浮體助浮措施在大直徑薄壁海域管道鋪設施工中的應用

許耀金，俞立新，程加軍，夏俊橋

（1.中交第三航務工程局有限公司，上海200032；2.中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇連云港222042）

0 引言

隨著沿海地區工業的不斷發展，為了兼顧經濟發展和環境保護的要求，通過長距離的海域污水排放管道進行達標尾水的集中處理和排放成為比較常見的工程措施，該方法能減少污水處理的成本，在不污染海洋的基礎上充分利用海洋自身的凈化功能。目前國內相似工程的管道鋪設長度基本在離岸10 km之內，鋪設水深大多位于10 m以下，為滿足長距離海域污水管道的鋪設要求，需要在深水區進行海域管道鋪設施工。本項目通過在海域管道上部綁扎浮體，減小管道的下沉荷載，從而將管道鋪設過程中的曲率控制在允許范圍之內，順利實現了深水區海域管道的鋪設施工[1-4]。

1 工程概況

徐圩新區達標尾水排海工程的海域排放管道全長22 678.5 m，放流段總長度為22 378.5 m，另有300 m排放擴散段，鋪管駁船施工21 258.5 m，鋪設水深范圍在2~18 m。管道采用DN1400鋼管，鋼管截面外徑D為1 420 mm，壁厚為18 mm，材質為Q235B。采用鋪管船法進行管道鋪設施工，在駁船上部加裝管道鋪設裝置，鋪設施工時通過向管道內部注水的方式進行，利用抱緊器控制管道下放的長度，通過托管架控制管道下放的角度。

管道鋪設施工海域偏北向平均波高為0.9 m，實測漲潮流流速最大為2 m/s，平均潮差約為3.4 m。鋪管駁在深水區進行管道鋪設施工時，波浪和水流作用對船舶穩定性以及管道軸線形態影響較大，由于工程工期緊張，加上海上作業施工窗口期有限，需要確保管道鋪設施工的穩定進行。鋪管駁進行管道鋪設施工時的布置見圖1。

圖1 海域管道鋪設示意圖Fig.1 Schematic diagram of pipeline laying in sea area

2 方案計算

海域管道鋪設的過程中，管道一端置于海底，另一端與鋪管駁甲板上的托管架相連接。中間有一段較長的懸跨段，懸跨段變形較大且受力復雜。懸跨段管道實際上是幾何非線性和彈塑性大變形結構，而管道的懸跨長度和著床點的受力情況是未知的。為了計算海域管道鋪設的極限水深，將該問題進行了適度簡化，選取注氣拾管狀態對海域管道進行計算分析，注氣拾管狀態管道受力情況如圖2所示。根據管道設計要求管道曲率半徑逸800 m，分析管道鋪設過程中的極限水深和應采取的浮體助浮方案[5-8]。

圖2 注氣拾管狀態管道受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipeline stress in gas injection and pickup pipe status

2.1 管道鋪設極限水深計算

根據鋪設管道型號及注水情況，可得到鋼管重力為6.1 kN/m，空管段的管道浮力為15.9 kN/m，滿管段管道浮力為0.8 kN/m，通過分析可以得到圖2中的G水=5.3 kN/m，F浮=9.8 kN/m。當鋼管注水端剛出水時（注氣拾管狀態），水下管道由滿管段L1和空管段L2組成，由于管道處于平衡狀態，故向下的合力等于向上的合力，所以滿管段的下沉均布荷載與滿管段長度的乘積等于空管段向上的均布荷載與空管段長度的乘積。單獨將滿管段的管段視為簡支梁，一端位于海床處，一端位于空管段的右端，再將均布荷載方向近似視為與管道垂直，利用均布荷載下簡支梁的彎矩計算公式，其最大彎矩位于跨中位置處。當管道滿管段截面彎矩達到了控制曲率下的極限彎矩值5 114.2 kN·m時，此時L1的長度計算得88 m。

根據管道平衡計算公式得到空管段長度為47.6 m，對空管段跨中最大彎矩值進行計算，計算模型與滿管段一致，也視為簡支梁，得到空管段的跨中最大彎矩值為2 775.6 kN·m，小于控制控制曲率半徑下的極限彎矩5 114.2 kN·m。此時管道懸跨段總長度L為135.6 m，將管道曲線按照圓弧計算，此時懸跨段管道所對應的圓弧角度為9.7毅，按照管道鋪設著床點與海床相切，計算此時的管道鋪設水深為11.5 m，所以管道在不加其他輔助措施情況下的極限鋪設水深為11.5 m。管道極限鋪設水深的計算過程如下：

式中：ρ為曲率半徑，根據管道設計要求，曲率半徑逸800 m；M為鋼管截面彎矩；E為鋼材彈性模量，Q235B鋼材取值為2.1伊1011Pa；Iz為鋼管截面慣性矩；y為管道截面彎曲應力計算點處的y坐標，取值為=0.71 m；σ為管道截面計算點處的彎曲應力。

2.2 管道鋪設浮體助浮方案計算

根據管道鋪設設計要求，設計布置浮體將水深大于極限的管道鋪設軸線曲率半徑都調整為800 m，根據鋪設水深計算得到不同鋪設水深下管道懸跨段長度，以及滿管段長度和不同鋪設水深下浮體綁扎的間距，每個浮體提供的浮力為2 kN，通過綁扎浮體調整之后的滿管段最大應力值均為186.4 MPa，不同鋪設水深下的空管段最大應力值均小于控制應力。在實際施工過程中，為減少浮體安裝時間，將3個浮體合為1組進行綁扎（圖3），并對綁扎距離進行了相應的換算。浮體調節計算結果見表1。

圖3 海域管道浮體助浮鋪設施工Fig.3 Laying construction of pipeline floating body in sea area

表1 鋪設水深大于極限水深時浮體調節計算表Table 1 Adjustment calculation table of floating body when laying depth is greater than limit depth

3 浮球輔助措施實施效果

在使用浮球進行深水區的海域管道鋪設過程中，通過定時觀察管道曲線狀態，發現綁扎浮球之后的海域管道軸線形態基本滿足要求。由于采用繩索連接的方式綁扎浮體，在水流和波浪作用下，浮體無法處于穩定狀態。施工時通過選擇海況較為平穩的窗口期進行管道鋪設，在波高>0.8 m時及時棄管，確保管道鋪設施工的穩步進行。

4 浮體安裝施工工藝

4.1 測量定位

通過鋪管駁船頭和船尾布置的2臺DGPS定位系統檢查鋪管駁的鋪設軸線。利用卷揚機將鋪管駁船頭左右2個錨按船舶定位系統布設到指定位置，再將船尾左右2個錨繼續按船舶定位系統布設到指定位置。布設完畢后根據定位系統將鋪管駁精準調整到設計軸線上。

4.2 管節焊接

在第1節鋼管端部焊接封口板，并在封口板上焊接2個球閥短管作排氣排水用。通過鋪管駁上方的履帶式起重機吊運管節至導向架上方，控制管節沿著導向架底部的被動輥下滑至托管架上方，管節一端通過抱緊器固定，履帶吊吊運下一節管節至導向架上方，下移至管道焊接平臺，和上一節管道在焊接平臺處完成對口，并在此處進行管道的焊接和檢測。放下管托架，卷揚機緩慢把鋼管一端下滑至導向架外，壓緊管道抱緊器，焊接法蘭，進行防腐處理，檢查球閥是否關閉。放松管道抱緊器卷楊機繼續緩慢把鋼管放下水，收緊管托架，繼續送管到管端拼焊位置，壓緊管道抱緊器依次開始第3節、第4節鋼管拼焊。

4.3 浮體綁扎

管道焊接和檢測工作全部完成之后，開始在管道上方綁扎浮體，通過尼龍繩索將浮體按照計算間距布置在管道上方，控制繩索長度為管道內部液面距離海面的高度，從而確保滿管段下沉荷載減小，而空管段管道上浮荷載基本不變。在管道頂部綁扎浮體完畢后，開始管道下放。待到管道沉底之后，安排潛水員將繩索割斷，用運輸船將浮體回收至鋪管駁的甲板上方，繼續進行綁扎，直到管道鋪設完成。

5 浮體助浮措施的效益分析

通過駁船改造的簡易鋪管駁進行本工程的長距離大直徑海域管道鋪設施工，只需在管道外部增加浮體，即能確保鋪管駁能夠在較深水域進行正常作業。專用大型鋪管駁每天的船機費用為45萬元，采用駁船改造而成的簡易鋪管駁每天的船機費用僅為22萬元，并且在管道上部綁扎浮體的施工工藝簡單，價格低廉，成本優勢明顯。

6 結語

文章對浮體助浮措施在大直徑薄壁海域管道鋪設施工中的應用進行了詳細介紹，給出了管道鋪設極限水深的計算方法以及給定管道鋪設條件下的浮體助浮安裝方案。通過在管道上部綁扎浮體，有效地解決了深水區海域管道鋪設施工的問題，并且浮體綁扎工藝簡單，價格低廉，降低了施工成本，提高了施工安全性。