在海底管道设计和施工检验中所遇问题探讨VIP

在海底管道设计和施工检验中所遇问题探讨在海底管道设计和施工检验中所遇问题探讨 何 明 （中国船级社广州分社） 提提 要要 本文对我国东南沿海长距离输送海底管道设计和施工检验中所遇到的技术问 题进行了分析和探讨 Summary Summary This aper analyses and discusses the problem meeting in inspection to long distance transmitting subsea pipeline located in south-east chain seashore during design and installation phase 关键词 关键词 海底管道 设计 安装 检验 Key WordsKey Words Subsea Pipeline Design Installation Inspection 目前，在我国东南沿海有下面几条登陆的海底管线（海上油田内部的海管不计） ： 序号 名 称 管径(mm)输送介质 长度(km) 最大水深 (m) 1 茂名水东港 25 万吨原油 接卸装置海底管道系统 864 原油 15 25 2 惠州大亚湾 15 万吨原油 接卸海底管道系统 610 原油 10 17 219 LPG 3 温州小门岛 LPG 中转站 海底管道系统 60 柴油 9 21 上述海底管道系统全部由中国船级社完成第三方公证检验。 船级社有自已的规范和计算 软件，参照国际上公认的标准进行图纸审查、管段的制造和予制检验及海上安装检验，对设 计和施工中存在的问题经过与设计方和施工方的讨论得到了很好的解决， 现把其中有些问题 作一些归纳和分析。 1 管道安装期间和长期使用期间的稳定性 1 管道安装期间和长期使用期间的稳定性 安装期间管线铺设在海床上之后还没有挖沟回填之前， 在环境载荷的作用下， 存在管线 随时间增长位移逐渐增加，即座底不稳定的的问题。为此，安装中一般尽快挖沟或予挖沟， 如遇台风等恶劣天气则采用充水的办法保持坐底稳定性。按照 DnV E305 提出的方法计算 不同水深下需要的管线的最小重量， 环境载荷重现期一般取安装期的三倍长。 为保持使用期 间的长期稳定一般采取挖沟回填的办法，作人工回填分析确定回填所用的土石的大小和重 量，近岸段多用石子，深水段用弃土回填或自然回淤的方法。 2 深水段海上安装应力计算 2 深水段海上安装应力计算 此处深水段是相对登陆段或滩涂段而言， 一般多采用铺管船法安装。 确定恒张力是海上 安装应力分析的重要工作， 下面对影响恒张力的因素进行分析， 并对规范的有关要求进行讨 论。 2.1 影响恒张力确定的因素 2.1 影响恒张力确定的因素 概括起来有： 管道的主要特性和单位重量 铺管船的吃水、纵倾角及艉滑道滚轮的布置 铺管船电动绞锚机产生的拉力大小 张紧器所能够提供的恒张力能力及安装位置。 托管架的角度及滚轮布置 水深和潮位 流向和流速 海底地形（平或不规则） 对不同水深、流、船舶和地形组合形成的各种工况，通过安装分析确定恒张力的值和 托管架的角度，以此作为安装的控制数据（Control DataControl Data） ，使沿管线的应力控制在规范要 求的范围内。 随着水深增加为减小管线应力可增加恒张力。 流对管线应力影响是不容忽视的， 将造成在水中管线较大的偏移和较大的应力， 我们在一次实际计算中发现考虑流的作用后应 力增加了约一倍。 2.2 安装阶段和工况 2.2 安装阶段和工况 安装分起始铺设、正常铺设、弃管回收和铺设作业结束四个阶段。 起始铺设是指将管线开始从铺管船下放至海底的阶段，此时要计算管端封头的拉力值 及管线逐步跨过托管架不同滚轮时的应力； 弃管指因遇台风和恶劣海况时终止铺设将管端封 堵后下放到海底的过程， 回收是与之相反的过程； 正常铺设是指起始铺设或回收后至铺设作 业结束或弃管这个阶段。 正常铺设应以不同代表性水深、不同恒张力和不同拖管架角度相组合成一系列的计算 工况进行应力分析，特殊情况下尚要考虑管线突然进水的情况。 2.3 恒张力的计算方法 2.3 恒张力的计算方法 在水中管体是一个连续无支撑的梁，属非线性大角度弯曲问题，要进行大变形理论分 析，主要作静力分析，可采用： 刚性悬链线法 有限元法 有限元法使用动态松驰技术，结合动态阻尼计算管线的静态平衡构形，管系统允许无 阻尼振动，每次测定出动态能量的峰值，所有节点的运动分量设为零，系统重新起动。最终 系统的能量几乎分散到零时从而达到静平衡位置。 系统的运动方程是通过把管当弹性梁考虑 和假设为小变形大位移理论， 这种非线性的方程系统类似于描述明梁流水力学的系统， 采用 这种技术可有效地解方程。 刚性悬链线方法的关键在于建立管线的无因次微分方程，用摄动法导出微分方程的解 析解。 其中假设管线的跨长及管重与其弯曲刚度相比很大， 以至弯曲刚度不是管形的主要控 制参数， 管线的弯曲接近于柔软的索， 主要由轴向力来控制其形态， 根限状态为自然悬链线。 因此，在浅水和小张力情况下，刚性悬链线法会导致结果不合理，如在相同水深和张 力下算得水平投影长度偏小。 2.4 管线的分段安全系数 2.4 管线的分段安全系数 规范对管线不同区段的安装应力安全系数的取值要求是不同的， 管线在水下依次经底切 点反弯点抬起点张紧器。 底切点是管线与海床相切的点； 反弯点是管线上弯段 与下弯段的交界点，该点曲率和弯矩为零；抬起点为管线离开托管架的点。 从底切点到抬起点安全系数取为 0.72，从抬起点到张紧器安全系数取为 0.96。 2.5 焊接时应力的特殊考虑 2.5 焊接时应力的特殊考虑 如果采用张紧器施工且修补站位于张紧器之后，则要进行安装应力分析时确定焊缝缺 陷修补时最大允许的修补长度，如果缺陷太长，需要分段修补。 平管和立管对接时，相比平管安装和船舶待命阶段要求的海况条件要好。在焊接后， 按 DnV 的要求，要至少完成 70%的焊缝焊接量后才能卸去对中夹具。 3 焊接方法评片标准选择 3 焊接方法评片标准选择 管段的制造按 API 5L管线钢管规范 ，现场焊接按 API 1104管道焊接及相关设备 。 在海上一般采用下行焊以提高焊接速度，相应的焊条采用下行焊专用焊条，如英国的 LINCON HYP，其缺点在于外观成形不如上行焊，焊工也要求特别训练；对小直径管道采 用下行焊速度上没有优势， 而且难以焊接操作。 我国石油天然气行业标准规定下行焊只适应 于直径在 159 毫米及其以上的管道。 海管接头焊缝要 100%拍片，评片标准可选用 API 1104 或 DnV 海管规范，API 规范比 DnV 规范要求较松，DnV 规范更适应于英国北海那样的恶劣环境。一般选择 API 1104 比较 合适。 4 海管安装方法的选择 4 海管安装方法的选择 安装方法要区分浅水段和深水段， 浅水段又称登陆段或滩涂段， 深水段是相对浅水段而 言；深水段一般采用铺管船法比较合适，而对浅水段，要根据水文地质环境条件以及大型予 制场地和机具的布置选择下列三种方法： 拖管法 简易铺管船法 漂浮法 拖管法就是在海上铺管船预制管段，同时向陆上拖拉铺管的方法，或者相反，从陆上预 制场地向海上铺管船拖拉铺管的方法； 简易铺管船法就是利用小的驳船改装成简易铺管船进 行铺管的方法；漂浮法就是予制一定长度的管段后飘浮出海，在海上完成对接的方法。 如果浅水段管线有拐点， 则从拐点往海的这段管线的安装不能用拖管法； 如果浅水段是 淤泥或地质较硬，为防止管线陷入太深或涂层受损，采用拖管法要加浮袋乘潮出海；如果当 退潮时，海底裸露变成浅滩，则因为无水提供浮力，用拖管法安装阻力将增加，简易铺管船 上动力系统不能正常工作（除非可内部循环） ，用漂浮法可能比较好，可在退潮时间予制管 段，涨潮时漂浮出海进行安装。但是每月或每年一定时间会遇到天文潮位，一天之中滩涂段 都没有海水，对于这种情况，还没有有效的铺管方法。 5 现场接头防腐和现场阳极安装 5 现场接头防腐和现场阳极安装 现场接头防腐是指在两根管段焊接之后对裸露的接头进行防腐处理，通常用热缩带进 行。热缩带内层是防腐层，外层是基层，是一种高分子材料，受热时一个方向收缩，包紧管 体，因此包扎时要注意方向性，特别是剪裁大块热缩带时。选用时要注意其厚度应与管径相 适应，一般大管径选用较厚的热缩带。对于选用什么样的热缩带，船级社的规范要求与管体 涂层相适应，至于标准各个国家也都不一样，有 ASTM 标准、CAN 标准和国标，厂家也有 瑞凯、DENSO 和长春热缩带。具体每个工程选用什么热缩带，要由设计决定。如果施工中 要替换，需考虑设计寿命、管体涂层厚度和下列四个指标的等效： 耐冲击 耐阴极剥离 剥离强度 耐击穿电压 阳极一般在管段予制时与配重层同时安装，对没有配重层的管段，则需现场安装，现场 安装除需注意阳极安装在管段上的位置（管段中央前后一米）和被破坏涂层的防腐处理外， 阳极的安装可有下面两种方法在设计时考虑： （1） （1）将阳极芯（也称锚片）与管体焊接，同时通过阳极芯电气连接； （2） （2）将两半块阳极的阳极芯焊接，阳极抱紧固定在管体上，再用铜导线与管体 焊接作电气连接。 选择第（2）种方法可减少管体原涂层的破坏，省略大量的修复工作。 6 铺管应急程序 6 铺管应急程序 铺设管线要考虑各种意外情况，比如定位系统故障、锚链失效、张紧器失灵、障碍物排 除、托管架故障、管线屈曲、弃管回收、涂层修复、清管球卡球、测量板不满足要求和试压 泄漏，现仅对屈曲处理和涂层修复的应急程序作简单介绍。 6.1 屈曲 6.1 屈曲 (1) (1) 检测方法 在铺管过程中， 可能由于铺管船偶然失去张力或维持管线正确构形的某种失误造成管线 屈曲破坏，可使用潜水员或 ROV 定期检查管线构形，或者使用屈曲探测仪，包括： 带有测量板的屈曲探测仪 钢缆 卷扬机 测力计 该探测仪位于管线底切点之后大约两根管段的位置， 用钢缆连接内部对中夹具后端， 一 段钢缆连接内部对中夹具的拉杆和卷扬机。 探测仪操作如下： 管段焊接完成后，连接拉杆和卷扬机的钢缆断开，铺管船前移一个管段的长度。 组装下根管段，卷扬机钢缆穿过新的管段与对中器的拉杆相连接。 卷扬机开始拉钢缆，对中夹具和探测仪也沿着管线前移。 通过位于卷扬机上测量仪监控作用在探测仪上的载荷，若拖拉力有任何的过分失 常，将立即调查原因。 对中夹具对中作业，开始焊接。 (2) 应急程序 一旦怀疑有管线屈曲，就要分析确定是下列何种屈曲： 不进水的较轻微的屈曲 不进水的较严重的屈曲 进水的屈曲（管线没断） 进水的屈曲（管线已断） 对于不进水的较轻微的屈曲， 可以采取回退铺管船的方法补救， 如果屈曲部分不能通过 张紧器，要有临时的张力装置。 当屈曲较重时，上述办法不能使用，需 弃管作业。 用 Davit 吊平管起吊作业，逐步切除管段。 下放海管到海床。 进行回收作业。 一旦确定海管已经进水，需派潜水员或 ROV 沿管线检查到海床底切点，确定屈曲损坏 的位置和类型，如果没断开，一般可回收管线到拖管架末端，组装焊接封头后弃管，派潜水 员水下切割，回收余下的管线；如果管线已经断了，则： 派潜水员带水下切割机组在管线开口处沿径向开两个口 通过两个口插入一个止动销并紧固用来制动捕捉排水机组 重新定位铺管船到管线起始铺设端 派潜水员移去阀塞，把空气管接到阀塞上 载有大量空气压缩机的船系泊在上述位置附近，开始排水 连接 Davit 吊到管线上 当排水机组到达制动器时（由潜水员确定） ，将管端回收到水面 切除管段，回收排水机组，焊接封头，