海底管道跨越方法研究

季 磊，李 旭，付 強，喻 凡，劉 晨

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海底管道跨越方法研究

季 磊，李 旭，付 強，喻 凡，劉 晨

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海底管道作為海上油氣輸送的生命線，其設計、建造及安裝的規模在近年來不斷擴大。目前在中國渤海海域，已形成渤中、渤南、墾利等多個油田群，油氣管線的路由布置錯綜復雜，經常會出現管線與管線、管線與電纜之間的跨越問題。針對這一問題，介紹了管線跨越的幾種設計方法，以保證新建管道能夠安全地跨越運行中的已建管道為前提，闡述了跨越形式的選擇依據。以我國海域最常見的高位敷設跨越為重點，通過算例說明了跨越分析的計算方法。

海底管道；管道跨越；跨越方式；跨越計算

0 引 言

近年來，我國在海洋油氣開發方面取得了長足的進步，在渤海、東海、南海海域都取得了跨越式的發展，尤其在渤海海域，海上采油平臺及海底管道的建設已進入區域化建設階段，而海底管道的布置也逐步趨于網絡化。在這種情況下，經常會出現管線與管線、管線與電纜之間的跨越問題。僅2013年，海洋石油工程股份有限公司在鋪設海底管道的過程中處理跨越點的數量就達三十余個，而跨越形式的選擇則需要從技術、投資和工期等因素綜合考慮。

本文根據國內外工程中經常出現的幾種跨越形式，主要論述了新建管線跨越已建管線的設計方法和高位敷設跨越管線的計算方法，前提是不影響油氣生產，并且盡量減少作業人員的風險。

1 海底管道跨越的主要形式

目前在海底管道的跨越施工中主要分為以下幾種跨越方式：高位敷設跨越，低位跨越，橋式跨越，組合式跨越。下面分別加以介紹。

1.1 高位敷設跨越

高位敷設跨越的特征是已建海管埋設于海床以下而新建海管可直接鋪設在海床上。該種跨越方式主要適用于海床表面為非硬質海床的管道跨越鋪設。我國渤海及東海海域已開發的油氣田中，絕大多數油氣田所在的海床表面都屬于軟質海床，海床表面多為黏土或松散的沙土，易于利用挖溝機對海管進行挖溝埋設，且已建海管的埋深一般在1～1.5 m[1]。但由于部分已建海管在海底埋設多年，在海底水流的沖刷作用下，海管的埋設深度已發生變化，有的甚至已經暴露于海床表面，因此，若新建海管的路由跨越已建海管，則通常在已建海管的正上方海床鋪設0.3 m厚的混凝土墊塊。這樣操作的依據是DNV OS F101(2000)的規范要求：兩條存在跨越關系的管線之間需要至少0.3 m的垂向距離[2]。

然而，除跨越點附近的海管是鋪設到海床上的，其他部分最終仍然要埋設到海床以下1～1.5 m，因此，新建管線需要有一段足夠長的過渡長度保證新建海管能夠自然平緩地跨越已建海管。同時，海管管壁所承受的應力也應當符合規范要求。

例如，當一條新建18英寸(1英寸=2.54 cm)的雙層海管跨越一條已建6英寸海管時，已建海管位于海床表面以下1.5 m，新建海管的跨越部分水平長度達到了240 m。

一般來說，一旦新建管線路由確定后，其后的工作順序為：收集預調查和設計數據，完成管線跨越的受力分析，繪制管線跨越圖紙；海上施工人員根據圖紙對跨越點附近海床進行預處理，即將混凝土墊塊或者沙袋預先放置到指定位置以確保0.3 m的豎直隔離層；鋪管船航行于路由廊道上，鋪設新建管線并進行后挖溝埋設；由輔助工程船將混凝土壓塊放到暴露在海床上的海管，以起到保護作用。高位敷設跨越典型剖面如圖1所示。

圖1 高位敷設跨越Fig.1 High-laying crossing

1.2 低位跨越

低位跨越的特征是位于海床表面的被跨越管線需要降低，而新建的跨越管線也需要埋設。此種跨越形式主要適用于海床的土質為軟質沙土或黏土，能夠利用特殊設備對海床進行噴射挖溝，且利于管材埋設，目的是使位于指定跨越點處的管線要有至少1 m 的覆蓋和0.3 m 的隔離。一般來說，已建海管在跨越點處需要提供的過渡段長度要足夠長，同時海管管壁所承受應力也要在一個可接受的范圍內，其所需過渡段長度的計算方法與高位敷設跨越類似，且埋設深度越深，需要的過渡段越長。

例如，平臺附近管線布局復雜，導致在幾米之內就存在多個管線跨越點。將位于海床表面的管線降低2 m與建造和安裝復雜的橋式跨越相比更容易實現，且成本更加低廉。如果在跨越點預處理時發現已建管線已經沉降進了泥里，且新建管線不需要埋設，則不需對已建管線進行人工干預沉降，只需在跨越點附近進行墊塊或沙袋的預處理即可。低位跨越典型剖面如圖2所示。

圖2 低位跨越Fig.2 Low crossing

1.3 橋式跨越

橋式跨越的特征是新建管線在跨越點兩側利用預制的膨脹彎來進行跨越。該種跨越適用于在平臺附近存在許多放置在海床上的已建管線和膨脹彎，不可能降低已建管線而又不得不進行跨越的情況。原因包括以下幾點：(1)要保證膨脹彎能夠自由移動不受限制，膨脹彎不能被埋設，必須保證袒露在海床上；(2)必須保證用于降低管線位置的挖溝設備所在工程船舶距平臺大于一定距離；(3)由于距離立管太近，跨越點附近膨脹彎的長度無法滿足管線跨越所需過渡段的長度要求，且管線所受應力將會超過規范要求。

在這些情況中，橋式跨越是利用帶5D彎管預制的法蘭膨脹彎去匹配已建管線兩側已經安裝的管線。橋式跨越一般利用混凝土墊塊或沙袋來支撐管線，以確保至少0.3 m的隔離距離。一般情況下，一根用于跨越的預制膨脹彎能夠跨越一條或多條已建管線。橋式跨越典型剖面如圖3所示。

圖3 橋式跨越Fig.3 Bridge crossing

1.4 組合式跨越

組合式跨越的特征是新建管線的一側為預制的膨脹彎，另一側則將管道鋪設在預制的斜面上，從而跨過已建管線[3]。這種方法適用于向遠離平臺方向鋪設，且跨越一個平臺附近的已建管線。這就需要新建管線所設計斜面的上部水平部分留有足夠長的距離，以便于架設的海管端部在自重下能夠保持水平，且便于與預制膨脹彎進行連接。施工順序一般如下：(1)放置墊塊或沙袋以形成設計要求的支撐剖面；(2)將海管起始鋪設在自上而下傾斜的支撐上，并繼續沿路由鋪設；(3)測量并安裝管線與膨脹彎。組合跨越典型剖面如圖4所示。

圖4 組合式跨越Fig.4 Hybrid crossing

2 跨越分析計算方法

高位敷設跨越是我國海域最常見的跨越方法，具有操作簡單、風險較小等特點，同時能夠滿足DNV OS F101(2000版) 規范對于跨越設計、施工的要求。下面利用AutoPIPE軟件對高位敷設跨越管線進行分析。該軟件是基于計算機程序開發的有限元軟件，能夠模擬管線在功能荷載與環境荷載共同作用下的受力情況，且能夠加載熱膨脹荷載。

高位敷設跨越分析的目的是設計一個管線鋪設剖面，使管線無論在動態荷載下還是在靜態荷載下都能滿足規范要求的應力標準。

分析中，首先計算管線允許的彎曲應力，并形成一個初步的鋪設剖面，然后優化剖面形式，使計算結果滿足管線的空間和應力要求。具體步驟如下。

(1) 數據收集。新建管線的路由應對照調查數據進行核實，需要記錄沿線潛在的路由障礙，并收集被跨越已建管線可利用的數據，例如管徑、壁厚、混凝土配重和比重、埋設深度、水文數據、輸送介質參數等。

(2) 鋪設剖面設計。根據已建管線的位置及周圍環境，考慮要求埋深和過渡長度，初步設計新建管線的鋪設剖面，用于指導新建管線的有限元建模。

(3) 高位敷設跨越計算。利用AutoPIPE有限元軟件，根據跨越布置圖對新建管線進行建模，加載溫度、壓力等功能荷載，并加載波流、土壤等環境荷載，同時將熱膨脹產生的管線位移加載到端部，然后計算管道應力。若管道應力不能滿足規范要求，則應調整管線鋪設剖面，直至滿足規范要求為止；如管道應力滿足規范要求，則再根據管道的受力情況嘗試是否可以再對管線鋪設剖面進行優化。

其他跨越形式的計算程序與高位敷設跨越類似，但首先需要根據實際情況確定跨越形式，再考慮邊界條件以及環境條件的選取，以便較準確地模擬海管的受力情況，最終得出最優化的跨越結構形式。下面給出渤海某實際項目中一例高位敷設跨越形式的計算實例。

2.1 算例基礎數據

此案例是一條海管管徑為12英寸/18英寸的雙層保溫鋼管，需要跨越一條已建6英寸單層海底管道，而跨越點兩側的海管仍需保證至少1.5 m的埋深。海管路由水深為19.2～20.1 m。海床表面土壤均為軟黏土。需要考慮到，應在跨越點處的海床上鋪設一段0.3 m厚的混凝土墊塊，用以保證兩條海管之間的隔離距離。

該算例考慮3種計算工況。工況一：水壓試驗工況；工況二：操作工況；工況三：操作工況+200年一遇地震工況(偶然工況)[1]。

跨越點的海管布置如圖5所示。

圖5 跨越點海管布置Fig.5 Arrangement of pipeline at the crossing position

2.2 算例計算結果

利用有限元計算軟件AutoPIPE進行跨越點處新建海管的受力分析，通過建模，加載海管所受功能荷載和環境荷載，計算海管的應力狀況[4]。圖6為跨越點處的應力分析模型。

圖6 跨越點處應力分析模型Fig.6 Stress model at the crossing position

根據對跨越點處海管關鍵位置的荷載作用校核，得出表1所示計算結果。

表1 計算結果Table 1 Calculation results

根據計算結果，在所有工況下，海管的應力UC值均小于1，因此，跨越點處的海管布置合理。

3 結 語

本文所述跨越方法都已在國內外主要海上油田已建油氣管線的跨越布置中得到了應用。設計這些跨越所采用的標準必須經過仔細考量并且應當足夠保守。選用跨越形式時應考慮管線所處的不同環境和它的物理約束。高位敷設跨越法在我國淺水海域的應用較廣，但隨著作業水深的增加和海底管網的逐漸密集，其他幾種跨越形式的應用將會逐漸增多。由于海底管道建設工程規模大、投資多，施工方案的合理選擇對于節省投資、節約工期都有重要作用。本研究可為以后的海底管道跨越施工提供借鑒和參考。

[1] 劉志剛, 李慶, 孫國民. 海底埋設管道跨越分析研究[C]. 第十四屆中國海洋(岸)工程學術討論會論文集(上冊)，2009.

[2] Det Norske Veritas. DNV OS F101. Submarine pipeline systems [S]. 2000.

[3] Diri C M, Speirs A P, Khoury T C, et al. Subsea pipeline crossings in the Cantarell Field, Bay of Campeche, Mexico [C]. OTC, 1999.

[4] 海洋石油工程設計指南編委會. 海洋石油工程設計指南(第5冊)：海洋石油工程海底管道設計[M]. 北京: 石油工業出版社, 2007.

InvestigationonSubseaPipelineCrossingMethods

JI Lei, LI Xu, FU Qiang, YU Fan, LIU Chen

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

As the lifeline of offshore oil and gas transportation, the design, construction and installation of subsea pipelines are expanding in recent years. At present, many oil fields have been constructed in the Bohai Sea, for which the pipeline route arrangement is very complicated, and crossing often appears between pipeline and pipeline or pipeline and cable. For this issue, we introduce several design methods of pipeline crossing. The selection of crossing method, aiming at ensuring the safe crossing of the new pipelines across the pipeline which has been built before, is described. For high-laying crossing which is the most frequently used subsea pipeline crossing method in China, the calculation method of crossing analysis is demonstrated with an example.

subsea pipeline; pipeline crossing; crossing method; crossing analysis

2015-07-24

季磊(1986—)，男，工程師，主要從事海底油氣管道方面的研究。

TE973.92

A

2095-7297(2015)05-0316-04