基于射流的海管懸跨處理方法研究

林守強， 葉永彪， 齊兵兵， 崔寧， 陳贏豪， 謝锏輝

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳518067）

0 引言

海底管道是指設置于海底用于輸送原油、天然氣、淡水、污水的管道。隨著海洋油氣資源的不斷開發，海底管道的規模不斷擴大。據有關資料統計，目前國內海底管道總長度已超過8000 km[1-2]。由于海底地形起伏不平、復雜多變，從而導致海管鋪設于海床之后容易產生懸跨。根據海底土壤地質資料、設計壽命、環境資料、海管材料、外徑及內部輸送介質等因素綜合計算，可得出每條海管的允許懸跨長度臨界值。若懸跨長度超過允許懸跨長度臨界值時，則必須立即采取措施處理。否則將導致海管在后續服役期間由于自身重力或浪流沖擊力等作用而發生變形，甚至導致輸送介質泄漏，引起海洋環境污染，造成巨大損失。

目前常用的海管懸跨處理方法有沙袋回填、灌漿填充、吸力樁、拋石、人工海草等多種方法，這些方法各有優劣。比如沙袋回填雖然操作簡單、經濟成本較低，但可靠性差，長期效果不佳；灌漿填充屬于點支撐，資源少，經濟成本較高，容易失效；吸力樁施工難度很大，風險較高；拋石的技術可行性高，但是經濟成本過高，通常是懸跨處理最后的選擇方法；人工海草見效慢，風險高。

本文詳細闡述一種基于射流的海管懸跨處理方法，此種方法經濟成本較低，應用范圍廣泛，可處理各種海床懸跨，適用于絕大部分國內的海管懸跨處理。

1 工作原理

海管懸跨處理時，將噴射式吹泥設備安裝至配套支持船上，由吊機下放吹泥設備，并進行水下牽引固定，使吹泥設備與船舶保持固定的相對位置，通過控制船舶的艏向、速度等來控制海管懸跨處理速度。調整吹泥設備的流量、高度來控制吹泥的深度與寬度，從而達到海管懸跨處理的目的。

利用噴射式吹泥設備進行海管懸跨處理的施工流程基本一致，下面以船舶HYSY289搭載T8000吹泥設備為例進行說明：1）下放5 t配重塊（Clump Weight）至水下距海床5 m高度。2）下放T8000設備至水下，T8000與配重塊之間連接鋼絲繩。3）通過吊機旋轉調整配重塊與T8000之間的距離，使牽引繩（Guide Wire）處于受力狀態。T8000與配重塊連成直線，與船舷平行，便于通過船舶來控制T8000吹泥作業，見圖1。4）T8000與船舶保持固定相對位置，調整船舶航行速度即可控制T8000吹泥速度；調整吊機入水鋼纜長度控制T8000與海床距離；調整T8000流量大小控制吹泥深度。5）根據懸跨類型及周圍海床地形，控制T8000對海管周圍海床進行吹泥作業，達到消除或減少懸跨的目的。

圖1 工作原理

2 常見的海管懸跨類型

海底環境復雜多變，引起管道懸跨的原因有很多，比如特殊海底地形、地震區域，或者浪、流對海管的沖刷，以及海管鋪設后的殘余應力等等。不同原因導致的海管懸跨的類型不同。根據海管懸跨形成時的形狀，將海管懸跨分為以下3種類型：“L”型懸跨，“U”型懸跨和“W”型懸跨（見圖2～圖4）。

圖2 “L”型懸跨

圖3 “U”型懸跨

圖4 “W”型懸跨

3 海管懸跨處理方法

針對不同類型的懸跨，采用噴射式吹泥設備進行處理時方法也不盡相同，需根據懸跨類型、懸跨形成原因、周圍海床特點等因素綜合考慮，采取最合理的方法進行處理。

3.1 “L”型懸跨處理方法

“L”型懸跨常出現在海床起伏比較大的地方，例如地震帶區域，海床出現斷層，兩側落差較大。此處海床凸出部分土壤剪切力一般比較大，土壤內部容易存在較多巖石，處理前需要首先對土壤進行取樣，獲得土壤的準確信息，根據土壤信息選定合適吹泥設備。然后根據有限元分析（FEA）軟件計算分析結果，確定海床吹泥區域及深度。再根據設定的海床處理目標，制定海床處理方法，最終實現海管懸跨的處理。

圖5 “L”型懸跨處理結果

懸跨處理實際施工步驟如下：1）根據理論計算結果，確定海管懸跨處理方案，即將圖5中陰影部分消除，使海管與海床貼合，消除懸跨；2）船舶航行至懸跨位置上方，進行DP測試；3）下放吹泥設備至海床距離3 m左右，進行吹泥設備測試，確定流量、速度等參數；4）移動吹泥設備至懸跨處理位置A點，見圖6；5）開啟吹泥設備沿著從A～C的方向前進，前進過程中，保持高度不變，逐漸增大流量；6）到達C點后，關閉或降低吹泥設備流量，返回A點，返回途中利用聲納掃描處理結果；7）根據處理結果，將吹泥設備降低高度，再次沿著A～C的方向進行懸跨處理；8）經過多次處理，最終達到A～B之間的海床地形，使海管與海床緊密貼合，消除“L”型懸跨。

3.2 “U”型懸跨處理方法

“U”型懸跨通常是海管鋪設以后由于海底浪流沖刷而形成的，也有部分懸跨是由于海底地形而產生的。根據懸跨形成的原因不同，處理方法選擇也不同。

圖6 “L”型懸跨處理過程示意

3.2.1 海底地形產生的“U”型懸跨處理方法

此種“U”型懸跨是海管鋪設于海床之上，海床地形與海管之間存在懸空導致。懸跨周圍海床土壤較為松軟，剪切力較小，可通過逐步消除海管懸跨兩端的海床，使海管沉降至海床上，來實現懸跨處理的目的，如圖7所示。

圖7 地形產生的“U”型懸跨處理過程

具體實施步驟：1）根據理論計算結果，確定海管懸跨處理方案，即將圖7中陰影部分消除，使海管與海床貼合，消除懸跨；2）下放吹泥設備至海床距離3 m左右，進行吹泥設備測試，確定流量、速度等參數；3）移動吹泥設備至懸跨處理位置兩端，以懸跨為中心，按照從中間到兩側的處理方向，開始懸跨處理；4）處理過程中，通過控制吹泥設備高度、流量和速度，最終達到懸跨處理的理論計算結果，使海管下沉與海床貼合，消除“U”型懸跨，如圖8所示。

3.2.2 沖刷形成的“U”型懸跨處理方法

圖8 地形產生的“U”型懸跨處理過程

此種“U”型懸跨是指在海管鋪設后經調查未發現懸跨，但是經過長時間海底浪流沖刷而形成的懸跨。此種懸跨兩側的土壤比較堅硬，不易處理（見圖9），無法通過消除兩端的土壤來處理懸跨。處理此種懸跨時，需要將周圍的土壤吹至懸跨區域，將此處懸跨填平。

圖9 沖刷形成的“U”型懸跨

圖10 沖刷形成的“U”型懸跨處理俯視圖

圖11 沖刷形成的“U”型懸跨處理剖視圖

圖12 沖刷形成的“U”型懸跨處理結果

具體施工步驟如下：1）根據噴射設備吹泥的范圍，設定吹泥設備距海管之間的距離L，確定吹泥處理路線,見圖10。2）吹泥設備沿著設定的路線進行吹泥，將海床附近的土壤吹到海管懸跨區域，填充海管底部的凹坑（見圖11），將懸跨區域填平，達到消除懸跨的目的,處理后的結果見圖12。

若懸跨兩端及周圍土壤均比較堅硬，處理難度比較大時，可考慮在較遠地帶，重復上述步驟，將海床吹填至懸跨區域，消除海管懸跨。

3.3 “W”型懸跨處理方法

“W”型懸跨通常存在于海床復雜多變、起伏不平的地方。“W”型懸跨也叫連續懸跨，可看做是多個“U”型懸跨連續在一起（見圖4）。處理時要綜合考慮其周圍的海床情況，若海管懸跨兩端海床土壤比較堅硬，可采用3.2.2節方法進行消除懸跨；若海管懸跨周圍所處海床土壤松軟，采取3.2.1節方法進行懸跨處理。具體處理方法可根據土壤實際情況，選擇合理方法進行懸跨處理。

4 結 論

基于射流的海管懸跨處理方法采用的相關船舶、設備資源在國內非常多，易于鎖定；海上施工效率較高，經濟成本較低，在進行海管懸跨處理時相比于其他懸跨處理方法性價比很高，可處理的懸跨種類較多，非常實用。但是此種懸跨處理方法要求提供準確的海床土壤資料，進行提前計算并模擬出懸跨處理結果，否則可能導致現場施工困難，懸跨處理失敗。

[參考文獻]

[1] 宋春娜,林守強,齊兵兵.TSS440在海管檢測中的應用[J].中國石油和化工標準與質量,2014(11)：15-17.

[2] 齊兵兵,王賀,齊芳芳.海底管道應急回收技術研究[J].石油工程建設,2017(43)：34-37.

[3] 肖文功.海底管道懸空隱患治理技術研究及應用[J].中國海洋平臺,2004,19(6)：37.

[4] 巴建彬.海底管道懸空成因及防治措施[J].中國新技術新產品,2013(1)：64-65.

[5] 齊兵兵,劉彥鵬,侯志文,等.海床處理技術研究[J].機械工程師,2016(7)：34-37.

[6] 劉貞飛.樂東氣田海底管道懸跨段治理[J].中國造船,2009,50(1)：639-644.

[7] 奉虎,王彥紅,王婧.海底管道懸跨處理方法及其適用性分析[J].中國造船,2012,53(2)：74-81.

[8] 夏日長,楊琥,鄧合霞.海底管道懸跨分析與不平整海床處理的推薦做法[J].中國造船,2008,49(2)：523-528.

[9] 王雷,徐興平,張辛.懸跨海底管道的側掃聲吶檢測[J].石油機械,2013(5)：50-53.

[10] 王雷,徐興平,張辛.懸跨海底管道犁式填埋設備設計[J].石油礦場機械,2013(8)：14-17.

[11]李玉成,張寧川,孫姎.波流共同作用下近底于母管線的水動力特征[J].水動力學研究與進展,1994,9(1)：51-59.

[12]張樺.海底管道周圍海床沖刷及管道受力的數值模擬[D].大連：大連理工大學,2012.

[13] 沙勇,周巍偉,李麗瑋,等.深水海底管道J型鋪設的動態分析[C]//第22屆全國結構工程學術會議論文集.2013：47-52.

[14]李磊巖.海底管線懸空段動力響應分析及其實驗研究[D].青島：中國海洋大學,2004.

[15]唐曉旭,胡國后.海底輸油管線懸跨的綜合治理[J].油氣田地面工程,2011,30(7)：38-39.