海底悬跨的防治与维护措施

海底悬跨的防治与维护措施

海底管道被称为海洋气田开发的生命线。这是一种高效、经济、可靠的管道输送方式。实践表明，管道运输是海洋气田运输最有效、最安全的方式。海底的地形和地质构成,波浪与海流的作用,海底沙波或沙丘运动以及土壤性能的改变等等,都会引起管跨的发生。无论管跨由何原因产生,只要到达临界悬空长度,轴向过载应力和涡激振动会对管道的安全运行构成威胁;另外,悬跨管道失去了土壤的掩埋,在遭受坠物或抛锚冲击时更易受到损伤,加之悬跨的管道直接曝露于海床表面,容易与渔船拖网发生干扰、拖挂现象,甚至在拖拉下发生位移、屈曲。因此,寻找一种切实可行的管道悬跨治理方法,对保证海底管线在役期间的安全运行具有重要意义。1海底管道悬跨防治和维护技术针对海底管道悬跨这一重大安全隐患,国内外采用了多种海底管道悬跨防治和维护措施,常用的措施有重新挖沟埋管法、填埋覆盖法、水下支撑法、加重法、降流促淤法等方法。1.1式挖沟法深基坑重新挖沟埋设法可以消除管道悬跨的支撑肩,将管道沉降到冲刷深度以下,从而避免自由悬跨的发生。根据所采用的挖沟设备不同又分为犁式挖沟法和喷射式挖沟法。如图1所示。海底管道挖沟埋设,能避开、减轻或防止管道损伤或使损伤的危险减至最少,因而世界各国都对管道埋设有一定要求。海底管线的埋深取决于多种变量,其中包括波浪气候、沉积物的大小、潮流冲蚀和土壤液化的可能性,以及未来扩建航道、工程的重要性和管道损坏的环境影响等因素。重新挖沟埋管方法只用于悬空较长的管道,但是,对于悬空特别短,悬空高度不定的管道由于管沟的深度不好控制,以及定位困难可能会对管道造成伤害。1.2管道埋覆法管道填埋覆盖法就是用石子或沙袋将海底管道覆盖,防止管道悬空的产生,主要有以下几种方法:1.2.1撒堆岩石水下抛石作为最传统的海底管道冲刷、悬跨防治措施之一,在国内外海洋石油开发中已得到广泛应用,具有广阔的应用前景。图2为抛石法应用示意图。将石子抛撒在设计管道自由悬跨的维护位置,抛撒堆放石子将对自由悬跨起到支持作用,从而缩短了自由悬跨长度。该方法施工简单,无需工程设计,只要根据调查结果分析确定抛石位置,具有足够的系泊能力的抛石船即可,对管道不会造成任何危害。缺点是需要设计抛石导向装置。因为水深大于50m时,若不采用导流管法抛石,波浪和海流的作用,会使所抛石子大量漂离指定的抛落位置;而当水深大于100m时,由于抛石导流装置大,现场安装需要具有一定起重能力的吊机。另外,在波浪和海流的作用下也可能使堆放抛石处产生冲刷,抛石处海床若受到冲刷,所抛石子将会自动沉降,从而失去对管道自由悬跨的支持作用。1.2.2抛砂袋覆盖法抛砂袋结合混凝土块覆盖法主要应用在海底上游立管附近有明显的冲刷坑的情况下,此方法的工作原理是将每袋重约60Kg的水泥砂浆抛填在悬空管道以及其附近的冲刷坑里。为了保证海底上游悬空立管的悬空底部都能填满砂袋,此方法要求潜水员对抛填的砂袋进行整理。混凝土覆盖在抛填完砂袋的管道上,小的混凝土串连接成网状组成密度为320kg/m2的混凝土覆盖层,由此来增大覆盖层抗冲刷的能力,并且不会损坏海底管道。如图3所示。抛砂袋结合混凝土块覆盖法的优点是成本低,投资省;不需要停产。缺点是平台附近容易影响后续管缆施工;无法防止二次冲刷的产生;无促淤作用;有可能再次掏空,不稳定;且不太适宜于高悬跨的管段。1.2.3砂体材料的铺设针对海底管道冲刷严重的情况,国内学者发明了一种砂被保法来对海底管线悬跨进行治理。如图4所示。砂被采用高强度机织土工布,单位质量为480g/m2,厚度1.5mm,纵向、横向断裂强度为6000N/5cm。砂被内充填细粉砂。砂被规格为:10m(长)×5m(宽)×0.3~0.5m(高)。砂被铺设要求标准为两砂被之间搭接误差在0.75m以下;砂被冲填厚度误差5cm。平面误差1m之内。用砂被(类似羽绒被形式,中间充填砂)进行海底管线的保护。优点是砂被有柔性,与海床吻合好,防冲刷效果好。1.3水下防护法水下支撑法是在悬空段设置支承支架,以减少海底管道的振动,它可防止悬空管道由于涡激振动引起的管道断裂。主要的方法有:1.3.1间部位支撑桩防护此方法是依照缩短管道悬空长度的思路采用沿着悬空管道设置水下短桩支撑的方法,如图5所示。管道悬跨长度的中间部位进行支撑桩防护可以大大的降低管道悬空状态时所产生的应力集中,能够非常有效的起到海底管道保护作用。对于悬空段较长,悬空量较大,且冲刷不易消除的情况,宜采用打桩稳定管道的方法。水下支撑法的优点是施工简单,海上工期短;不需要停产;治理可靠性高,抗环境变化能力强。缺点是无法防止冲刷范围的扩展,无促淤作用。1.3.2支撑起吊法灌浆法是在治理悬跨的一种经济方法,主要用在悬跨高度较小的海底管道。图6是国外公司研发的一种灌浆设备,其是在海床上设置支撑模壳,用水泥灌浆浇筑成型。其可以支撑管道,使得管道受到向上的支撑;也可以增加尺寸覆盖在管道上,使悬跨的管道向下受力固定,增加管道的稳定性。这种灌浆法在浅水区,起吊水泥压块的大型船舶无法靠近作业的情况下具有很大优势;另外由于其是水下灌浆,也可以避免水泥压块和沙袋等对管道砸压造成的伤害。1.4抗冲击措施的校正加重方法是指在海底管道上加压载块。如果管道悬空段较长,但悬空量小,仅有几厘米,可以在管道上加压载块的方法进行校正。管道受到重物的作用而与海底接触,把管道压在海底上,避免涡激振动的发生。如图7所示,水泥压块背面装上橡胶护垫,可以保护管道外涂层,又可有效缓冲外力对管道的冲击作用。这种方法施工效率高,操作简单,但无法防止冲刷的继续发生,如果再次冲刷后形成悬跨,则会增加管道的轴向载荷为发生破坏的风险。1.5海底管线冲刷机理海底冲刷现象是造成海底管道悬跨的主要原因之一,其严重威胁着海底管线的安全运营,国内学者从海底管线冲刷机理入手,采取合理的方法来降低海流速度、促进泥沙的淤积。主要的方法有:1.5.1抗冲刷及加强护岸仿生水草覆盖法的机理就是通过使流经仿生海草的海底流速降低而减小海床的冲刷效果,与此同时,因为降低了海流流速,所以由于重力的作用泥沙不断沉积,从而达到重新埋藏海底管道的目的。经过一段时间的沉积,便逐渐形成一个泥沙与“人工草”紧密结合的纤维加强层将管线覆盖,这种“人工草”覆盖层非常坚固,可以有效抵抗海流的冲刷作用。如图8所示。国内研究结果发现,人工海草尚未被破坏时,确实具有明显降低海流流速和促进泥沙淤积的功能;人工海草垫直接铺设于海底管线之上,比铺设于海底管线之一侧更有利于管线的保护。这种方法的优点是一次性投资,可以一劳永逸地解决冲刷问题。“人工草”不需维修;安装后能够迅速阻止冲刷;能够逐渐形成永久性纤维加强埂;不影响周围水域中动植物的生长;在深水及浅水水域都可获得良好使用效果;沉积的泥沙等物质可以吸收能量,使水下管线免受外力冲击损伤。缺点是不适用悬空太高的情况;仿生水草的专营性强;水下作业量大,海上工期较长。1.5.2浮伞下缘沙截面2005年,国内学者发明了一项专利技术——海床泥沙截留、促淤积防冲刷装置。如图10所示。该装置包括柔性轻质浮帘、浮体、过沙窗口和重梁,其中浮帘的下缘捆绑在一个安放在床面的重梁上以使其固定,浮体设在浮帘上缘以保证浮帘不倒伏在床面上,在浮帘底部一定高度位置处开有矩形过沙窗口。其作用机理是:越过浮帘的水流在其背水面形成一个较大的横轴漩涡,浮帘上游的底沙经过沙窗口进入并淤积在该漩涡区内,因而对浮帘下游起到了底沙截留和促淤防冲的作用。该技术装置安装在海底管道上游,在理论上可以起到抑制冲刷悬跨的出现,但其实际应用效果有待进一步验证。1.5.3海底管道的鱼壳式回流板为了减小水流涡激振动引起的海底管线动力响应幅度,研究人员开发了多种抑制涡激振动的措施。对于海底管道,通常采用鱼鳍式导流板。如图11所示。加设导流板的海底管道在海域海床冲刷作用下可以实现管道自埋,从而减少管道振动、改善管道稳定性,抑制悬跨的出现。对于需要配置混凝土配重的海底管道,加设导流板还可以降低混凝土配重层厚度。1.6排水管的更换问题挠性软管作为海上油气输送手段近年来得到了广泛的应用,主要用于作为油气输送的立管、海底管线,也用于跨接管,在我国南海和渤海均有应用。如图12所示。软管具有挠性大,考疲劳能力强,易安装且可重复利用的特点。当海床受到冲刷时,软管可以依靠本身的重力,自然下垂并附着在海床上,防止进一步的悬空,这就避开了涡流激振对管道的影响,保证海底管道的安全运行。但对于已建成投产的海底管线,更换软管必须在管线停产的情况下方可实施,另外如存在海底管线与其它海底构筑物的交叉,实施起来较为困难;软管专营性强,成本高;抗外