海底管道充水鋪設工藝分析與應用實例

李丹丹

摘要：海底管道鋪設有多種施工方法，而施工方法的選擇，需要結合實際情況從技術、經濟、工期等因素綜合考慮。在安裝期（安裝期是指從管道放置在海底之后到投產之前的這一期間），對于裸置于海床上的管道，在波流等自然環境因素的作用和影響下，依靠其自身重量不足以保持穩定時，可采用充水鋪設的方法，確保其穩定性。

關鍵詞：海底管道；安裝期；充水鋪設；可行性；施工工藝

在海底管道安裝期，對裸置于海床上的管道，在波流等自然環境因素的作用和影響下，當依靠其自身重量不足以保持穩定時，充水鋪設是解決問題的方法之一。文章主要從海底管道的穩定性、鋪設可行性以及施工工藝三個方面對充水鋪設方法進行了詳細闡述，總結了此方法的優點和不足，并以某海底管道為例，說明了此種方法的具體應用。

1充水鋪設

充水鋪設是指在海底管道正常鋪設階段，從鋪設船舶上間斷性地向管道內注入一定量淡水的鋪設方法。充水鋪設不僅能解決海底管道穩定性問題，同時還具有以下優點：（1）減少制作費用。在海底管道穩定性設計中，增加壁厚或配重層是實現其穩定性的方法之一，但管道制作費用也會隨之增加。而采用充水鋪設法可達到減少壁厚或節省混凝土配重的效果，從而可在實現穩定性的前提下節省管道制作費用。尤其對于注水管道和污水管道，因其安全級別相對油氣管道低，更可考慮采用此種方法。（2）提升船舶能力。受管道制作加工和鋪設等作業的限制，混凝土加重層不能任意地配置。例如，對于大尺寸的排污管道，管徑+配重層的截面尺寸有可能超過鋪管船的作業管徑范圍。可去除重層，充分發揮船舶的鋪管能力，為鋪設管道選取設備方面提供更大的空間。

2側向穩定性分析

海底管道在海床上的穩定性分析是海底管道設計中的一個重要方面。若穩定性達不到要求，海底管道可能會出現側向或垂向位移過大，導致海底管道發生屈曲破壞。而海底管道的穩定性與管道的水下重量、環境荷載以及海底土壤阻力有直接的關系。安裝期管道穩定性設計的目的在于確保管道水下重量充分滿足安裝穩定性準則的要求。穩定性評價基于選定的路由、各種自然條件和管道本身的工藝、施工及運行參數等。海底管道的穩定性包括側向穩定和垂向穩定。一般情況下，在管道安裝期，將管道的側向穩定性作為主要考慮要素，故本文將著重對其進行介紹。如圖1所示，置于海床表面的海底管道，受到的作用力有流體升力FL、拖曳力FD、流體附加質量力FI、土壤的摩擦力Ff、海床的支撐力Fs、被動土阻力FH及管道自身的重力WS。

依據DNV RP E305“On-BoSom Stability Designof SubmarinePipefines”的要求，選用一年一遇的環境條件進行安裝期側向穩定性分析。采用通用商業軟件AGA LEVEL2中的準靜態方法進行分析，該軟件能較好地模擬水動力條件下的管土相互作用，并考慮管道由于小振幅而產生的沉陷對管道水動力的影響。通過輸入所需的環境參數管道特性、土壤條件，程序模擬連續4h和額外3h的風暴潮條件，得到模擬時域內的管道所受水動力。根據土壤數據及管道沉降量計算出土壤對管道的側向阻力：土壤摩擦力Ff=μ·（WS-FL）和被動土阻力FH（包括由管道自重引起的沉降量所產生的被動土阻力和管道水平運動引起的附加沉降量所產生的被動土阻力）。根據DNV RP E305規范定義如下安全系數：

AGA LEVEL2的水動力計算考慮了波流的相互作用、部分覆蓋土的作用和管道移動的影響。同時，管道沉降后，土壤對管道的作用力考慮了加載歷史的影響，包括土壤摩擦力和管道沉降引起的被動土阻力。AGA的校核準則是最小安全系數，當它同時滿足以下條件時，管道是側向穩定的。

3海底管道充水鋪設分析

海底管道充水鋪設分析方法與空管鋪設一致，一般采用通用商業軟件OFFPIPE，依據DNV等相關規范的要求，通過輸入所需的管道/纜繩參數、環境參數、鋪管設備參數，建立模型并分析（管道重量須按管內充水來考慮）。對于分析結果，可采用應力/應變或荷載組合校核等方法作為設計準則。安裝期的管道總應力須滿足以下要求：

4充水鋪設施工工藝

海底管道充水鋪設的施工方法與海底管道常規鋪設施工方法基本相同，都包括起始鋪設、正常鋪設、臨時棄管和回收、終止鋪設。兩者的區別在于前者比后者增加了注水過程。海底管道充水鋪設時，放置一根注水軟管于鋪設的管道中，注水軟管的起始端與屈曲探測器鋼絲繩相連接，末端置于管道上彎段。屈曲探測器一般放置于管道著泥點后適當位置。注水軟管應足夠長，確保注入淡水在重力作用下沿管壁流入下彎段。注水操作步驟如下：

（1）將注水管道連接至注水軟管。打開注水閥門，向管道中注水。每次注水量及注水速度應符合該管道鋪設的設計要求（2）注水完畢后，關閉注水閥門，拆下注水管道（3）向前移船，鋪設一根管道至海底（4）組對、焊接下一根管道，同時利用絞車向前拖拉屈曲探測器及注水軟管，直到注水軟管起始端位于所鋪設管道外側，以便于連接注水管道。（5）重復1-4步，直至鋪管作業完成。

5工程實例分析

以渤海灣某海底注水管道為例。該管道為單層管，由鋼管層和3PE防腐層組成。鋼管公稱直徑為323.9mm，壁厚為12.7 mm鋼材等級為API5LX65，管道全長7 km，設計壽命為25年。

5.1安裝期管道穩定性計算

設計水深23.1m，海水密度為1025 kg/m³。土壤為極軟黏土，剪切強度為3.5 kPa。環境荷載（波流）按照1年重現期對應的參數值選取，并分析以下兩種工況：工況1：最大流速和相應的波高。距水面20.8m處（0.9倍的設計水深）的流速為0.9 m/s，有效波高3.1 m，峰值周期6.6 s。工況2：最大波高和相應的流速。距水面20.8 m處的流速為0.63 m/s，有效波高3.4 m，峰值周期8.3s。管道設計壽命為25年。

5.2海底管道鋪設強度分析

采用OFFPIPE軟件進行海底管道鋪設靜態強度分析，分析以下兩種工況并進行比較：工況1：空管鋪設。工況2：海底管道注水鋪設，海底管道內充水20%，并假設水的重量均布加載于管道上。使用同一條鋪管船，并將鋪管參數（張緊器張力、托管架角度、支撐滾輪高度）和環境參數（水深等）設為一致，鋪管強度分析結果見表。兩種工況下的海底管道應力均達到了規范要求。但在充水鋪設狀態下，由于管道重量加重，導致管道應力增大。

表1海底管道鋪設靜態強度分析結果

6結束語

充水鋪設法作為一種非常規鋪設方法，在某些情況下，可用于無混凝土配重層管道施工，并滿足管道在安裝期的穩定性要求，尤其適用于安全級別低的管道，比如注水管道和排污管道。當然對某些處于相對硬質海床且底流較大的管道而言，若側向穩定性無法滿足規范要求，也可以按照上述充水鋪設方法來執行。由于充水鋪設是在常規鋪設法的基礎上增加了注水操作，因此不可避免地會影響到海上整體施工效率和工程投資。尤其對于長距離、大口徑管道，若全程實施充水鋪設，不僅應充分考慮到注水設備在鋪管船上的布置問題，還必須重點評估托管架的承重力。因此在前期方案設計階段，建議全面考慮海域、環境條件及生產類型等實際情況，并通過方案經濟性對比選擇性地采用。