海底管道的交越防护措施研究

高嵩，钱玲玲，杨芬，席樱瑞, 王佳

（海洋石油工程股份有限公司，天津塘沽 300452)

1 引言

近年来，随着国家对海洋油气资源开发力度的加大，海底油气管道及电（光）缆的路由布置越趋错综复杂。因海域空间受限及整体规划需求等，管缆相互之间出现交叉跨越的情况越来越普遍。由于海底管缆在运营期间会产生热传导、多向移位及电磁干扰，因此对于交叉位置，若无任何保护方式的交叉处理，将对管缆的长期安全运营造成严重威胁。

目前，处理海底管缆交叉点的防护方法有多种选择，常见的混凝土压块处理方法尤为普遍，该方法是将压块直接覆盖在被跨管缆的上方，具有施工成本低、操作流程简单、适用范围广等特点[1-2]。然而，受交叉管缆的结构属性、拟建海管的埋设保护设计及被跨管缆的所处状态等因素的影响，混凝土压块处理交叉可能不是最优的选择。如对于海床冲刷区域，普通的混凝土压块可能加剧海床的冲刷，从而对管缆增加过大的额外载荷。因此，针对海底管缆的交越处理方式，应结合项目特点、环境条件及工程经济性等进行合理选择。

本文主要介绍了海底管缆的跨越常规设计要求，以及当前海洋工程行业常用的交叉点处理方法，同时还详细介绍了这些处理措施的构造属性及优缺点，明确了选择方案应考虑的因素，施工过程的技术难点，可为今后类似工程项目提供参考依据。

2 海管跨越设计

2.0 跨越形式

应根据拟建海管与被跨管缆的位置关系，正确选择交叉跨越的保护形式，如对不埋设管缆，可采用支墩或压块覆盖[3]。确定跨越形式后，可以根据工程实际情况，合理选择交越点处的管缆保护措施。

2.1 交越角度

根据工程经验，通常设置为不小于30度。当交叉角度较小，除了需要重点提高拟建海管的铺设公差外，还需要扩大交越点的管缆防护范围，确保拟建海管与被跨管缆保证永久的安全间距。

2.2 交叉位置

关于拟建海管与被跨管缆的跨越点，应尽量选择在直线路由段进行交叉。这是因为控制海管弧线路由的铺设精度具有较大难度，且不利于交叉防护的水下操作。

2.3 安全间距

相互交越的管缆之间应设置永久性的隔离，这主要是为了避免两者在运营期间产生相互干扰。按照DNV -OS-F101的通用规定，两者在跨越位置的最小安全间距不应小于0.3m。

3 海管跨越防护方式

3.1 压块垫防护法

压块垫防护法，指在已建海底管(缆)上方直接放置垫状压块的交叉点处理方法，这是工程上当前最常用的一种处理方式。如图 1所示，它由离散型小石块通过绳索连接在一起，从而形成垫状结构物。小石块的厚度通常为0.3m，这不仅保证了管缆之间的安全间距，而且对被覆盖的管缆不会施加过大的负载。

图1 常用的压块跨越处理

目前，常用的压块垫普遍为连锁排结构形式。按照材质进行分类，压块垫可分为混凝土压块垫（普通型和改进型），沥青填充压块垫，石头和砂沥青混合填充压块垫。

（1）混凝土压块垫是用在海管跨越防护中的一种典型产品，它具有一定的柔软性，放置在管道/脐带缆的上方后，能够与海管缆及海床较好地贴合在一起。它由高强度混凝土异形块和防紫外线的聚丙烯绳组成。此种离散模式的结构减少了开路效应，可以为管道提供力学保护且能够保证其侧向稳定性。该产品的制作及施工成本较低，但容易引起海床的冲刷，而且防渔网的拖拽性能差。常用到的几何尺寸为6m(长)x 3m(宽)，如图2所示。

图2 普通型混凝土压块垫

（2）一种改进型的混凝土压块垫，其结构外型更加圆滑，利于洋流的流动。因此，除了实现管道的稳定性及力学保护外，还可以防止海床冲刷。另外，该产品还可以布置在处于沟槽/非沟槽管道弯曲的交叉处。其标准几何尺寸可达10m(长)x 3m(宽)，见图3。

图3 改进型混凝土压块垫

（3）沥青填充压块垫是由一种结实耐用的帆布包膜组成，其内部填充了密实的加强型沥青胶粘剂，主要目的是为了提高自身的结构强度，见图4。在低温条件下，沥青呈固态，但也能保持一定的高度柔软性，应对不断变化的海床条件，非常适合用作管道的支撑，稳定性和外保护需求。由于该产品可以解决海床冲刷问题，因此针对有海床冲刷的海管跨越的防护处理可以优先选择。标准几何尺寸可达10m(长)X 3m(宽)。

图4 沥青填充压块垫

（4）石头和砂沥青混合填充压块垫其外部由土工布包裹，内部填充石头和砂沥青胶泥，并且采用钢丝编织网加固，见图5。填石有棱形、圆形。该垫块可长期暴露于在海水中，结构仍然牢固。内部的砂沥青胶泥由沥青、石灰石(或水泥)、适当级配的砂和特殊添加剂混合而成。如需考虑防锚坠落保护，可在内部增加加强钢筋网。标准的几何尺寸为6.0m(长) x 2.35m(宽)。

图5 混合填充压块垫

3.2 桥梁结构（支墩）法

常见的桥梁结构为马鞍型，如图6所示，该结构为混凝土支墩，适用与小口径海管，且受跨越角度误差的限制，一般适用海底电缆的交跨越。其结构形式比较简单，弧线桥面比较适合海底电（光）缆的跨越。Pi型桥梁结构的适用范围较广，可采用钢结构形式，但需要增加磨损层及水下阳极等。

图6 马鞍型混凝土支墩

一种新型的钢结构支墩，其顶部及泥面处的两侧管件与拟建海管的接触区域设置有橡胶垫，除了防止磨损管道涂层外，还可以增大相互摩擦力，保证海管的侧向稳定性。另外，该装置的顶部设置有限位扣以以对拟建管线进行限位[4]。该装置的结构形式比较简单，尺寸不大，但对水下安装的精度要求比较高，如图7所示。

图7 马鞍型钢结构支墩

3.3 枕木型支墩法

枕木型支墩也称sleeper，通常安装在海管跨越点两侧，根据设计需要，可以放置单个或多个。拟建海管从其上方铺设通过，其结构形式可分为钢筋混凝土及钢制结构。由于该结构的尺寸及重量较大，设计时需要综合水文环境、海床地质与地形条件，以及管道的结构属性等方面的特殊要求。为了避免海管受波流作用及整体屈曲的影响后发生水平偏移及滑落至海床，通常会在顶端面设置限制支架。另外，为了防止拟建海管滑动过程中磨损涂层外，一般要求在接触面上增加橡胶等材料，如图8-9所示。

图8 枕木型混凝土结构支墩

3.4 聚合物

3.4.1 包裹式聚合物

该产品常用在柔性海管及电（光）缆的跨越设计中，也称uraduct，如图10所示。为中空半壳结构，由高密度聚乙烯材料组成。Uraduct包覆在柔性管的外表面，采用耐腐蚀金属条带进行紧固。该产品具有良好的冲击性能强度和耐磨性，且能保证柔性管缆的弯曲性能不受过弯的影响。一般在铺管船上进行安装，施工效率较高。近年来的一些研究表明，该产品可以推广到钢制海管的跨越设计中。

图9 枕木型钢结构支墩

图10 uraduct

3.4.2 聚氨酯柔性垫

该产品由聚氨酯材料制成。适合长时间使用长期海底应用，且性能不会退化。它的结构形式类同混凝土压块，但在抗冲击或磨损保护方面具有极大优势。可以在其内部填充重晶石材料以保证其座底稳定性，同时还可以抵抗足够的外力。它具有高度的柔软性，贴合性非常好。通常用于多个柔性管跨越点的防护处理。该产品的重量轻，便于运输和安装，对柔性管及海底光缆不会造成磨损，如图11所示。除了用在管缆交叉的防护，它还可以大面积地覆盖在海床上，“存储”钻井船留下的钻屑，以便进行回收处理。

图11 聚氨酯柔性垫

3.5 水下抛石法

水下抛石法分两种类型，一类是在管(缆)交叉点两侧构筑成一定高度及坡度的碎石堆层，然后在其上方铺设拟建海管，见图12。另一类是在被跨越管(缆)的上方直接进行抛石，然后铺设拟建管道[5]，见图13。堆石层的设计不仅需要考虑一定的粒径配比，同时还需要考虑其长期稳定性。由于深水的海床底部流速较小，因此该方法常用于深水海管的交叉防护处理。另外，该方法通常需要拟建海管具有较好的铺设精度，且施工成本较高，需要专业的抛石工程船。

图12 在海管下方抛石

图13 在海管上方抛石

4 结语

随着我国油气田的大力开发，海底管缆的布置将更加密集，管缆路由的交叉跨越将会逐渐增多。本文主要介绍了跨越海底管缆常见的交叉处理防护措施，目前这些措施已在许多实际项目中获得广泛使用。另外，在确定某类交叉跨越防护措施前，需要根据跨越管缆的结构属性，跨越周边区域的水下设施布置情况，当地海域的环保要求等综合考虑。同时，初步确定后防护措施后，仍需要结合详细的管缆强度分析，在满足相应标准规范的要求下才能最终确定。合理的交叉保护方案既能够减少后期维护及施工成本，又可以使海底管缆得到有效的保护，对海洋油气田的长期安全运营起着重要的作用。