海底石油管道弧线段设计方法及施工控制

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摘要：本文主要论述了海底管道弧线段铺设时对最小曲率半径的要求和计算方法，并对弧线段铺设期间的铺管监控进行了简介。

关键词：海底管道，弧线铺设，曲率半径，铺管监控

Abstract: this paper mainly discusses the pipeline arc segment on the smallest laid curvature radius requirements and calculation method, and during the period of arc laid shop on the tube monitoring introduction.

Key words: the pipeline, curve laid, the curvature radius, spread the monitoring

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

前言

由于海底地貌和地质情况千变万化，加之已存在水下设施的影响，在设计海底管道路由时往往无法选择直线，而需要在海管路由中间设计若干弧线段。对于深水的高温/高压海底管道，有的项目还会将其路由中的一部分设计成连续的波形以削弱因热膨胀而引起的屈曲，使得铺管船在铺管时像蛇一样前进（Snake Lay）。在安装设计阶段，有必要对海管设计路由中弧线段的曲率半径进行校核，确定是否满足目标铺管船的铺设要求。同时，针对规格书中对于弧线段铺设精度的要求，制定合理的铺设监控措施以保证铺管精度。

概述

对于海管路由弧线段的最小曲率半径，许多船级社和公司都给出了推荐算法，如DNV、ABS等，虽计算公式有所差别，但原理基本上是相同的，即利用海管与海底土壤的侧向摩擦力克服底部铺设张力。如果侧向摩擦力太小，已铺设的弧线段海管将发生滑动，从而增大曲率半径直至与底部张力平衡。海管路由弧线段的曲率半径，在基本设计或详细设计阶段已经确定。在安装设计阶段，海上安装承包商一般会根据铺管船的特征校核此曲率半径，或在设计前期将所投入铺管船针对该条海底管道所需的最小曲率半径告知业主，使设计承包商在设计海管路由时能够充分考虑到海上安装承包商的需求。

一般来说，规范对于海管弧线段的铺设精度要求，并不会低于海管的直线段。而在使用S-Lay方式铺设海底管道时，海管着泥点距离铺管船艉少则上百米，多则一千多米。若要将海管沿设计的弧线路由铺设到设计位置，对铺管船的控制提出了很高的要求。除了借助高精度的定位设备和详细的铺设计算分析外，还可辅以先进的水下调查、定位设备，如Remote Operated Vehicle（ROV）、Long Base-Line（LBL）等。

弧线段曲率半径的确定

在海管路由弧线段最小曲率半径方面，ABS、DNV等规范中都有所描述，同时不少油公司和工程公司也有自己的算法，而业内也流传着一些经验公式。

ABS规范

在ABS: Guide for Building and Classing Subsea Pipeline Systems的第3章第7节的1.3中，弧线段最小曲率半径应满足：

[1] （式1）

其中,

R :路由曲率半径；

T :底部铺设张力；

μ :土壤侧向摩擦系数；

WS: 海管水中重量。

DNV规范

在DNV-RP-109第4.3节中，为实现海管弧线铺设，要求水平张力满足：

[2] （式2）

其中,

H :水平张力；

RC : 路由曲率半径；

μ :土壤侧向摩擦系数；

WS: 海管水中重量；

FR : 被动土抗力。

DNV-RP-F109中除了考虑管土之间的侧向摩擦外，还考虑了管体有一部分入泥（FR）。对于FR的求解，该规范中给出了详尽的推导公式，并且区分了砂和粘土的不同工况。显然，由于FR的存在，同一工况下式2所计算出的最小曲率半径小于利用式1得出的最小曲率半径，式1计算出的结果相对保守。

其他公式

除了上述两个公式外，业内还有一些经验公式，比如：

（式3）

其中,

SF :安全系数（1.5~2.0）；

可以看出，上式与ABS的计算公式大体相同，只是多乘上了一个安全系数，使得结果趋于更加保守。

算例

下面将根据二个实际项目的海管数据，利用本文中列举的公式计算路由弧线段的最小曲率半径，然后与这二个项目海管的设计曲率半径相比较。由于设计的曲率半径如果满足式3，则同样满足式1和式2，故将以式3为例进行计算。

东方1-1海管项目

该项目中CEP平台至登陆点的22″海管在KP0.5-KP1.5之间为弧线段，设计曲率半径为1200米，水中重量为0.264t/m；考虑到海管外涂层为混凝土配重层，且海底地质为粘土，取侧向摩擦系数为0.5；经过铺管计算分析，得出底部张力为769KN；安全系数取2.0。将以上数据代入式3，求得的最小曲率半径为1189米，故1200米的设计曲率半径能够满足铺设要求。

蓬莱19-3二期海管项目

该项目中WHP-F平台至RUP平台24″海管弧线段的设计曲率半径为1000米，水中重量为0.158t/m；海管外涂层同样为混凝土配重层，且海底地质为粘土，取侧向摩擦系数为0.5；经过铺管计算分析，得出底部张力为221KN；安全系数取2.0。将以上数据代入式3，求得的最小曲率半径为570米。故设计的曲率半径满足铺设要求，而且根据海管铺设的后调查成果显示，24″海管的弧线段并没有发生滑动现象。

弧线段铺设的控制

铺管船的控制

当海管铺设进入弧线段时，对铺管船的控制提出了很高的要求。首先根据铺管计算得到着泥点距离船尾的长度，然后移船时控制着泥点的位置位于弧线段的设计路由上。一般来说，铺管船的艏向与着泥点处弧线的切线方向一致。而在恶劣海况条件下，尤其对于动力定位铺管船，船艏向会根据现场情况进行适当调整。

铺管监控

如果施工海域的水下能见度允许，在进行海管的弧线段铺设时，可使用ROV水下监控着泥点位置（图1）。在此过程中，ROV始终位于已铺设海管的上方，利用自身携带的信标（Ultra Short Base-Line Beacon）和声纳将信号传送至ROV控制室和铺管船驾驶台。驾驶台依据该信号控制铺管船的位置和移船。

图1铺管期间着泥点监控

在深水海底管道工程中，由于USBL的精度随着水深的增大而降低，当USBL的精度不能满足要求时，有必要使用LBL定位设备进行辅助。预先在海管弧线段设计路由的两侧布设若干LBL阵列，ROV携带LBL信标用于监控海管着泥点位置。

结束语

海底管道弧线段的铺设作为海上施工的一个关键风险点，对前期的设计计算以及海上施工过程中的组织管理水平提出了较高的要求，希望此文能对其他的同类工程有所帮助。当然，文中提到的某些方法也有待进一步思索和改进，这也是今后不断努力实践的方向。

参考文献

[1] American Bureau of Shipping. GUIDE FOR BUILDING AND CLASSING FACILITIES ON OFFSHORE INSTALLATIONS, 2000.

[2] DET NORSKE VERITAS. RECOMMENDED PRACTICE DNV-RP-F109 ON-BOTTOM STABILITY DESIGN OF SUBMARINE PIPELINES, OCTOBER 2007.

[3] Per Kristian Forbord, Lars Myklebost, Arne Skeie, Bård Owe Bakken, Gisle Morisbak Lund, DEEP WATER PIPELAY IN HARSH ENVIRONMENT. D.O.T. 2006.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。