鋼質(zhì)海洋放流管沉放工藝研究及應(yīng)用

麥研，趙健，吳凱，王勇

（中交四航局第八工程有限公司，廣東 惠州 516003）

0 引言

目前，國際上大部分海底管道的安裝工程是服務(wù)于海洋石油領(lǐng)域，都是采用專用海洋管道鋪管船。海洋放流管多應(yīng)用于沿海排污工程，屬于輸水管道，通過敷設(shè)于陸地和海底的管道，離岸輸送污水到一定的水下深度，再利用水下多孔擴(kuò)散器稀釋污水，達(dá)到環(huán)保排放要求。受到水深和管道長度、曲率的限制，專用鋪管船無法適用于近岸或接岸的海底放流管安裝。近岸或接岸的海底放流管安裝主要有：水面拖帶、離底拖帶和海底拖帶3 大類。離底拖帶對浮力控制要求高、工藝復(fù)雜，難以控制；海底拖帶會(huì)損傷管道涂層、易于陷入淤泥。水面拖帶便于直觀控制，但是對海況的要求很高，故一般選擇在浪涌較小和沒有季風(fēng)的季節(jié)進(jìn)行鋼質(zhì)放流管沉放。放流管多為大口徑薄壁鋼管，兩端封堵后能漂浮在水面上，管道海上浮運(yùn)到達(dá)預(yù)定位置進(jìn)行灌水沉放安裝。

管道灌水沉放是典型的大變形過程，灌水過程中，管道軸線發(fā)生大變形，具有極強(qiáng)的非線性，同時(shí)管道自身應(yīng)力需小于許用應(yīng)力，以滿足管道安裝質(zhì)量要求。李成凱等[1]基于油氣管道，建立工程船提吊沉放管道的模型，對不同管道沉放方案的彎矩應(yīng)力進(jìn)行分析。唐志堅(jiān)[2]利用應(yīng)變計(jì)監(jiān)測過江管道灌水下沉過程中的實(shí)時(shí)變化情況，實(shí)時(shí)指導(dǎo)起重船下放吊纜。林森[3]基于油氣管道，對管道下放過程進(jìn)行數(shù)值仿真和分析，指出隨著安裝水深的加大，管道在豎直平面的應(yīng)力應(yīng)變不可忽視。肖揚(yáng)洋等[4]基于U 形過江管道，分析在氣囊和吊纜輔助下，過江管道沉放的應(yīng)力分布及吊纜張力。孫國民等[5]基于油氣管道，利用OFFPIPE 軟件對管道的沉放和提吊進(jìn)行分析。陳猛等[6]采用氣囊和吊帶輔助HDPE 管道沉放，研究氣囊數(shù)量的配置方法和原則。曲楊[7]結(jié)合海底油氣管道，對管道在提吊和下放的過程進(jìn)行受力分析，研究管道在提吊和沉放過程中的變形和應(yīng)力分布狀態(tài)。林富等[8]對排海壓力管道沉放施工進(jìn)行研究，通過合理布置管道吊點(diǎn)，使用起重船控制管道灌水沉放。謝遵哲等[9]以排海管道施工為例，配合3 艘起重船作業(yè)，通過起重船吊纜控制管道的曲率半徑和應(yīng)力，成功完成管道的沉放施工。童小飛[10]以海底輸油管道工程為例，闡述了懸掛配重的方式進(jìn)行管道海上沉放的施工工藝及相關(guān)措施。目前，對于海底管道的沉放工藝主要分為3 類，即起重船控制吊纜輔助沉放、氣囊輔助沉放和吊纜+氣囊共同輔助沉放。起重船控制吊纜輔助沉放主要應(yīng)用于海底油氣管道，氣囊輔助沉放主要應(yīng)用于海底HDPE 管道沉放，吊纜+氣囊輔助沉放主要用于過江曲線管道的沉放。而針對鋼質(zhì)海洋放流管的沉放工藝研究較少。

本文以鋼質(zhì)海洋放流管為對象，從沉放姿態(tài)、臨界沉放水深和沉放深度控制等方面進(jìn)行工藝研究，探討近岸鋼質(zhì)海洋放流管沉放工藝。

1 工程概況

海洋放流管工程是廣東揭陽大南海石化工業(yè)園區(qū)配套輔助設(shè)施工程之一，建設(shè)排海規(guī)模為3.4萬m3/d 的尾水排放管道。作為第一階段的尾水排放設(shè)施，放流管是處理達(dá)標(biāo)污水的主要排放管道，項(xiàng)目總布置如圖1 所示。海洋放流管總長約4.1 km，材質(zhì)為Q235 鋼管，管內(nèi)徑為1 000 mm，壁厚16 mm。

常規(guī)的海上吊裝施工工藝，受限于駁船裝載能力和起重船起重能力，單段管道僅能做到100 m長，需安裝和對接41 次，工期壓力巨大。本研究安裝工藝采用分節(jié)水下安裝，先在陸上焊接數(shù)百米的鋼管，再拖管下水，下水后使用拖輪拖帶浮運(yùn)管道，就位后灌水沉放，管節(jié)之間的連接采用水下法蘭對接。

工程所處粵東地區(qū)海上環(huán)境惡劣，受到臺(tái)灣海峽的影響，海浪中涌浪成分占比居中；每年的11 月—次年4 月受到季風(fēng)的影響，且頻發(fā)海霧，基本沒有作業(yè)時(shí)間；直至每年的5—11 月有效作業(yè)時(shí)間增至約10 d/月。

2 工藝沉放研究

管道在沉放過程中，水深是影響管道沉放應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù)。隨著沉放水深的增加，管軸的等效應(yīng)力也隨之增大；當(dāng)超過臨界深度時(shí)，管道沉放應(yīng)力大于自身許用應(yīng)力，此時(shí)采用氣囊+吊帶輔助管道沉放[6]，根據(jù)沉放深度和次數(shù)配置不同長度的吊帶并封鎖吊帶的一部分長度，實(shí)現(xiàn)管道水下多次下沉，每次下沉深度小于臨界深度。管道沉放工藝分析流程如圖2 所示。

圖2 工藝分析流程Fig.2 Process analysis process

2.1 管道沉放臨界深度分析

1）放流管主要參數(shù)

以500 m 長度的管節(jié)為研究對象，為了探究其沉放的臨界深度，分析該管節(jié)在不同水深沉放下的等效應(yīng)力，放流管的主要參數(shù)見表1。

表1 放流管主要參數(shù)Table 1 Main parameters of outfall pipeline

2）管道直接沉放分析

采用Midas Civil 建立500 m 長放流管模型，單元長度設(shè)為1 m，將海床面及海水浮力模擬為非線性彈簧，灌水荷載模擬為豎向均布荷載，管道兩端采用鉸支約束，采用牛頓迭代法進(jìn)行求解，分別模擬1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m和8 m 等8 種不同的水深，模型及分析結(jié)果如圖3 和圖4 所示。圖4 中等效應(yīng)力變化結(jié)果表明，管道最大等效應(yīng)力隨著沉放深度的增加而增加；當(dāng)沉放深度為5 m 時(shí)，管道最大等效應(yīng)力接近許用應(yīng)力170 MPa；對于內(nèi)徑為1 m、壁厚16 mm 的Q235 鋼質(zhì)放流管，臨界沉放深度為5 m。

圖3 放流管有限元模型Fig.3 Finite element model of marine outfall pipeline

圖4 管道沉放深度-應(yīng)力分析Fig.4 Analysis of depth-stress for pipeline sinking

2.2 氣囊輔助管道灌水沉放受力分析

1）助浮氣囊配置

氣囊數(shù)量由助浮安全系數(shù)和管段負(fù)浮力共同確定。管段的助浮安全系數(shù)是指氣囊總浮力與管道負(fù)浮力的比值。為了確保灌水完成后，在氣囊的助浮作用下，管段可以穩(wěn)定地懸浮于水中，以便進(jìn)行管段的對接等操作，一般助浮安全系數(shù)不小于1.4[6]。考慮助浮安全系數(shù)后，進(jìn)行不同浮力氣囊的配置分析，500 m 管長的助浮氣囊配置結(jié)果見表2。表2 結(jié)果可知，不同浮力規(guī)格的助浮氣囊所需的氣囊數(shù)量和間距各不相同，對于500 m 長度的放流管管節(jié)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和施工便利性，選擇5 t 助浮氣囊效果最優(yōu)。助浮氣囊示意圖見圖5。

表2 氣囊配置Table 2 Buoy configuration

圖5 助浮氣囊示意圖Fig.5 Schematic diagram of buoyancy aid

2）氣囊輔助管道沉放有限元分析

基于2.1 節(jié)中直接沉放的有限元管道模型及臨界沉放深度5 m，將助浮氣囊和海水浮力模擬為非線性彈簧，灌水荷載模擬為豎向均布荷載，管道兩端采用鉸支約束，采用牛頓迭代法進(jìn)行求解，分析結(jié)果如圖6、圖7 所示。圖6—圖7 的結(jié)果表明，管道灌水初期，管道線形呈現(xiàn)J 形，當(dāng)100 m 長管道灌水后，氣囊開始發(fā)揮作用；管道開始呈現(xiàn)S 形，灌水100～400 m 范圍內(nèi)，管道軸線始終保持為S 形軸線，過程中最大等效應(yīng)力為142 MPa；當(dāng)灌水長度超過400 m 時(shí)，管道軸線又呈現(xiàn)J 形，隨著灌水長度增加，直至灌水沉放結(jié)束。

圖6 管道豎直平面變形圖Fig.6 Deformation of pipeline in vertical plane

圖7 管道灌水沉放250 m 長度時(shí)應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of pipeline sinking with 250 m length for water filling

2.3 水下多次沉放工藝

管道沉放過程，管軸線呈現(xiàn)S 形狀，根據(jù)管道沉放時(shí)水深條件的不同，確定氣囊輔助管道沉放的次數(shù)，即是所謂水下多次沉放，典型的水下多次沉放吊帶封鎖示意如圖8 所示。管道初次沉放為灌水沉放，灌水沉放后管道的負(fù)浮力由氣囊平衡，此時(shí)分析管道剩余沉放的深度，若大于臨界沉放深度，則管道進(jìn)行水下再次沉放，每次沉放深度小于臨界沉放深度，直至管道剩余沉放的深度小于臨界沉放深度。水下多次沉放采用吊帶封鎖的工藝，根據(jù)沉放的次數(shù)選擇合適長度的吊帶，使用繩索（犧牲繩）將吊帶長度臨時(shí)封鎖，每次在水下沉放時(shí)割除一段繩索，釋放一部分長度吊帶，使得管道能夠在水下多次沉放。

圖8 水下多次沉放吊帶示意圖Fig.8 Diagram of multiple underwater sinking

3 施工方案設(shè)計(jì)

工前需檢查氣囊的充氣程度，確保連接吊帶的綁扎正確。同時(shí)，需額外準(zhǔn)備1/5 的備用氣囊和吊帶，海上氣囊失效后能及時(shí)補(bǔ)位。

3.1 灌水沉放

1）水深小于臨界水深

此時(shí)無需氣囊吊帶輔助沉放，直接進(jìn)行管道灌水沉放，打開管道一端盲板上的閥門，灌水端管頭明顯下沉后，開啟管道另一端盲板上的閥門，一端灌水、一端放氣；同時(shí)，起重機(jī)抬起放氣端的管頭，保證放氣端始終在水面以上，海上從灌水端逐漸向放氣端流入，管道也逐漸下沉坐底；放氣端即將下沉?xí)r，松開起重機(jī)，使得放氣端坐底沉放。灌水沉放示意如圖9 所示。

圖9 氣囊吊帶輔助放流管灌水沉放Fig.9 Buoy sling assisted outfall pipeline sinking

2）水深大于臨界水深

當(dāng)管道沉放水深＞臨界水深時(shí)，此時(shí)采用氣囊+吊帶輔助沉放，沉放步驟同上；灌水沉放時(shí)氣囊發(fā)揮其浮力作用，并且控制管道沉放的深度，氣囊由進(jìn)水端至放氣端逐漸發(fā)揮其浮力作用；直至放氣端也全部沒水，氣囊發(fā)揮全部浮力的作用，如同起重機(jī)般將滿水的管道整體抬吊于海上。

3.2 水下再次沉放

1）水下再次沉放

當(dāng)管道距離管槽底部的深度＞臨界沉放深度時(shí)，通過割除封鎖吊帶繩索，進(jìn)行管道水下再次沉放。潛水員在水下從一端到另外一端，依次將封鎖吊帶長度的繩索割除。隨著吊帶長度的變化，管道將繼續(xù)向下沉放，直至所有的繩索割除完畢，管道完成水下再次沉放。

若水下二次沉放后，管道距離管槽底部的深度仍然大于臨界沉放深度時(shí)，則繼續(xù)進(jìn)行管道水下沉放，工藝同上。根據(jù)沉放次數(shù)的不同，提前設(shè)置多個(gè)封鎖吊帶的纜繩。水下多次沉放時(shí)，每次水下沉放割除一個(gè)封鎖纜繩，直至管道距離管槽底部的深度＜臨界沉放深度。再次沉放示意如圖10 所示。

圖10 放流管水下再次沉放Fig.10 Outfall pipeline underwater re-sinking

2）管道坐底沉放

當(dāng)管道距離管槽底部的深度＜臨界沉放深度時(shí)，進(jìn)行管道坐底沉放。潛水員在水下從一端到另外一端，依次割除與管道連接的氣囊吊帶。隨著氣囊吊帶的割除，管道逐漸下沉坐底至掛管槽中，直至所有氣囊吊帶割除完畢，完成管道的最終坐底沉放。

4 應(yīng)用效果分析

現(xiàn)場沉放如圖11 所示，其中近處為漂浮于水面的管道，遠(yuǎn)處已經(jīng)完成一次沉放，中間段為過渡的S 形管道。在依托工程的施工中，采用本研究所用的沉放工藝，最終提前1 個(gè)月完成了工程項(xiàng)目。采用潛水測深表以及超聲波測深儀檢測管道安裝標(biāo)高，標(biāo)高誤差小于±50 cm；采用GPS 等測量儀器檢測管道安裝軸向偏差，軸向誤差小于±50 cm；采用2 mm 塞尺檢測法蘭接頭縫隙，縫隙小于2 mm；各參數(shù)檢測合格，滿足驗(yàn)收要求。

圖11 放流管海上沉放Fig.11 Marine sinking of outfall pipeline

5 結(jié)語

本文以長500 m、內(nèi)徑1 m 的鋼質(zhì)放流管為研究對象，采用數(shù)值分析方法，以S 形管段的等效應(yīng)力為限制條件，確定管道沉放的臨界深度；以助浮安全系數(shù)和管段負(fù)浮力共同確定氣囊的浮力、氣囊數(shù)和間距等配置；以水下多次沉放的方式最終實(shí)現(xiàn)放流管的沉放，并在依托工程中應(yīng)用效果良好。工藝總結(jié)如下：

1）管道灌水沉放時(shí)，隨著沉放深度的增加，管道等效應(yīng)力也隨著變大，在管道安裝前需分析管道沉放的臨界深度，并在安裝過程中嚴(yán)格控制管道單次沉放的深度；

2）通過在水下割除臨時(shí)封鎖吊帶長度的繩索，實(shí)現(xiàn)控制沉放深度和水下多次下沉，保證了沉放過程的安全性；

3）氣囊+吊帶輔助管道沉放工藝，對船機(jī)設(shè)備要求低，設(shè)備種類和數(shù)量少，同時(shí)也能適應(yīng)各種不同的水深，施工便利性和經(jīng)濟(jì)性較好。