阿布扎比原油管道项目海底管道底拖法施工技术

2 6 石 油工 程 建 设 阿布扎比癔漓簪邋藏曩海藏篱遘麻搬法施l攮术 汪 方 ，段梦兰2 ，张雪生3 程国栋3 ，郭 炜3 ( 1 中国石油天然气管道局海洋工程公司，河北 廊坊 0 6 5 0 0 0 ；2 中国石油大学机电工程学院，北京 1 0 2 2 4 9 3 中国石油工程建设公司，北京 1 0 0 1 2 0 ) 摘 要 ：阿布扎比原油管道项目终端分部工程海底管道管径大、拖拉距 离长、弧线路由等难点是X - 程 设计人 员所面临的主要挑战 针对该工程特点，分析 了海底管道底拖法的选取理由，较全面地介绍了 底拖 法的主要 施工工 艺探讨 了施 工 中的几个关键 技术 点， 包括 控制拖 管过程 中管道侧 向位移和扭 转 、 防止走锚或断缆以及遭遇恶劣海况的应急措施。该工程底拖法施工的如期顺利完工表明：在提升现有 海上施工装备能力的基础上 拖管施工技术还能向更高的水平发展 ，其应用也必将更广泛。 关键词：海底管道；底拖 ；线性绞车；后向牵制锚 ；曲率半径 ；弃管 d o i ： 1 0 3 9 6 9 4 i s s n 1 0 0 1 - 2 2 0 6 2 0 1 2 0 4 0 0 8 0 引 言 单点系泊( S P M)接卸油技术是国际上为适应 采用 超级 油轮远 距离 运输 原油 的需要 发展 起来 的先 进技术 ，目前已在美 国、西非 、中东 、东南亚等产 油 国或 区域 炼 油 中心 广 泛应用 该设 施 系统 主要 由 水下管汇基盘( P L E M) 、水下 漂浮软管 、单 点浮 筒及锚泊系统等构成l l 1 海底管道与该系泊设施连 接为一体 并 向超级油轮装油外输或接受其卸油后 输送至陆上储罐 因此 海底管道的铺设方式及其 与 P L E M的连接方式选取两者必须统筹考虑 以确 保 施工技 术 上可行 、成 本最优 。本 文针 对 阿布扎 比 原 油管道 项 目终端 分部 工程特 点 分析 了海 底管 道 底拖法的选取理由较全面地介绍了底拖法的主要 施 工艺 探讨了施丁 中的几个关键技术点 。 1工程概 况 阿布扎 比原油管道项 目终端分部的海上终端项 目所在地位于阿联酋富吉拉( F u i a i r a h )东北部 的 港 口附近 南邻 V o p a k Ho r i z O i l 公 司的原油罐区与 单 点 系 泊 设 施 工 程 主 要 包 括 3条 D l 2 1 9 m m ( 4 8 i n )海底管道和 3套最大可同时系泊载质量为 3 2万 t 的超 级 油 轮 的单 点 系 泊 设 施 由 中 国石 油 T 程 建 设 公 司 于 2 0 0 8年 1 1月 授予 荷 兰 的 V a n O o r d中东工程分公司 E P C总分包 3条海底管道 的路 由终点分别与各 自对应的一 套单点系泊设施连接( 见图 1 ) ，从北向南依 次为 ： 管道 3与 S P M 0 3 管道 2与 S P M 0 2及 管道 l与 S P M 0 1 从登陆点 K P 0直至路由终点 3条海底管 道先后经历三管同沟、双管同沟及单管在沟 ，水平 面上 呈 3条 大 弧 线 水 深 05 4 7 I I 1 最深 处 位 于 管道 3的终 点处 圈 1海 底 管 适 与 卑 点 系泪 总 平 面 布 置 3条海底 管道 外径均 为 1 2 4 1 4 m m壁 厚 为 2 5 4 mm全 长 1 3 4 5 k m，其 中管道 3长 5 2 3 k m： 管道 2长 3 2 1 k m：管道 1长 5 O 1 k m。工程所需管 材全部 由业主阿联酋国际石油投资公司 ( I P I C )提 供 管材规格为 A P I 5 LX 6 5 P S L 2 、U O E成型直缝 埋弧焊管 设计压 力 4 2 M P a 。设计寿命 3 0年 外 第 3 8卷第 4期 汪 方 等：阿布扎 比原油管道项 目海底管道底拖法施工技术 2 7 管为 3 P E防腐外加 6 4 m m厚混凝土配重 输 送介 质为阿联酋穆班轻质含硫原油 常温输送 ：海底管 道耐酸性腐蚀 无内防腐处理 2施 工概 述 3条海 底管 道 均采 用 底拖 法( 整 条 管道 不 配 浮 筒)施工 即全部管道在陆上预制场地每 2 4根焊 接预制成长 2 9 4 m的标准管段后 再按顺序每次传 送 一个 管 段到 下水 滑道 上 与上 次拖 拉 完毕 的管段 进行连头 然后通过抛锚就位的拖管驳船 甲板上并 排安装的两台 3 MN线性绞车 将其沿预挖的管沟 采用双缆同步拖拉人海 依此法再拖拉后续管段人 海 直至 形成 整条 海底 管道 因管 道 3 、管道 1 管 长均超 过 5 k m，考 虑 到 三 个主要制约因素：其一 ，船上卷筒内存储的单条拖 缆总 长仅 4 5 k m：其 二 拖缆 过长 会增 加 绞车 的拖 拉负荷 ：其三 ，拖缆过长 ，拖管时张紧的拖缆易在 水平面弧线形的管沟中碰触沟壁 为此 拖管前施 工方预先分别在管道路由中间段 、末段抛设一后向 牵制锚于海床 ，分两阶段拖管 管道 2因长度相对 较短 只需在管道路 由末段抛设一后向牵制锚 一 次拖管就位 鉴于管道 3的拖管施工最具典型性 本 文 以其 为例介 绍海 上拖 管 的施工 工 艺与关 键 技术 点 。 3 底拖 法 施工方 案 的选取 首 先 从 成 本 上 分 析 采 用 铺 管 船 法 2 1施 工 费 用高昂 据调查 现在国际市场上一艘铺管船 日租 费 高达 数 十 万美 元 1 ：而本 工程 拥 有 业 主提 供 的理 想管道预制场地和充裕的合 同工期 采用拖管法则 要经济得多 更重要的是 拖管施工前 P L E M作为 拖管头与海底管道预先 已在陆上焊接 ：若 采用铺 管船法 按现在业界 的通行做法 铺设后 的海底 管 道还 需 与 P L E M 在 超 过 5 0 m 深 的海 底 进 行 法 兰 连 接 这 给 常 规潜 水 带 来 较 大 的 安 全 风 险 且 施工 费也 很高 其次 ，工 程特 有 的水文 、地 质 与气象 特 点 为各 种拖 管法闸 中的底 拖法 创造 了有 利条 件 ： ( 1 )底层流速小 施 工海域海床 以上 1 m处 1 0年重现期垂直于管道 的流速约 0 2 m s 若在预 挖 后 的 3 n l 深管 沟底 拖 管 受 管沟 掩 护效 应影 n j 7 1 则侧 向流对底拖的影响会更小 ( 2 )海底管道路由沿线浅地层海床岩性以胶结 的钙质砂层为主拖管时不易碰伤海底管道阳极块 与配重层 ：海底管道负浮力较小( 水下相对密度为 1 0 5 ) 这使得具有一定承载力 的砂层 能限制管道 的沉降量_ 8 从而减小拖管阻力 ( 3 )海床坡度平缓 从近岸处到海底管道路由 终点平均坡度约 0 6 o 可降低拖拉力 ( 4 )据海洋气象调查资料 施工海域 35月 具 备海 上连 续拖 管 的较 理想 时 间窗 口 ( 5 1底拖法受恶劣天气的影响较小拖管稳定 性好 就位轨迹容易控制9 ：拖管期 间遇到紧急情 况可临时弃管撤离 且不需要牵制船 4拖管 主 要施 工工 艺 4 1 拖 管所需的主要施工装备 ( 1 )拖管驳船 Ma n t a 。Ma n t a建造 于 1 9 9 5年 入级法国船级社。船体主尺度 ：8 4n l 2 4m4 9 m， 作业吃水 3 4 m总吨位 3 9 2 5 t ( 2 )两 台 3 MN 的线 性 绞 车 绞 车 安 装 在 Ma n t a的 甲板 中央 彼 此 并 排 布 置 且错 开 约 5 m 的 问距 绞车型号为 L i n e a r Wi n c h K T C 3 0 0 ，主尺度 ： 1 0 8 5 m2 3 1 T I 0 9 5 r n 绞车质量 3 6 t 主油缸 冲 程 1 7 m 绞车的两套线性往复夹钳采用连续拉缆 的工 作模 式 ( 3 )大抓力的后向牵制锚 为线性绞车拖管作 业提供足够的后向牵制力 ( 4 )槽 轮 组 块 槽 轮 组 块 头 部 设 计 为 滑 橇 型 以防止其在拖管 时扎头 槽轮组块负浮力为 3 0 6 k N为减小拖管所需拖拉力 其顶部绑扎了 4 个钢制浮力罐 每个罐可提供 5 0 k N浮力 其尾部 通过 能承受 5 0 0 0 k N安全工作负荷的 C R O S B Y重 型卸扣与 P L E M头部的拖力眼板连接 见图 2 图 2 PL E M 与槽轮组块的卸扣连接 4 2管段从存储 区传输至下水滑道 下水滑道位于陆上预制场地最北端 从预制场 地一直延伸到人海点 ，全长约 6 0 0 m，主要 由水平支 撑辊轮 、侧向限位辊轮及混凝土基座组成，见图3 。 2 8 石 油工 jf建谩 安装水 平与侧 向限位辊轮的基座 Y ( a )俯视图 管道拖拉方向 一 厂 二7 - - - - - 二 王 j - 工 工 工 卫 1 1 I f f f 1【1 1 l f 1 1l 1 1 I l I 道 ( b )侧 视 图 注 ：图中相邻两基 座间距均 为 9 Il l l n 。 图 3 下水滑道总体布置 滑道上共计有 6 4个混凝土基座 其 中预制场 管道 3路由的近岸海面上 船尾朝向对岸 船上的 地内 1 3 2号基座上的管段 为平直段 便于组对 一 台线性绞 车 内的拖缆端 头连接 一段 2 0 i n m 焊接 ：其余段设计为 曲线过渡 。5 56 4号基座两 2 2 0i n的引绳后 ，由小型拖轮将该引绳连同拖缆拖 侧安装 有便 于 P L E M 与槽轮 组块( S h e a v e B l o c k ) 拉下水并牵引至对岸 再将其交 由对岸一侧的长臂 拖拉下水的钢板承载台架 挖掘机牵引上岸 。由挖掘机的抓斗牵引引绳 ，至下 预制场地 内的下 水滑道 13 2号基座外侧 附 水滑道末端吊放就位的槽轮组块首端 ，再将其绕过 近等间距安装有 8台绞车用于将预制的管段从存 槽轮组块 内横卧的槽轮 ，然后挖掘机继续牵引引绳 储区拖拉至滑道上 由于受侧向限位辊轮阻挡 在 反向行驶至人海处 ，最后将引绳交还拖轮并 由拖轮 管段横 向拖拉至滑道前 需 先将 1 3 2号之间的 将其与船上的另一台线性绞车连接。 所有侧向限位辊轮拔出套筒 在拖缆绕过槽轮后 ，Ma n t a即可远离对岸 ，边 4 3 抛设两台后向牵制锚 移船边在管沟内同时布设双拖缆。放缆时要留有 由于管道 3分两阶段拖管 拖管前需 由一艘大 定张力 ，确保其就位保持顺直状态 。直径 2 1 13的 型锚作拖轮和一艘小型拖轮相互配合 预先分别在 槽轮可确保两条并行的拖缆能保持合适的间距 ，避 管道路 由 K P 4 8 5 0 、K P 7 5 3 0 ( 管道路 由终点 的延 免拖缆缠绕 。 伸 )处抛 设一 后 向牵制 锚 于海 床上 。两 锚均 为 在 Ma n t a 移船至管道路 由的 K P 3 6 5 0附近后 ， S t e v s h a r k型大抓力锚 ，其 中中间段 、末段拖管 的 中间阶段的布缆_丁作结束。此时船上的两台线性绞 锚 质 量 分别 为 3 2 t 、5 2 9 t 两 锚 顶 端 均 用 卸 扣 连 车 尾端 用 卸扣 连 接 预 抛 设 在 海 底 质 量 为 3 2 t 后 向 接一 条 击1 2 1 mm1 2 0 0 m 的拖缆 用于拖 管 时连 牵制 锚 的 1 2 0 0 m 长 拖缆 ，中 间 阶段 的海 上拖 管 即 接 M t a 船上的两台线性绞车 从 而将拖管时的拖 可开始。然后依照此法继续实施最后阶段的拖管布 拉力从线性绞车传递给后 向牵制锚 ：两锚锚杆部位 缆。 也均用 卸扣连接 一条 西6 4 mm7 0 i n的锚头缆 。4 5 管段的连 头组对 待锚抛设到海底后 连接两锚的拖缆 、锚头缆另一 下水滑道上管段的连头组对设在 K P 0 0 4 3处 ， 端均系上铁罐型锚漂 使其浮于海面。 焊接工艺为 ：根焊 、热焊采用手工氩弧焊 ；填充 、 4 4 管沟 内的拖缆布设 盖面焊采用药芯焊丝全 自动焊。焊缝经检测合格 拖管的双拖缆单条长约 4 5 0 0 m。由若干段钢 后 ，先冷缠双层聚氯乙烯胶带防腐补 口；待电火花 缆采用卡环连接成一体 通过缠绕下水滑道上的槽 检漏合格后 ，再由管顶 向用铁皮模具包覆的管节点 轮组块内的槽轮形成两条并列的拖缆 。 环形空腔内浇筑快速 固化( 0 5 h固化成型 )的纤 布设拖缆时 先将拖管驳船 Ma n t a四点系泊在 维增强型 昆 凝土浆 ，使之与管道配重层平齐。因 第 3 8卷第 4 1 ： 力 筲 ：阿 扎 比原 I I I 管道项 口海 底僻道 底拖法拖 r 技术 2 9 完 成一个 连头 需约 1 6 h 平均 每天 只能拖 一个 管段 入水 组对完毕后的管段由涂料工在管顶涂刷一醒 目 的平 直 白色条纹 。用以监测其在海底 的拖行姿态 。 4 6海 上拖 管 拖 管前 需 对整 个 下水滑 道 进行仔 细 检查 ，在 确认 滑道上管道 、P L E M 和槽 轮组块 的就位 正 常 后 陆上的拖管指挥长用对讲机向远处海面 Ma n t a 船上的绞车操作员下达开始拖管的命令 绞车操作 员随即启动绞车两绞车开始 同步缓慢张紧拖缆并 拉动管道 在此期间，绞车操作员记录并报告拖管 指 挥长各 时 段 的拖 缆 张 紧力与 累计 拖管 长 度 两 绞 ，3MN线 件 绞 车 3 MN 线性绞车 9 0 m m3 m钢缆 车 尾部安 装 的 张力测 量仪 能实 时 监测拖 缆 的拖拉 力 ( 见 图 4 ) 待管段将拖至剩下最后一管节时 绞车 开 始减 速 拖管 指挥 长及 时 呼叫 绞车操 作 员注 意管 段 剩 下 最 后 1 0 I l l 、5 I n ，接 着 每 经 过 1 11呼 叫 一 次 以确保管端正好就位于连头处 】 每拖完一个 管段 用多波束 回声探测仪探测拖管头 以获得其 就位姿态与位置 拖管期间Ma n t a 船船长需在 中 控室密切监控船的系泊状态：岸上施工人员则需在 滑道沿线仔细检查管节点混凝土层与水平 、侧向辊 轮接触处是否出现破损 若有破损则应立即暂停拖 管并进行修补 9 0m i l l 3 Il l 钢缆 9 0in i n 3 3 5 m钢缆 夹钳 1 夹钳 2 2 M N张力测量仪 夹 钳 2 2MN张力测量仪 、 9 om m4 8 。 5m钢缆 三角 板 ， 后 向牵制锚 吾 的 钢 缆 兰 角 眼 板， S W L 3 0 0 t S W L 3 0 0 尾 磊 连 搓 疾 s w L 6 o t咖 1 2 1 m m 1 2 0 0 m 图 4两台线 性绞 车连接 后向牵制锚锚缆 的平面布置 在 P L E M拖拉入水前 为避免其侧 向滑脱钢板 支撑台在滑道两侧分别布置一台长臂挖掘机 两 挖掘机铲斗分别与 P L E M对应一侧 的压载框架底部 的眼板通过高强度扁平 吊带连接 两挖掘机同时绷 紧吊带 并沿着管道下水方向缓慢前行 待 P L E M 即将拖离滑道时在其顶部绑扎 8个空浮力罐 以减 小其负浮力 ：待 P L E M下水后 派潜水员在其顶部 安装浮漂与信号应答器 ，以便 Ma n t a船实时获取拖 管 头坐 标位 置 5 拖 管施 工过 程 中需解 决 的关键 技术 点 5 1 防止管道 发 生侧 向移位 的控 制技 术 本项 目 3条海底管道路 由呈 3个巨大弧线形 如 何保 证在 拖管 过程 中管 道 不发 生 内弧 向的侧 向移 位甚至碰触沟壁是拖管施工必须解决的技术难点 为 此 工程 技术 人员 对 3条海 底 管道在 曲线路 由段 通 过建模 进 行 了分析 计算 最 后得 出的结论 是 ：为 避免拖管过程中管道发生侧向移动管道侧 向摩擦 力应足够大 ，与之相应的是经过管道路 由最小曲率 半径处的弧线段应尽量短 这样才能使其弧线段在 拖拉力作用下不发生内向的侧移 经分析计算得 出 的关 系式 如下 分 析模 型 见 图 5 s 2 ， 1 式中s 海底管道路 由最小曲率半径处允许 的 最大 弧线 段 长 m： 尼 管道与土的侧 向摩擦系数 ，取 0 6 ； 凡 广 管道 与土 的纵 向摩 擦系数 ，取 0 6 5 ( 另外还需乘以 1 1 倍的启动系数) ： 管 道水 下单 位 长度 质量 ( k g m) ，取 75 7 kg m ： 尺 管道路 由水平 面上的最小 曲率半径， m ( 管道 3取 1 0 7 2 1 IT I ) ： 。 弧线段 尾端 的纵 向力 k N。 R d Hf 1 S 为总 的弧线段 长 ； l 为弧线 段首 端总 的拖拉 力 k N； 日 为 s弧线 段 内的侧 向摩 擦力 k N；F为纵 向拉力 k N： 为 ，的 内弧向 NZ k N； 为 F+d F的内弧 向z Nz k N；H。 为 +W 的合 J J k N：西为 弧线段所对应 的圆心角 r a d 。 图 5 海底管道拖拉经过曲线段 管沟时的分析模型 5 2 防止 管道发 生扭 转 的控 制技 术 管道发生扭转主要是因拖管过程 中的拖拉力没 3 0 石 油工 程 建 设 有作用在管轴中心线上引起的 为解决管道的扭转 难题 ，工 程设计 人 员 主要 采 取 了三项技 术措 施 ： ( 1 )将 P L E M与槽轮组块组成的拖管头均设计 成长方体模块 使其底平面能与海床充分接触 ( 2 )选定 了最佳 的 P L E M 与槽 轮组块 匹配重 量 使两者顶部在配置浮力罐后保证有 3 0 7 k N的 负浮 力。 ( 3 )将 海 底 管 道 与 P L E M 内 的 J D 1 2 1 9 mi l l 短 管 焊接 为一 体进行 拖管 这样做 拖管所产生的扭矩传递到 P L E M框架 后就被充分约束住 另外 在待拖拉的管段顶部涂 刷有平 直 的 白色 条纹 以便 拖管 过程 中对 可能 出现 的扭转用数 显角度仪进行监测 5 3 防止 出现走锚 或 断缆 的控制 措施 本 丁 程管 道 3理 论 计算 的最 大拖 拉 力约 为 4 1 MN出 现 在 拖 管最 后 阶段 的初 始 为 保 证 后 向牵制锚 能提供足够 的抓力 V a n O o r d方选取 了 S t e v s h a r k型 的 大 抓 力 锚 其 中在 中 间 阶段 、最 后 阶 段 拖 管 时所 用 锚 的质 量 分 别 为 3 2 t 、5 2 9 t 。工 程施 所在地表层地质为砂质海床 根据拖管前的 锚拉 力试验 该类型锚能提供锚 重 l 0倍 以上的抓 力1 1 2 1 因此 选取 的锚完全能满足拖管所需的后 向 牵制 力 。 5 4 恶 劣海况 时的应 急措 施 拖 管 期 间 拖 管 船 一 直 系 泊 于 海 面 长 达 2 0天 遭 遇热带 气旋 等恶 劣海况 的概 率较 大 因此必 须制 订应 急 预案 。方案 如下 ：其 一 ，在 陆上 端 向管道 内 泵人海水使其稳管于管沟内：其二拖管头绑扎浮 漂后弃管 ：其 j ，船只 人员迅速撤离避险 待海 况 好转后 排 除海 底管 道 内的海水 并拾 取拖 管头 后 即可继续 进行 拖管 作业 开 始拖管 前 与 P L E M焊 接 的短 管 内预 先安装 了 2个 清管 球 p i g l和 p i g 2 ( 见冈 6 ) 图 6 拖管前 P LE M 短管内预先安装 有 2个清管球 图 6中 p i g 用 于 弃 管 时 排 除从 陆 上端 泵 人 管 道内的海水 ；P i g 2用于拖管结束后 的清管 测径 6结束 语 拖 管 法 铺 设 海 底 管 道 的施 工 技 术 尽 管 在 国 内 已得 到 了 较普 遍 的应 用 所 使 用 的施 工 装 备 与 技 术都大体类同 但本项 目的底拖法施 1 二 与之相 比 却有其独特之处 ：第一 。同一地点拖 拉 3条大直 径 海 底 管 道 且 先后 经 历 三管 同 沟 、双 管 同 沟 及 单管在沟 ，水平面上呈 3个大弧形 的曲线路 由变 化 ：第二 ，海底管道 以 P L E M作 为拖拉头 这一 独特设计成功解决 了拖管施工 中遇到的诸多难题 ： 第三 ，拖管距离长 其 中两条海底 管道长度都在 5 k m以上 这些都是 国内的拖管施 一 所未 曾经历 的 期望本次拖管的成功实践 能为今 后 国内其他 海底管道拖管工程提供 有益的借鉴 以进一步提 升 国内的施工技术总体水平 参考 文献 ： 1 S Y T 1 0 0 3 2 2 0 0 0， 单 点系泊装置建造与人级规范 S ， 【 2 梅孝恒 ，刘 日柱 用铺管船法铺设海 底管道施工技 术I J 天津 船 舶 ， 1 9 9 6 ( 1 ) ： 3 8 4 2 3 马