海底悬空管缆抛砂回填装置及其定向抛填精度分析

孙宁松，史永晋

（1.中石化集团公司胜利油田分公司工程建设管理处，山东东营257000；2.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257000）

海底管缆是浅海油田开发的重要设施。但由于海洋环境较为复杂，大量海底管缆底部出现悬空现象，这可能会引发管缆横向失稳、涡激振动，从而导致管缆薄弱处断裂和疲劳破坏［1-4］。现场资料显示，临海油气管缆悬空现象普遍，悬空长度为3～40 m，严重时甚至达到60～70 m，悬空高度为0.5～3.0 m［5-7］。针对海底管缆存在的安全隐患，抛砂掩埋是目前最成熟可靠的解决方法［8-11］。国内一般采用人工抛砂或履带散砂抛投方式来掩埋海底管缆的悬空区域，其中人工抛砂是最常用的方式。但是，海底管缆裸露段较多，抛砂工作量巨大，使用传统人工抛砂方式需要投入大量施工成本，且抛砂位置不准确和砂袋在海水中的下沉轨迹不易控制，导致抛砂量和抛砂效果不可控，此外还存在人员安全隐患问题［12-15］。国外通常采用专用的特种船舶及设备进行抛砂，其自动化程度较高，可利用动力定位和轨迹控制技术实现砂袋的定点定量投放，且能够实时显示海底的抛砂情况，但设备的造价较高。因此，有必要自主研制可实现定点抛砂且抛砂轨迹可控的高效率抛砂设备。针对人工抛砂方式存在的问题，笔者研制了一种具有定位定向功能的新型抛砂回填装置，根据管缆方位，依靠伸缩投放机构实现砂袋的抛投定位与轨迹控制。同时，利用有限元分析方法计算新型抛砂回填装置关键零部件的强度，并通过陆上和海上定向抛投试验来验证该装置的可行性。

1 抛砂回填装置设计

抛砂回填装置主要由固定基座、输送机构、链轮链条机构、伸缩投放机构（由支耳、伸缩臂、牵引座和底座等组成）、绞车固定支架和液压动力单元等组成，如图1所示。抛砂回填装置固定安装在船舷侧，其工作原理为：液压动力单元为链轮链条机构提供动力，以推动伸缩投放机构在固定基座上横向移动，同时利用输送机构将砂袋输送至伸缩投放机构的投放口，伸缩投放机构利用其伸缩臂将砂袋抛投至海底管缆悬空处。抛砂回填装置利用伸缩投放机构可伸缩至海底管缆悬空区域的功能实现了抛砂位置的精确定位，利用伸缩投放机构的框架式结构实现了抛砂轨迹可控。抛砂回填装置的伸出状态如图2所示，其主要性能参数如表1所示。

图1 抛砂回填装置结构组成Fig.1 Structure composition of sand throwing backfill device

图2 抛砂回填装置伸出状态示意图Fig.2 Extended state diagram of sand throwing backfill device

2 抛砂回填装置关键零部件的强度校核

表1 抛砂回填装置主要性能参数Table 1 Main performance parameters of sand throwing backfill device

2.1 伸缩投放机构水力建模与计算

抛砂回填装置伸缩投放机构伸至海底时，其伸缩臂下方受到水流力的作用，为给后续强度校核时提供依据，利用有限元软件ANSYS对伸缩投放机构的应力进行分析计算。将伸缩投放机构简化为圆管并建立圆管模型，取圆管直径为1.1 m，管壁厚度为8 mm，长度为17 m，其中水面以下的长度为12.36 m，总质量为2 t。选取作业水深为15 m，水流流速为1.025 m/s。利用莫里逊（Morison）公式计算单位长度圆管所受的波浪力。莫里逊公式的一般形式为：

其中：

式中：F为单位长度圆管在垂直于长度方向上所受的波浪力，kN/m；FD为波浪的曳力，kN/m；FI为单位圆管的惯性力，kN/m；ρω为海水密度，kg/m3；A为单位长度圆管在垂直于长度方向上的投影面积，m2；CD为曳力系数，CD=1.2；CA为附连质量系数；CM为惯性力系数，CM=CA+1，取CM=2.0；V为单位长度圆管的体积，m3；u为垂直于圆管长度方向上海水质点的速度分量，当海流与波浪联合作用时，u为波浪速度矢量与海流速度矢量之和在垂直于圆管长度方向上的分量，m/s；u̇为垂直于圆管长度方向上海水质点的加速度分量，m/s2；ẋ为垂直于圆管长度方向上圆管的速度分量，m/s；ẍ为垂直于圆管长度方向上圆管的加速度分量，m/s2。

在有限元分析时，不考虑伸缩投放机构中立柱间的群桩效应。根据新型抛砂回填装置的尺寸、作业水深以及环境条件，采用斯托克斯五阶波波浪理论来计算波浪的速度和加速度。海水表层流速为1.23 m/s，方向与波浪传播方向相同，沿水深方向均匀分布，其流载荷作用中心在物体投影面积的形心。将波浪速度与海流速度叠加后作为计算速度。

利用PIPE59单元来模拟近似为圆管结构的伸缩投放机构。以水平面为坐标原点，在伸缩臂距离水面3 m处施加约束，对伸缩投放机构施加自身重力和海流力，通过计算得到其应力分布（伸缩臂与水面垂直），如图3所示。

图3 伸缩投放机构的应力分布Fig.3 Stress distribution of telescopic release mechanism

提取伸缩投放机构约束点的支反力，如表2所示。在计算伸缩投放机构关键零部件的强度时，将与支反力大小相同、方向相反的约束力施加到各零部件上。

表2 伸缩投放机构约束点的支反力Table 2 Reaction force at the constraint point of telescopic release mechanism 单位：kN

2.2 支耳强度校核

支耳是伸缩投放机构的组成零件之一，共2组。2组支耳的间距为0.9 m，每组有2个支耳，单个支耳的高度为120 mm，厚度为30 mm，支耳上下均焊接15 mm厚的钢板，钢板与背面牵引座和两端牵引座均焊接，以加强钢板的强度。伸缩投放机构中支耳的结构如图4所示。

图4 支耳结构示意图Fig.4 Structure diagram of supported ear

建立单个支耳的有限元模型，并采用SHELL63单元进行模拟，在支耳背面的钢板上施加与支反力FX、FZ大小相同、方向相反的约束力。通过分析得到支耳的应力分布，如图5所示。

江苏是一个经济大省，又是一个水利大省。江苏的经济社会现代化发展，不仅需要水利提供更高标准的防洪安全保障，还需要提高水资源和水生态环境的基础支撑，以水利的现代化支撑和保障经济社会的现代化发展。

2.3 伸缩臂强度校核

伸缩臂由角钢和钢板焊接构成，共有3节，截面尺寸逐节减小；总长度为17 m，通过支耳与牵引座连接。其中，角钢和钢板的型号为80型，厚度为12 mm。选用BEAM188单元模拟角钢，SHELL63单元模拟钢板。将三节臂简化为一个整体，在伸缩臂上部连接处施加与支反力大小相同、方向相反的约束力，通过分析得到伸缩臂的应力分布，如图6所示。

图6 伸缩臂应力分布Fig.6 Stress distribution of telescopic boom

伸缩臂的材质为Q235。经分析计算可知，伸缩臂的最大应力出现在靠近连接点的角钢处，为179.8 MPa，小于许用应力188 MPa，满足强度要求。

2.4 牵引座强度校核

牵引座由工字钢、槽钢和方管构成，其中槽钢的型号为16a。选用BEAM188单元模拟工字钢和槽钢，其截面特征尺寸如图7所示。选取牵引座下方受力部分进行建模分析，在两边的槽钢上施加与支反力大小相同、方向相反的约束力，通过分析得到牵引座的应力分布，如图8所示。

图7 工字钢的截面特征尺寸Fig.7 Characteristic size of section of I-beam

图8 牵引座的应力分布Fig.8 Stress distribution of traction seat

牵引座的材质为Q235。经分析计算可知，牵引座的最大应力出现在工字钢的上斜撑焊接处，为97.5 MPa，小于许用应力188 MPa，满足强度要求。

2.5 底座强度校核

底座的总长度为9.408 m，宽度为1.905 m，由工字钢、方管和钢板构成，其中工字钢的型号为20a。底座前部挡头处焊接钢板的厚度为30 mm。选用BEAM188单元模拟工字钢和方管，SHELL63单元模拟钢板，在位于底座下方的工字钢上施加固定约束，并在底座上方工字钢上施加与支反力F大小相同、方向相反的支反力。当伸缩臂与船体成15°时，水平方向的支反力FY=FZ·tan 15°=8.576 kN，将与FY大小相同、方向相反的约束力施加到底座前部的挡头工字钢上。通过分析得到底座的应力分布，如图9所示。

图9 底座的应力分布Fig.9 Stress distribution of base

底座的材质为Q235。经计算分析，底座的最大应力出现在钢板与工字钢的焊接处，为134.6 MPa，小于许用应力188 MPa，满足强度要求。

3 抛砂回填装置现场试验

3.1 陆上定向抛投试验

在抛砂回填装置应用前，需先在陆上码头对其伸缩、抛投等功能进行测试。抛砂回填装置实物图如图10所示。首先，启动抛砂回填装置的电动机和油泵，空转5～10 min。液压油从油泵出油口泵出后经过多路换向阀流回油箱，操作多路换向阀左1手柄（行走马达），伸缩投放机构伸缩臂向前伸出，当其伸缩至工作位置后，将换向阀手柄调至中位，液压驱动下伸缩臂的水平伸出状态如图11（a）所示。操作多路换向阀左4手柄，伸缩臂向下旋转，当伸缩臂旋转至与垂直平面夹角约为30°时，将换向阀手柄调至中位，根据作业深度要求调整伸缩臂长度，同时操作多路换向阀左2、左3手柄，伸缩臂向下伸出，当伸缩臂外端面与海底管线距离为1.5～2 m时，将换向阀手柄调至中位，伸缩臂下放状态如图11（b）所示。在测试完成后回收装置，如图11（c）所示。陆上定向抛投试验结果表明，抛砂回填装置的伸缩、定向抛投功能正常，可以进行海上定向抛投试验。

图10 抛砂回填装置实物图Fig.10 Physical map of sand throwing backfill device

图11 抛砂回填装置陆上定向抛投试验现场Fig.11 On-land directional throwing test site of sand throwing backfill device

3.2 海上定向抛投试验

将研制的抛砂回填装置应用于埕岛中心一号生产平台CB11A—CB11B段海底输油管线（约为557 m）悬空治理工程，其中CB11A平台抛砂防护区域管缆长度为97 m，CB11B平台抛砂防护区域管缆长度为85 m，中间段采取挖沟防护。通过水下探摸调查和多波束水深测量发现，管线冲刷坑高度差为0.13～0.51 m。该治理区域要求抛填精度为±1.5 m。

抛砂回填装置海上下放现场如图12所示。基于全景声呐浑浊水悬空位置成像技术［16-17］，结合实时监测系统，确定抛砂回填装置伸缩臂的下放位置和下放深度。在海上定向抛投试验中，抛砂回填装置的操作步骤与陆上相同。图13为扫描得到的局部海底管缆附近的砂袋覆盖情况。由图可知砂袋堆积在管道周围，覆盖区域的砂袋分布均匀，达到预期效果，说明该抛砂回填装置的抛砂效果较好。

图12 抛砂回填装置海上下放现场Fig.12 Lowering site of sand throwing backfill device on the sea

图13 局部海底管缆附近砂袋覆盖情况Fig.13 Sandbag coverage near local submarine pipelines and cables

3.3 抛砂效果综合分析

抛填完成后，运用侧扫声纳和多波束测深仪等设备对抛砂回填装置的抛砂效果进行检测，结果如图14所示。抛砂回填速率为108 m3/h时抛砂作业统计数据如表3所示。结果表明，抛砂回填装置的抛砂效果完全符合管线防护要求，抛填精度达到±1.2 m，实现了定位抛砂且抛砂轨迹可控，既提高了抛砂效率又降低了施工成本［18］。经分析发现，影响抛砂回填装置抛填精度的因素主要为移动船位置，伸缩臂下放位置、下放深度以及海流的速度和方向。与人工抛砂方式相比，抛砂回填装置利用实时监测系统进行砂袋抛投位置定位，且其在伸缩投放机构框架内的运动轨迹可控，仅在离开伸缩臂后的1.5～2 m内于流动的海水中下落，因此其抛填精度较高。

图15为人工抛砂方式和本文抛砂回填装置的抛砂效果对比。与人工抛砂方式相比，抛砂回填装置的每船最大日抛砂量为600 m3以上，抛砂效率提高了200%；每船只需配备6名工人，人员数量减少了70%；完成CB11A—CB11B段输油管线悬空治理工程仅需9 d，施工周期缩短了70%，人工、船舶成本为32万元，降低了53%。

图14 不同平台处抛砂回填装置的抛砂效果Fig.14 Sand throwing effect of sand throwing backfill devices at different platforms

表3 抛砂回填装置抛砂作业数据统计表Table 3 Statistics table of sand throwing operation data of sand throwing backfill device

4 结论

本文针对传统人工抛砂和履带散砂抛投方式存在的问题，研制了一种新型抛砂回填装置，利用有限元软件对其关键零部件进行了强度校核并开展了现场试验，具体结论如下：

1）新型抛砂回填装置由固定基座、输送机构、链轮链条机构、伸缩投放机构、绞车固定支架和液压动力单元等组成。新型抛砂回填装置利用伸缩投放机构伸缩至海底管缆悬空区域的功能实现了抛砂位置的精确定位，利用伸缩投放机构的框架式结构实现了抛砂轨迹可控，既提高了抛砂效率又降低了施工成本；

图15 人工抛砂方式与抛砂回填装置的抛砂效果对比Fig.15 Comparison of sand throwing effect between artificial sand throwing method and sand throwing backfill device

2）新型抛砂回填装置的关键零部件——支耳、伸缩臂、牵引座和底座的最大应力均小于材料的许用应力，满足强度要求。

3）新型抛砂回填装置现场试验结果表明，其抛砂效果完全符合管线防护要求，抛填精度达到±1.2 m，能够解决目前海上油田悬空治理工程所面临的难题，大大提高了工作效率，且保证了施工的安全性。