基于跨越保护架的海管交叉跨越技术

, , ,

(1.中海油能源发展湛江采油服务文昌分公司，广东 湛江 5240572.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057)

基于跨越保护架的海管交叉跨越技术

汪建明1,周声结2,李天斌2,金德献1

(1.中海油能源发展湛江采油服务文昌分公司，广东 湛江 5240572.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057)

设计一种用于新铺海底管道与现有海底管道发生交叉时的海管交叉跨越保护架，保护架采用截面形状为Ω形的钢制结构，根据海底土壤的承载力和抵抗海流和渔网的在位稳定性要求，保护架两侧设置防沉板。该海管交叉跨越保护架在LBL水下定位系统和ROV协助下可实现一次性吊装安放，与常规海底管道跨越处理方法相比具有安全、高效的优点，可推广应用于深水开发工程中。

海管跨越；保护架；水下定位技术；深水开发

随着海洋油气田进一步开发，海上石油平台越来越多，随之而来的是海底管道纵横交错。2条海管交叉跨越时新铺海管会对原有海管产生额外压力，同时新铺海管也会发生悬跨，海管在悬跨段很容易发生弯曲变形[1-2]，这给海上油气输送管道带来了极大的安全隐患，为了保障海洋油气输送管道的安全运行[3]，根据规范要求[4]，新铺设的海底管道与原有海底管道发生交叉跨越时需要对原有管道进行保护处理。崖城13-4气田开发工程项目中新铺设的一条直径8 in、总长22.5 km的复合海底管道将与崖城13-1气田至南山终端的海底管道产生一个交叉点。为了保护崖城13-1气田的海底管道，针对常规海底管道跨越处理方法存在的施工风险高、施工工作量大等缺陷[5]，设计新型海底管道跨越保护架。

1 常规海管交叉跨越处理方法

目前，常规海底管道跨越处理方法是沿着原有管道轴线方向在其上方铺放混凝土压块或安放混凝土支墩，在混凝土压块或支墩2侧填充沙袋，以使混凝土支墩顶部与海床之间形成缓坡过度。基础处理完毕后，在其上方铺设新管道，由此实现对原有管道的保护。见图1[6-7]。

图1 常规海管跨越处理方法示意

常规海底管道跨越处理方法存在许多问题，譬如，由于混凝土压块的重力会通过土壤传递到原有管道上，特别是对于裸露的管道，混凝土压块的重力会直接作用在管道上，对原管道造成风险。对于不停产施工的油气田，施工控制不当还将会引起管道泄漏或爆炸等严重后果[8]。

同时，由于新铺管道的实际路由与设计路由存在一定的偏差，使得实际跨越点不确定，然而跨越点的基础处理必须在新铺管道铺设开始前完成，为了确保新铺管道落在已经处理好的基础上，基础处理的范围必须扩大。尤其在深水海管铺设时新铺管道的路由偏差更大，基础处理的范围也更大。另外，由于海底土壤性质并不完全一致，可能会出现单个水泥支墩的沉降量的情况，将造成新铺设管道悬跨等技术问题。

此外，采用常规方法进行海底管道交叉跨越处理保护时由于每块混凝土压块或支墩都需要单独吊装，从而导致水泥垫墩较多，预制、运输量大，水下垫墩就位次数多，就位难度大，增加海上工作量及施工风险，使得海上作业成本高[9]。

2 海管交叉跨越保护架

2.1 结构设计方案

新设计和研制的左右对称的全新钢结构，新型海底管道交叉跨越保护架的具体结构如图2所示。

图2 海管跨越保护架结构示意

2根顶部圆管位于原有管道的正上方左右2侧，与新铺海管接触位置包裹一层橡胶垫。顶部通过顶部支撑相连，顶部支撑为圆管构件。2根底部内侧圆管分别位于2根顶部圆管的斜下方，并分别通过斜坡支撑相连，斜坡坡度以20°～ 30°为宜，斜坡支撑为圆管构件。底部外侧圆管与新铺管道接触区域包裹一层橡胶垫。底部外侧圆管与底部内侧圆管的底面标高齐平，通过底部支撑相连。底部支撑为工字钢，在其底部设置防沉板。防沉板宽度由计算确定，以满足防沉要求，同时保证新铺管道自然下垂落在底部外侧圆管之上，其宽度一般不小于1.5 m。顶部圆管上方安装限位扣，其位置由新铺管道的实际位置确定，故限位扣为后安装。为满足后安装的要求，限位扣通过管卡固定。顶部圆管、底部内侧圆管和底部外侧圆管两端均设置封板。

2.2 结构校核

为了保证海底管道交叉跨越保护装置满足安装、使用要求，参照《Recommended Practices of Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design 》 (API RP 2A)，根据工程地质调查得到的土壤参数、跨越保护装置在位工况下所受的波流力数据，进行结构分析与强度校核，主要有土壤承载力计算、土壤抗滑移计算、整体强度校核等[10-11]。

2.2.1 土壤承载力校核

根据API RP 2A规范，基础所能承受的竖向最大总载荷为

Q=(cNcKc+γD)A′

(1)

式中：Q为基础破坏时的最大竖向载荷，kN；c为土壤剪切强度，kPa；Nc为无因次常数,摩擦角度φ=0°时Nc=5.14；γ为土壤容重，kN/m3；

D为基础埋深，m;A′为基础有效面积，m2；Kc为修正系数。

对于给定的破坏模式承载破坏安全系数FOSb=2.0，经计算，实际土壤承载力安全系数fs=6.68>FOSb，满足规范要求。

2.2.2 土壤滑移能力校核

抗滑移稳定性，根据公式

H=cA

(2)

式中：H为水平破坏载荷，kN；c为土壤抗剪切强度，kPa；A为基础有效面积，m2。

对于给定的破坏模式滑动破坏安全系数FOSs=1.5，经计算，实际水平方向抗滑移安全系数fs′=2.79>FOSs，满足规范要求。

2.2.3 整体强度校核

对跨越保护架的吊装工况和在位时受波流冲击工况依据DNV OS F101规范，选用海洋工程设计通用软件SACS校核结构杆件强度，计算结果显示所有杆件UC(unity check)最大值为0.68<1.0，满足强度要求。

3 海上施工技术

利用海管跨越保护架进行海管跨越处理海上施工主要包括以下内容。

1)海管跨越保护架在交叉跨越点的海上安装。

2)采用精确水下定位系统引导新铺海底管道准确通过新型海底管道跨越保护架。

3.1 海管跨越保护架的海上安装

为了保证海管跨越保护架在设计交叉点上的精确就位，采用长基线(long base line，LBL)高精度水下定位技术以确保海管跨越保护架和定位锚的精确就位。LBL定位系统的硬件结构包括导航控制单元、海底基阵、问答传感器和应答器等。导航控制单元控制信号的传输并实时对接收到的信息进行处理，海底基阵需预先布置在海底，是坐标推算的基点，问答传感器发送控制单元的命令并接收信息的反馈，应答器对问答传感器发送的命令作出响应[12]。

海管跨越保护架具体海上施工作业流程如下。

1)LBL水下定位系统信标布阵。将水下定位系统LBL信标阵列布设在海底管道交叉处设计位置周围。如图3所示，崖城13-4气田开发工程项目在海底管道交叉位置周围布设5个LBL信标，并确定每个智能信标能正常工作，对LBL水下定位系统调试、校准。

图3 崖城13-4气田开发工程项目海管交叉处信标布阵示意

2)工程船抛锚并对锚位进行监控。由抛锚定位系统的引导下将定位锚准确布设在交叉点周围，由水下机器人(ROV)将LBL信标安装在原海底管道2侧、离海底管道最近4个锚上，通过LBL水下定位系统实时监测锚的准确位置，防止因走锚而损坏原有海底管道。

3)海管跨越保护架的水下安装。如图4所示，在海管跨越保护架下水前须在其2端对称位置安装2个LBL信标，吊装过程中比较2个信标的位置可以检测保护架跟踪位置的准确性，并确保保护架的艏向与原有海底管道方向一致。通过LBL水下定位系统实时监测海管跨越保护架是否与设计位置偏离，当海管跨越保护架下放至距离海底上方3 m时，对海管跨越保护架方向和位置进行仔细检查，并由ROV对其进行微调，缓慢下放，确保海管跨越保护架准确安放在设计位置。

图4 LBL信标在海管跨越保护架上的安装位置

3.2 利用水下定位系统引导新铺海管通过海管跨越保护架

海管跨越保护架解决了新铺海底管道与原有海底管道产生的交叉跨越难题，且在铺管作业开始前已完成海管跨越保护架的安装。当海底管道铺设至跨越交叉点时，操作ROV使其位于海底管道着泥点以监测管道跨越就位情况，保证复合海底管道铺设作业顺利经过海底管道跨越保护装置中心位置，准确跨越交叉点。铺管船在交叉跨越点铺设海底管道时的施工流程如下。

1)调查新铺设管道位置。由于海底管道的实际路由与设计路由总是存在一定的误差，为了确保新铺管道安全就位于交叉处的海底管道保护架，当管道离交叉点2 km时，ROV将携带LBL信标沿着新铺管道着泥点向管道起始点方向，调查一段长500 m的管道实际位置，然后与设计路由进行对比并制定调整方案。

2)原有交叉跨越点位置LBL基阵和保护架检查。LBL支持船对已有的海管交叉跨越位置LBL阵列进行检查，确保基阵信标没有移动且工作正常，同时检查海管跨越保护架2个信标的定位位置。通过2信标位置与安装时的位置进行比较，以确保整个LBL系统处于精确测量状态。

3)新铺设管线跨越交叉点。在铺管船至海底管道交叉点约600 m处时，在新铺海管上安装1个LBL信标(编号1#)，当该LBL信标稳定在着泥点后，ROV下水剪断固定信标的缆绳使LBL信标浮起，然后与周围的LBL信标阵列进行相互通信，确保LBL阵列处在正常工作状态，同时测量1#LBL信标以获得准确的位置，并与管线设计路由进行比较。

管线继续向交叉点铺设，ROV携带LBL信标监控海管铺设，并获得准确的已铺管线位置，然后根据已铺管线实测位置，推算管线压到保护架的位置。如果推算的位置在保护架的安全范围内，则管线铺设按照原有的设计路由和方向进行铺设；如果计算出的位置不在保护架的安全范围内，则需要进行相应的调整。

当铺管船至交叉点大约200 m处时，再在新铺海管上安装1个LBL信标(编号2#)，海管铺设过程中，实时监控该2#LBL信标位置，确保新铺管线准确、安全安装在保护架上，从而确保已有管线的安全。同时ROV下水对海管着泥状态、海管压过海管跨越保护架的状态进行全程监控和录像。

4)新铺管线过交叉处作业结束。当海管交叉点上新铺设与原有海管的状态得到确认后，ROV下水锁定设置于海管跨越保护架顶部的限位扣，实现对新铺海管的限位。采用LBL信标释放系统自动回收信标。至此，新铺管线通过海底管线交叉跨越保护装置的作业结束。

4 结论

1)海管跨越保护架可实现一次吊装安放，采用LBL水下定位系统准确定位安装， ROV解钩，从而减少了水下作业工作量，降低作业风险，同时也有效降低了作业成本；

2)该海管跨越保护架与原有管道之间不直接接触，因此，该装置和新铺管道的重力不会传递到原有管道上，使原有管道得到最大程度的保护，降低了风险。

3)采用精确水下定位系统引导新铺海底管道准确通过新型海底管道跨越保护架，成功解决了深水海底管道跨越保护水下工作量大，作业风险高的难题。

[1] 姚平，范奉鑫，李中阳,等.东方气田海管悬跨段安全评估分析[J].海洋科学，2011(8): 58-62.

[2] 杨新华，郭海燕，娄敏,等.考虑阻尼海底悬跨段管道的动力特性及允许悬空长度[J]．海洋工程，2005(1):1-5．

[3] 李磊，张兆德.海底管线悬空振动的研究现状[J]．中国造船，2010(191) :13-17．

[4] DET NORSKE VERITAS. Submarine Pipeline Systems: DNV-OS-F101[S]. October 2013.

[5] 柯吕雄.崖城13-4气田开发工程技术创新与实践[M].东营：中国石油大学出版社，2012.

[6] 安振武，穆顷，张洪才.海底管道悬跨段振动特性及允许悬空长度研究[J].船海工程，2016，45(1)：137-141.

[7] 康 庄，李平，宋儒鑫,等.大坡度海底管道悬跨及疲劳分析[J].船海工程，2015，44(6)：96-100.

[8] 戚蒿，陈大江，汪建明.一种免海水进入的柔性软管高效铺设技术[J].船海工程，2016，45(5)：99-102.

[9] 倪玲英，刘秉德，詹燕民等.海底双层保温管的悬空数值模拟[J].船海工程，2014，43(6)：154-157.

[10] 赵奉天.双层海底管道跨越设计的垂向屈曲研究[J].中国海上油气，2013(3)：197-201.

[11] 罗延生，方华灿.综合模糊评判模型在选择海床土壤特性参数的应用[J].中国海上油气(工程)，1999(3)：40-43.

[12] 庞雷.高精度水下定位系统[D].西安：西北工业大学，2007.

Design and Installation Technology for Cross Over Existing Pipeline Base on Cross Over Protector

WANGJian-ming1,ZHOUSheng-jie2,LITian-bin2,JINDe-xian1

(1.OPSC Wenchang Branch, CNOOC Energy Technology & Services Company, Zhanjiang Guangdong 524057, China;2.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd., Zhanjiang Guangdong 524057, China)

A new cross over protector was designed to be used by new pipeline cross over an existing pipeline. The cross over protector is the steel structure with Ω type of cross-sectional. The mud-mats at both sides along the protector was designed considering soil bearing capacity and on-bottom stability against current and fishing nets. The underwater installation of the cross over protector was achieved by one time lifting in the LBL underwater positioning system and ROV’s assistance. The application of a steel structural cross over protector in the case of a new pipeline to be laid crossing over an existing pipeline will be a safe and efficient method with respect to the conventional method. This method can be fully applied to deepwater development projects.

pipeline cross over; protector; underwater positioning technology; deepwater development

P756.2

A

1671-7953(2017)05-0022-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.007

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

汪建明(1983—)，男，硕士，工程师

研究方向：海洋石油工程管理