大直徑深海管道浮體助浮鋪設管道變形數值計算分析

陳 錕

（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

以往石化工業園區產生的廢水都是直接排放至內河和近岸海域中，導致河流和近岸水域污染嚴重，對水體造成了巨大的破壞，直接影響了人們的生活和近岸的水產養殖產業。為了兼顧經濟發展和環境保護，降低污水處理的高昂經濟成本，在不污染海洋的基礎上充分利用海洋自身的凈化功能，實現達標尾水的順利排放，采用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。

徐圩新區達標尾水排海工程設計規模為：近期排放量8.57萬m3/d，遠期排放量11.83萬m3/d。項目海域工程范圍以入海點為界，管道走向為向北穿越濱海大道，沿平行防波堤鋪設，在防波堤東邊坡腳外邊沿250 m左右。然后在東防波堤北端折轉，鋪向排放口，海域段排放管全長22 279 m，最大鋪設水深約18 m。

海域管道工程平面布置圖見圖1。

圖1 海域管道工程平面布置圖

以往海域管道鋪設的施工水域水深較淺，只能在水深14 m以內的水域進行施工，無法滿足長距離海域污水管道的鋪設要求。為解決較深水域的污水管道的鋪設問題，將管道鋪設過程中的管道彎曲曲率控制在允許范圍之內，實現14 m水深以上海域的管道鋪設施工的順利進行，需探索深水條件下管道鋪設施工方法，并對施工過程中的管道形態進行專項設計。

1 海上建設條件

1.1 潮位

徐圩港區尚無長期潮位觀測資料，根據2005年9月和2006年1月水文測驗期間小丁港臨時潮位觀測資料，與連云港長期潮位站同步潮位資料建立相關，推算獲得徐圩港區設計水位如下（85國家基準）：50 a一遇高潮位為3.66 m（設計高水位），50 a一遇低潮位為-3.58 m，平均高潮位為1.94m，平均低潮位為-1.72 m（設計低水位）。

1.2 波浪

海區累年平均波高為0.5 m，各月平均波高為0.4～0.6 m。其中，秋冬季波高略大于春夏季。各向平均波高以偏北向為最大，其中NNW、N、NNE向平均波高均為0.9 m。海區累年平均周期為3.1 s，各月平均周期介于2.7～3.1 s之間。累年各向平均周期以NNE向為最大，達4.3 s；NE向次之，為4.1 s。

1.3 海底地形

連云港地區沿岸屬于廢黃河水下三角洲北緣的一部分，歷史上受黃河奪淮入海期泥沙擴散淤積的影響，沿岸底部普遍沉積了厚度不等的粉砂－黏土質淤泥沉積層，岸灘呈現淤泥質海岸特點。海床呈沖淤平衡、略有沖刷的態勢。

本項目海底路由位于連云港徐圩新區東側近岸，東西連島與灌河口之間海域，原始地貌為淺海平原，總體上呈西南高東北低的趨勢。路由及其附近海域，由岸向海方向，水深逐漸增加，坡度平緩，水深范圍0～18 m，等深線走向與岸線相近。

2 管道結構設計

2.1 管材選擇

在尾水排海工程中，管道工程投資在工程總投資中占有很大的比重，尾水排海管道屬于城市地下永久性隱蔽工程設施，要求具有很高的安全性和可靠性。因此，合理選擇管材是非常重要的。排海管道必須具有足夠的強度，以承受外部的荷載和內部的水壓。同時必須具有抵抗污水中雜質的沖涮和磨損的作用，也應有耐腐蝕性。內壁應整齊光滑，粗糙系數小，使水流的阻力盡量減小。

管材的選擇取決于施工方法、管道埋深、管道內壓、工程造價等因素。國內外排海工程海底放流管中，使用的管材有鋼管、鋼筋混凝土管、玻璃鋼管和HDPE管等。PE管、HDPE管有防酸耐腐蝕、內壁光滑糙率小等特點，但重量比較輕，海上鋪設管道須加混凝土配重塊間隔布置，對鋪管施工造成較大不便。鋼管具有強度大、剛度大、各向力學性能均勻、力學性能比較明確等特點。接頭可采用焊接，工藝成熟可靠，管道延性好，可容許的懸空距離長，一般海底地質沉降對管道幾乎沒有影響。

從降低海上埋管施工風險和控制施工工期的角度考慮，選擇鋼管作為海上埋管的管材。

2.2 管徑確定

本排海工程水量變化較大，近期規模為8.57萬m3/d，遠期規模為11.83萬m3/d，總排水流量按11.83萬m3/d考慮。管道直徑的選擇應既要保證管道流速不可過低，又要保證管道沿程損失適中，水泵揚程合理。同時，還要考慮施工方法和工程投資。根據《污水排海管道工程技術規范》（GB/T 19570—2017），“管道內最小流速不小于0.6 m/s，一般可取0.8～1.0 m/s”。根據水力計算和多方案比選，采用單根管道，管徑DN1 400方案。

2.3 管壁厚度

管壁厚度根據管徑大小、設計條件下的受力特點、管道防腐和經濟性等因素綜合確定為18 mm。

3 管道施工方法

鋪管船法是海底管道最常用的安裝方式。特別是在遠離海岸的海洋中敷設管道，鋪管船法鋪管幾乎是唯一的選擇。在水深較大的海域采用普通Q235B鋼管進行“S”型鋪設法管道敷設，管道張力較大，需要嚴格控制其水中形態。

本工程管道鋪設作業水深大于14 m時的管道鋪設長度為2 800 m，施工水深范圍在14～18 m，鋪設管道型號為DN1 400，外徑為1 420 mm，壁厚為18 mm，鋼管材質為Q235B鋼板卷制而成。采用浮體助浮的方式進行施工，通過在海域管道上部綁扎浮體來調節管道注水段的下沉荷載，將管道鋪設過程中的曲率控制在允許范圍之內。

首先將管節運輸至陸地碼頭，進行管節的拼裝，將兩節出廠的管節焊接拼裝成一節。其次將焊接拼裝并檢測完畢的管節吊運至管節倒運駁船上。通過倒運駁船將管節運輸至管道鋪設船上，儲運堆放。具體見圖2。

圖2 海域管倒運平面施工圖

管道鋪設施工前，通過DGPS檢查管道鋪設船的鋪設軸線。將管道鋪設船船頭船尾左右四個錨布設到指定位置，將管道鋪設船精準調整到設計軸線上。在第一節鋼管端部焊接封口板，并在封口板上焊接兩個球閥短管作排氣、排水用。通過履帶式起重機吊運管節至導向架上方，在焊接平臺處完成管道的焊接和檢測。管道焊接并檢測完畢之后，把鋼管一端下滑至導向架外，壓緊夾管器，焊接法蘭，防腐，檢查球閥是否關閉，放松夾管器卷楊機繼續緩慢把鋼管放下水，在管道上方綁扎浮體（見圖3）。

圖3 管道鋪設船布錨位置及布錨圖

松開抱緊器，控制錨機，通過收纜拖動管道鋪設船向后移動，向管道內部灌水，進水量采用流量計進行準確計量。在管道沉放過程中，控制管道移動的速度和注水的速度一致。同時對托管架前端的受力情況進行觀測，校核注水與沉管速度的同步性，觀察安裝在管道上的測量浮標的水下深度校驗管道在水下的形態。管道下滑至海底之后，安排潛水員割除管道上綁扎的浮體（見圖4），通過運輸船回收利用。

圖4 浮體助浮管道鋪設施工示意圖

管道鋪設施工過程中遇到臺風或者暴風雨等惡劣天氣預報時，為避免惡劣天氣導致施工船只和已經完成鋪設的管道造成破壞，需要及時停止管道的焊接作業，使用封頭堵板將管道封住。同時松開管道抱緊器，將管道緩慢下放至海中。使用水泵向管道內部注水下放至海底，標記棄管位置。繼續進行管道鋪設施工時，使用起重船將管頭吊起。同時打開管道另一端的出水閥門向管道內部充入高壓氣體，將管道內部的海水從另一端的閥門排出，使管道浮起，并將管道拖至抱緊器繼續進行焊接和管道鋪設作業。

為保證鋪設完畢管道的質量符合要求，在管道鋪設完畢覆土之前需要進行管道水壓試驗。在管道注水端焊接封頭堵板，將管道脫離托管架，使管道轉變為棄管狀態，進行灌水和排氣，以無變形、無滲漏、不降壓為合格。

已經鋪設完畢的管道，經過試壓檢測合格之后，采用多功能水力沖溝機進行溝槽沖溝開挖埋設，在鋪設完畢的管道下放沖出溝槽，利用管道自身重力將管道埋設至溝槽之中。然后回填溝槽，將管道埋設至設計深度。最后回填海砂碎石，保護海域管道。

深海管道敷設過程中，管道一端置于海底，另一端與鋪管船甲板上的導管架和托管架相連接。中間有一段較長的懸跨段。懸跨段變形較大且受力復雜，管道可能發生彎曲。懸跨段管道為幾何非線性和彈塑性大變形結構，而管道的懸跨長度和著地點的受力情況未知，分析難度較大。本文采用有限元方法建立管道和水域模型，研究管道敷設過程中懸跨段在重力、浮力、水流力等作用下的變形特征。同時，根據曲率半徑不小于800 m的管道設計要求，分析管道敷設過程中應采取的必要措施。

4 數值模型

4.1 水動力基本方程

有限元計算中，假設流體是不可壓縮的，能夠傳遞能量和浮力。與ALE變形網格一起使用，可以進行流固耦合分析。其流體的控制方程為：

對于穩態水流而言，動量守恒方程的積分形式變成：

式中：V為具有表面積S的任意控制流體；n為S的外法向；ρ為流體密度；v為速度矢量；vm為移動網格的速度；f為體積力，本文主要為重力g；τ為黏性切應力。

上述不可壓縮流體方程，被稱為納維-斯托克斯方程。在工程應用的復雜幾何邊界上求其解答，必須采用一些特定的算法才能實現。因本文計算為圍堰結構和水流的相互作用問題，圍堰在外力作用下發生變形，對于任意一個變形區域，使用先進的二階投影形式。然后基于固定網格的SIMPLE算法，采用壓力的一個節點為中心的有限元離散和所有其他傳輸變量的體積中心的有限體積離散。當保持與傳統有限體積法相關聯的局部保守屬性時，此種混合法可保證解的精確性。

4.2 有限元模型

本文建立有限元模型分析不同水深管道懸空段的變形情況，應根據本項目管道深海敷設的水深變化，分別建立不同尺寸的流體域和管道模型，設計了12 m、14 m、15 m、16 m、17 m、18 m、19 m共7個水深工況。不同水深管道水下懸空段長度分別為132 m、154 m、165 m、176 m、187 m、198 m和209 m，同時考慮20.1 m長托管架上的管道。根據裝管后敷管船船頭吃水深度為2.6 m，按照導管架傾斜角度考慮，托管架通常約有1.73 m長在水面以下。有限元模型中按托管架均在水面以上考慮，其計算結果偏于安全。

水域模型尺寸考慮管道長度和水流波長等因素，垂直于管道軸線方向取10個波長（本文取60 m），管道軸線方向考慮管道懸空段和托管架長度，深度方向按計算水深考慮。管道初始狀態按照導管架的傾斜度插入水中，見圖5。

圖5 有限元計算模型

（1）單元尺寸

管道采用8節點修正二次六面體拉格朗日單元（C3D8R），水采用8節點流體單元（FC3D8）。管道壁厚方向設一個單元，即單元尺寸為18 mm，管道軸線方向尺寸0.5 m。水單元尺寸與管道軸線方向單元尺寸一致。

（2）參數的選取

計算中需考慮流體（海水）與管道的相互作用。有限元計算中根據能量傳遞的方式進行。海水材料參數應包括與溫度相關的參數，本文所取參數按氣溫20℃時考慮。具體參數選取見表1。

表1 參數選取

（3）荷載與邊界條件

管道的重力通過施加重力荷載實現，采用平滑分析步施加，加載時間取10 s。水流浮力和水流波浪力由水體運動與管道的相互作用施加。后續施加的浮漂力按集中荷載施加。

管道按簡支邊界考慮，即觸入海底處為三方向位移約束，20.1 m長托管架處按豎向位移為零的邊界處理。托管架頂端除了約束管道豎向位移外，與管道軸線垂直的水平方向位移亦約束，管道邊界條件見圖6。

圖6 管道邊界條件

在水體的側面施加速度邊界條件，速度方向與管道軸線垂直。邊界流速按Stokes五階波理論計算，水域邊界按自由流入邊界考慮。以下計算水流流速取2 m/s考慮，平均波高取0.5 m，平均周期取3.1 s。

5 管道變形分析

敷管過程中，管道受到導管架、托管架和海底的約束作用。同時受到重力、水流浮力等的作用。管道在施工過程中，為將管道沉入海底，需在管道內注水。為防止重力作用下，懸空管道的屈曲變形過大，會在管道出水端留出空管段。空管段的長度需根據管道屈曲變形的要求（按設計控制曲率半徑為800 m考慮，根據彈性力學計算，管道最大控制應力為188 MPa）確定。本文根據不同水深，經過大量試算，得出不同水深下管道的變形和浮漂安裝方案，保障管道能夠安全、順利敷設。

管道鋪設有限元計算部分結果如下所示：

（1）管道敷設水深為12 m時，管道總長度為142 m，水下空管段長度為45 m，滿管段長度為87 m。管道最大豎向變形43 cm，最大上浮量為17 cm；管道最大應力為156 MPa≤188 MPa，滿足設計要求（見圖7、圖8）。

圖7 12 m水深管道豎向變形

圖8 12 m水深管道最大應力圖

（2）管道敷設水深為14 m時，管道長總長度為174 m，水下空管段長度為64 m，滿管段長度為90 m。管道最大豎向變形17 cm，最大上浮量為99 cm，管道最大應力為183 MPa≤188 MPa（見圖9、圖10），滿足設計要求，但是管道應力已接近極限狀態，且管道上浮量較大。因此，施工到14 m水深的海域，應密切監測管道變形及應力，且空管段不應超過64 m。

圖9 14 m水深管道豎向變形

圖10 14 m水深管道最大應力圖

（3）管道敷設水深為15 m時，管道總長度為185 m，水下空管段長度為55 m，滿管段長度為110 m。管道最大豎向下沉量134 cm，最大上浮量為21 cm，管道最大應力為268 MPa≥188 MPa（見圖11、圖12），超過最大控制應力，管道豎向變形過大，已經不滿足安全施工要求。因此，應在滿管段加適當數量的浮漂，增加滿管段上浮力，以便調整管道姿態和應力。

圖11 15 m水深管道豎向變形

圖12 15 m水深管道最大應力

經試算，滿管段長度為110 m，每米加1個浮漂（每個浮漂力按200 kg計），滿管段管道最大豎向下沉量21 cm，最大上浮量為83 cm，管道最大應力為178 MPa≤188 MPa（見圖13、圖14），滿足設計要求。

圖13 15 m水深加浮漂管道豎向變形

圖14 15 m水深加浮漂管道最大應力

通過不同工況下管道變形和應力的計算分析，對不滿足設計要求的工況，經過試算給出了滿管段安裝浮漂的方案，使管道變形與應力控制在設計范圍之內，確保管道能夠安全、順利敷設。根據計算分析結果，不同水深條件下，管道空管段、滿管段和浮漂安裝方案見表2。

表2 管道浮體綁扎方案

6 結論

徐圩新區達標尾水排海工程海域工程范圍以入海點為界，海域段排放管全長22 279 m，管道敷設最大水深達到18 m，水深大于14 m的管道鋪設長度為2 800 m，管道鋪設過程中需要嚴格控制管道彎曲曲率在允許范圍之內，施工難度非常大。本文介紹了能夠適應水深較大工況的深海鋪管施工方法，并對施工工藝參數進行了定量的計算分析，得到以下結論：

（1）為適應水深較大工況，深海鋪管施工可采用鋪管船施工，通過控制管道注水段長度調節下沉荷載，通過在管道上部綁扎浮體助浮，控制管道在水中的姿態，將管道鋪設過程中的曲率控制在允許范圍之內。

（2）通過數值計算，在水深14 m以內水域施工，僅通過控制管道注水段長度，可控制施工過程中管道變形與應力達到設計要求。

（3）通過數值計算，管道鋪設施工水深超過14 m時，在不加浮體輔助裝置的情況下會導致管道的變形曲線超過允許的限度，應增加浮體裝置減小管道滿水段的下沉荷載。為控制施工過程中管道變形與應力達到設計要求，水深15 m工況下，滿水段安裝浮體1個/m；水深16～17 m工況下，滿水段安裝浮體1.5個/m；水深18～19 m工況下，滿水段安裝浮體2個/m。

在管道下水之前將浮體按照計算好的間距通過繩索布置在管道頂部。繩索長度應該與管道空管段的水位深度保持一致，在管道下放過程中不斷在管道頂部綁扎浮體。管道下沉至海底之后，安排潛水員割除管道上綁扎的浮體，通過運輸船回收利用。