超大管徑海底管道長距離登陸拖拉技術研究

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

超大管徑海底管道長距離登陸拖拉技術研究

黃鈺

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

針對超大管徑海底管道長距離登陸拖拉技術，分別從安裝方法、計算分析、數值修正等方面進行了研究。對大管徑海底管道長距離拖拉與常規海管拖拉進行比較，重點分析了設計及施工中的難點，并在施工方法及設計原理上提出了解決措施。對于混合拖拉法，采用有限元方法對管道拖拉過程中的局部彎曲形變及屈曲校核進行了數值模擬和分析，有效規避了拖拉過程中彎曲變形對海管局部屈曲產生的不利影響。針對超大管徑管道在DNV規范中的適用性進行了研究，并對DNV所推薦校核方法進行了修正。為超大管徑海底管道長距離登陸拖拉的設計及施工提供技術支持。

海底管道；拖拉安裝；超大管徑；長距離；有限元分析

Abstract：The subsea pipeline landfall pulling technology for huge diameter and long distance from the aspects of installation method，calculation and value modification are introduced in this paper.Subsea pipeline landfall pulling technology with huge diameter and long distance is compared with normal pulling，and the challenge of design and installation for subsea pipeline landfall pulling technology with huge diameter and long distance is investigated deeply.The measure is supplied for installation method and design principle.For integrated pulling method，local bending and buckling during pipeline pulling is analyzed by FEA to avoid the local buckling which is caused by bending.The application for the pipeline with huge diameter for DNV code has been investigated，and the method of modification is supplied for the local buckling check based on DNV code.This paper provides the support in technology of design and installation for subsea pipeline landfall pulling technology with huge diameter and long distance.

Keywords：subsea pipeline；pulling；huge diameter；long distance；FEA

1954年，Brown&Root公司在墨西哥灣成功安裝完成了世界第1條海底管道[1]，經過60多a的發展，海底管道已經成為海洋油氣輸送最為主要的方式之一。隨著海洋工程技術的整體發展，海底管道安裝技術也日趨成熟。拖拉安裝技術作為海底管道安裝的一種重要技術，在登陸區域得到廣泛應用。由于拖拉安裝過程中海底管道受水深、波浪、海流、土壤等環境因素影響較大，采用拖拉法安裝的海底管道通常為?762 mm(30英寸)以下的中小管徑管道，且拖拉距離較短，通常小于2 km。隨著海洋石油開發的發展，在一些近海及淺水海域，?1 016 mm(40英寸)以上的超大管徑海底管道也面臨采用拖拉方法進行長距離安裝的問題。

1 登陸拖拉技術分類

海底管道登陸拖拉技術根據海底管道在水中狀態的不同通常分為浮拖法、離底拖法和底拖法。

1.1浮拖法

采用浮拖法拖拉安裝管道時，海底管道大部分處于漂浮狀態，如圖1所示。浮拖法在拖拉過程中受波浪、海流影響較大，易發生側向位移，多用于水文條件較好海域。由于拖拉過程中海底管道不與海床發生接觸，故拖拉過程中所需拖拉力較小，不需要大型的牽引設備。

圖1 海底管道浮拖法示意

1.2離底拖法

采用離底拖法拖拉安裝管道時，海底管道在水中大部分處于懸浮狀態，如圖2所示。離底拖法在拖拉過程中管道受波浪影響較小，受海流影響較大。由于管道不與海床接觸，所需拖拉力較小。相對于浮拖法，離底拖法在拖拉過程中易于控制，適用于長距離海底管道拖拉。由于管道大部分處于懸浮狀態，離底拖法拖拉過程中需要精確控制管道水下重力。

圖2 海底管道離底拖法示意

1.3底拖法

采用底拖法拖拉安裝管道時，海底管道在水中大部分與海床接觸，如圖3所示。底拖法在拖拉過程中受波浪及海流影響較小，海底管道在水中拖拉軌跡易于控制。由于與海床接觸，所需拖拉力較大，通常需要大型牽引設備。

圖3 海底管道底拖法示意

2 超大管徑海底管道長距離拖拉技術

相比于常規管徑海底管道拖拉安裝技術，超大管徑海底管道長距離登陸拖拉主要存在以下難點：

1) 管徑大，受波浪及海流影響較大，拖拉過程中拖拉軌跡難以控制，易發生側向位移。

2) 受管道穩定性影響，超大管徑海底管道通常涂覆較厚的混凝土配重層，管道的水下重力較大，即與海床摩擦力大。

3) 長距離拖拉，海底管道與海床之間存在吸附風險，管道拖拉再啟動難度較大。

針對以上難點，在常規管徑海底管道拖拉技術的基礎上，超大管徑長距離海底管道登陸拖拉主要需要從以下幾方面對拖拉技術進行研究。

2.1拖拉方法選擇

由于超大管徑海底管道長距離拖拉，受管徑影響，在拖拉過程中管道整體受波浪及海流作用影響極大，如果采用浮拖法或離底拖法，在拖拉軌跡控制上存在較大難度。但是，對于超大管徑海底管道，管道水下重力較大，特別是對于長距離海底管道拖拉，如果整體采用底拖法，受管道與海床摩擦影響，所需管道拖拉力極大，對牽引設備能力要求極高。

綜合以上特征，超大管道海底管道長距離拖拉建議采用以底拖法與浮拖法或離底拖法相結合的混合拖拉安裝方法。考慮到拖拉軌跡控制為主要制約因素，拖拉過程中，以底拖法為主，具體采用浮拖法或離底拖法，需要結合管道路由水深進行評估。

混合拖拉法如圖4所示。

圖4 海底管道混合拖拉法示意

由于超大管徑海底管道自身水下重力較大，拖拉過程中，通過在海底管道局部布置浮筒，實現拖拉過程中的浮拖或離底拖。由于浮筒對海底管道局部產生上浮力，導致海底管道局部發生彎曲形變，需要對管道拖拉過程中的局部彎曲強度進行有限元分析，避免管道發生屈曲破壞。

圖5為應用商業有限元軟件AUTOPIPE模擬拖拉過程中的海底管道受浮筒作用所發生彎曲形變的分析模型，進而校核海底管道所發生彎曲形變是否滿足強度要求。

圖5 海底管道局部彎曲校核有限元模型

2.2管道拖拉力計算

超大管徑海底管道拖拉分析的主要難點在于管道拖拉力的計算。管道在底拖過程中，所受的主要外部載荷為管道與土壤之間的摩擦力。由于超大管徑海底管道自身水下重力較大，為避免在拖拉過程中管道與海床產生較大摩擦力，需要在管道上精確布置浮筒，以控制管道水下重力。

管道在底拖過程中，管道拖拉力在數值上由2部分組成，一部分是剩余鋪設張力[2]，另一部分為摩擦力。其中，所受摩擦力主要來自于鋼絲繩及管道與海床土壤之間的摩擦，根據剩余鋪設張力與摩擦力之和，最終確定牽引設備所需拖拉力。對于長距離管道拖拉，由于管道存在與海床發生吸附的風險，在最終拖拉力的確定上，通常考慮1.2～2.0倍的安全系數。

圖6 浮筒示意

2.3限位樁布置

在長距離海底管道拖拉過程中，管道的拖拉軌跡控制存在較大難度。特別是在水深較淺的海域，由于超大管徑管道受波浪及海流作用明顯，拖拉過程中管道易發生側向位移，為拖拉作業帶來較大風險。通過在管道拖拉路由兩側安裝限位樁，可以有效控制管道在拖拉過程中的拖拉軌跡，限制管道側向位移。

由于海上安裝限位樁的成本較高，在限位樁布置上，應盡量增大限位樁間距，減少限位樁數量。對于限位樁間距的確定，通常考慮管道在波浪力影響下與限位樁的碰撞強度，以及管道許用自由懸跨的要求。

對于海底管道所受波浪力，通常采用莫里森方程進行計算，管道與限位樁之間的碰撞強度采用有限元方法進行數值模擬。

應用莫里森公式計算波浪力，如式(1)所示。

(1)

針對限位樁間距評估，可以依據DNV-RP-105規范中對于海底管道自由懸跨的要求，使限位樁的間距滿足安裝期海底管道最大許用懸跨的要求。管道懸跨狀態下的自振頻率如式(2)[6]所示。

(2)

式中：Pcr為臨界屈曲荷載；Leff為有效跨長；Seff為有效軸力(拉力為正)；me為有效質量；δ為靜態變形；E為彈性模量；I為慣性矩；CSF為混凝土剛度增強因子。

海底管道有效跨長依據DNV-RP-105規范，如式(3)[6]和式(4)[6]所示：

當β≥2.7時，

(3)

當β<2.7時，

(4)

式中：K為相對土壤剛度；L為海管的自由懸跨長度。

2.4超大管徑管道局部屈曲校核修正

在海底管道拖拉分析中，需要對海底管道進行局部屈曲校核。依據DNV-OS-F101規范，安裝期海底管道受彎矩、有效軸力、外部壓力的影響，局部屈曲校核通常依據式(5)[6]：

(5)

式中：γSC為安全等級抗力系數；γm為材料抗力系數；Md為設計彎矩；Mp為塑性彎矩抗力；Sd為設計有效軸力；Sp為特征塑性軸力抗力；pe為外壓；pc為壓潰壓力。

由于DNV-OS-F101規范中針對公式(5)的適用條件為管道徑厚比小于等于45，即D/t≤45，對于超大管徑海底管道，徑厚比通常大于45，所以在進行局部屈曲校核時需要對式(5)進行修正。

對于管道在純彎曲作用下的抗屈服極限，隨著徑厚比的增加，管道所能承受的極限彎矩減小[3]。對于管道在軸向力、彎矩和外壓組合作用下的抗屈曲極限，在徑厚比大于45的管道校核中，需要根據管道實際徑厚比減小塑性彎矩抗力Mp，如式(6)[4]所示：

(6)

3 結語

超大管徑海底管道長距離拖拉登陸，相比常規拖拉安裝，存在所需拖拉力較大、拖拉軌跡難以把控、易與海床發生吸附等難點，在世界范圍內工程經驗極少。對于拖拉過程的海底管道局部屈曲校核，由于超大管徑管道不適用于DNV-0S-F101規范中的徑厚比要求，所給定的校核方法也需要進行修正。針對上述問題，本文建議超大管徑海底管道長距離登陸拖拉采用混合拖拉法，即采用底拖法與浮拖法或離底拖法相結合的拖拉方法。在拖拉過程中，需要通過合理布置浮筒，精確計算拖拉過程中管道水下重力，并在管道拖拉路由兩側安裝拖拉限位樁，避免管道在拖拉過程中發生側向位移，限位樁間距采用許用自由懸跨理論進行計算。對于拖拉過程中的管道局部彎曲以及管道碰撞強度校核，采用有限元方法進行數值模擬。針對超大管徑管道采用DNV-0S-F101規范進行局部屈曲校核，通過減小計算中的塑性彎矩抗力，以實現對于DNV-0S-F101局部屈曲校核方法的修正。超大管徑海底管道長距離登陸拖拉技術作為近岸及淺水海域最重要的海底管道安裝技術，隨著在工程應用中的推廣及日趨成熟，將對近海海洋油氣田的開發產生重要的影響。

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InvestigationofSubseaPipelineLandfallPullingTechnologyforHugeDiameterandLongDistance

HUANG Yu

(OffshoreOilEngineeringCo.，Ltd.，Tianjing300451，China)

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.014

1001-3482(2017)05-0067-05

2017-02-16

黃 鈺(1985-)，男，工程師，從事海底管道、深水立管及相關管道附件的設計及研究工作，E-mail：huangyu@mail.cooec.com.cn。