起吊，可使整个作业过程更具可控性。起吊过程中，可将吊机吨位设为固定值，随着舷吊依次提升，吊机可自动调整提升的高度以保证吊重处于相对稳定的数值。

图4 甲板吊机辅助舷侧起吊作业

对于大尺寸管道，舷吊钢丝绳的受力较大，相应的安全风险也会增加。本文创新性地提出使用甲板吊机配合舷吊完成舷侧起吊作业，可使整个作业过程更具可控性。该起管方式优势在于：

（1）甲板吊机分担部分载荷，可有效减少舷吊承受的载荷，降低作业风险。

（2）计算模拟中首先将甲板吊机钢丝绳受力设定为固定值，舷吊再依次起吊，根据计算情况适时提高吊机钢丝绳受力，即保证吊机钢丝绳在一段时间内为稳定值。在现场施工中即可避免吊机钢丝绳提升高度不便计量的问题，且这种方式更加安全可靠。

2.4 防滑卡子辅助作业

大尺寸管道舷侧起吊时由于钢丝绳受力大，为避免吊带在管壁上滑动的风险，设计了一种简易卡子，将其安装在吊带一侧。图5为国内某大尺寸管道舷侧起吊时使用的防滑卡子，主要是起到预防作用，防止吊带在管道上滑动，可为今后工程项目提供借鉴。

图5 国内某大尺寸管道舷侧起吊中使用的防滑卡子

2.5 单点提升辅助作业

海底管道舷侧起吊前管道多为埋设入泥状态，常规做法是使用挖沟机开挖管道使其完全暴露。但经常遇到因泥质等原因导致开挖暴露作业时间过长，在工程实践中可采用单点提升使管道暴露出泥面，便于下一步的吊点连接等工作，该措施在工程实践中取得较好的效果。为使该作业更安全可靠，需要进一步模拟分析以提供理论支持，这也是今后需要解决的问题，本文暂不论述。

3 辅助措施计算模拟

3.1 计算软件对比

目前可进行海底管道舷侧起吊计算分析软件主要有BCT-35、SUSPEND、OFFPIPE，三者各自特点如下。

（1）BCT-35是专门用于舷侧起吊计算的软件，界面较为简单，可提供多种管端约束类型来模拟多种不同的工况，如可进行海底管道水面对接分析。

（2）SUSPEND可进行膨胀弯吊装、平管舷侧起吊计算分析，并可进行平管及膨胀弯的整体起吊分析，这是其他两个软件所不具备的功能。

（3）OFFPIPE多用于海底管道铺设、弃置、回收的计算分析，用其进行海底管道舷侧起吊计算优势在于：其一数据输入可采用界面输入及文件输入两种方式，便于数据处理及编辑；其二模拟双层管道更准确，并可分别输出外管及内管的计算结果；其三管道起吊的步骤可设定提升值也可设定吊绳张力，使得计算分析更加灵活。

本文采用OFFPIPE软件进行模拟分析。

3.2 辅助措施模拟

以渤海某油田一条双层管道为例，其基本参数见表1。分别对上述三种辅助措施进行模拟计算，并与不施加辅助措施的工况进行对比。

3.2.1 气囊计算模拟

使用OFFPIPE软件对起吊过程进行模拟计算，对比无辅助措施和安装气囊的两种工况，分析大尺寸管道起吊过程中气囊的辅助作用。图6、图7分别为无辅助措施和安装气囊的起吊示意图。

其中舷吊D1距离管头8 m，舷吊D1与D2距离15.5 m，D2与D3距离28.3 m；考虑潮位后，计算水深为19.8 m；管中充满海水；图7比图6增加了两个10 t的长条形气囊。

表1 某油田双层管参数

图6 无辅助措施的起吊示意

图7 安装气囊的起吊示意

不同于BCT-35及SUSPEND软件，OFFPIPE可以很好地模拟双层管道，使用*BUND命令将已经定义的两个管道数据进行关联，即可完成对双层管的定义，如：

如上程序语句即完成了上述双层管结构数据的定义。

整个起吊过程分为21步，因篇幅有限，选取其中1步进行模拟比较，见表2。

表2 无辅助措施与安装气囊工况计算分析对比

由表2可以看出，使用两个10 t（100 kN）气囊之后，气囊所提供的浮力可平衡管道大部分的重量，三个舷吊的吊绳张力大大减少，因而起吊过程就更加安全可靠。但使用气囊后管道内部的应力不一定会减小，甚至有可能增加，这是由于上弯段受两个气囊提供的浮力竖向位移变大，使得下弯段产生更大的弯矩，相应的弯曲应力也就增加了。如果在整个起吊过程中，管道应力可控制在许用应力范围内，则无需增加其他措施；如果管道下弯段应力超出了许用应力范围，则应视情况在下弯段增加气囊或浮袋。

3.2.2 浮袋计算模拟

使用OFFPIPE软件分别模拟无辅助措施（见图6）和安装浮袋（见图8）的工况。

舷吊布置、基础数据等与气囊计算模拟中数据相同，浮袋可提供最大浮力为60 kN，与舷吊D3距离为20 m。

图8 安装浮袋的起吊示意

浮袋计算模拟方法与气囊相同，选取其中1步进行模拟比较，见表3。

由表3可以看出，在下弯段安装6 t（60 kN）浮袋后，舷吊D3吊绳张力及管道最大应力大幅降低。浮袋与海底管道是单点连接，在水下充气后尺寸较大，适合用于下弯段，可有效减少下弯段管道的应力，避免由于下弯段悬跨过长造成应力损伤。

表3 无辅助措施与安装浮袋计算分析对比

3.2.3 甲板吊机辅助计算模拟

使用OFFPIPE软件分别模拟无辅助措施（见图6）和使用甲板吊机（见图9）的两种工况。舷吊布置、基础数据等信息与气囊计算模拟数据相同；海底管道在舷吊2、舷吊3中间位置与甲板吊机连接。

图9 甲板吊机辅助起吊示意

甲板吊机计算模拟方法与气囊相同，选取其中1步进行模拟比较，见表4。

表4 无辅助措施与使用甲板吊机辅助计算分析对比

由表4可以看出，使用甲板吊机进行辅助起吊，有效减小了临近舷吊的受力，且甲板吊机可以持续监视起吊的重量，使起吊作业安全更加有保障。

4 辅助措施效果对比

大尺寸、双层且充满水的海底管道的舷侧起吊作业是一项风险非常高的工程，采用一定的辅助措施可以使整个作业过程更加安全、可控。本文提到的辅助措施中，单点辅助提升浮袋方法使用最为频繁，即使在非大尺寸管道舷侧起吊项目中也较为常用。但浮袋多用在管道下弯段，防止由于舷侧起吊过程中下弯段悬跨过长造成管内应力过大。当管道尺寸较大时，就必须考虑配合使用长条形辅助起吊气囊或甲板吊机辅助措施。使用长条形辅助起吊气囊和使用甲板吊机辅助起吊可以起到相同的作用，但两者也有区别：

（1）长条形辅助起吊气囊辅助提升力分布比较均匀，管道本身的受力比较均衡，可以避免由于应力集中造成的管道损伤。这是使用甲板吊机辅助作业所不具备的优势。

（2）使用长条形辅助起吊气囊时，在管道起吊接近水面或出水后，可能会出现气囊露出水面浮力减小或失去浮力的情况，此时对管道的辅助作用就减弱了。而使用甲板吊机辅助作业就不会产生这种问题。

综上所述，在大尺寸海底管道舷侧起吊作业前，建议使用海底管道计算软件对几种辅助措施进行模拟分析，从而选择最合理的辅助措施组合方式。

[1]焦冬梅，高峰，杜永军，等.双层海底管道起吊分析方法研究[J].管道技术与设备，2013，39（3）：4-5.

[2]高原，焦冬梅，桂津.大管径海管水面对接技术[J].中国造船，2008，49（S2）：569-574.

[3]DNV-OS-F101，Submarine Pipeline Systems[S].

[4]魏中格，齐雅茹，刘鸿升，等.海底管道维修技术[J].石油工程建设，2002，28（4）：30-32.

Davit L ifting Auxiliary Methods for L arge Size Submarine Pipe-in-pipe Pipeline

Liang Guanghui，Cheng Erhui
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

Davit lifting at shipboard is commonly used in the process of submarine pipeline laying or maintenance.The operation risk is very high，especially for large size submarine pipe-in-pipe pipeline.Effective auxiliary methods must be taken，and detailed calculation and analysis of lifting process are needed to ensure the safety of lifting.This paper puts forward five methods to assist davit lifting of large size submarine pipeline，including elongated auxiliary lifting airbag，single point lifting airbag，derrick crane on the barge，antiskid clamp and single point lifting.Calculation analysis and comparison are done for the first three methods in this paper.The results show that these measures can assist davit lifting effectively.The single point lifting airbag can prevent too high stress occurred at the sagging part of the pipeline.The elongated auxiliary lifting airbag and derrick crane on the barge can effectively reduce the davit loads，so as to make the whole lifting process safe and controllable.

pipe-in-pipe submarine pipeline；davit lift；auxiliary measure；air bag

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.005

梁光辉（1983-），男，江苏徐州人，工程师，2007年毕业于天津大学船舶与海洋结构物设计制造专业，硕士，现从事海底管道检测维修工作。

2014-05-08