海底输油管线（埕岛油田）悬空治理技术措施

海底输油管线 埕岛油田 悬空治海底输油管线 埕岛油田 悬空治 理技术措施理技术措施 引言 1 根据目前埕岛油田海底管线出现悬空的实际情况 对海管悬空 形成机理进行了分析 并对海管悬空治理的不同方案进行了综 合评价 重点介绍了水下桩治理方案的制定和实施 埕岛油田位于渤海湾南部的浅海海域 区域构造位置位于埕宁 隆起埕北凸起的东南端 是一个在潜山背景上发育起来的大型 浅山披覆构造 该区从 1875 年开始勘探 在先期资源评价 盆 地分析模拟 区带综合评价的基础上 于 1988 年钻探了第 1 口 控井 埕北 12 井 从而发现了埕岛油田 截止目前 埕岛油 田已建成海底输油管线 54 条 注水管线 33 条 海管悬空情况调查 2 目前 通过对 61 条海底管线的调查发现其中仅有 5 条管线未被 冲刷悬空 仅占 8 管道悬空高度平均值为 1 33m 最大值为 2 5m 大于等于 2m 的有 16 根 占 26 大于等于 1m 的有 48 根 占 79 可见冲刷的普遍 从悬空长度来统计 平均悬 空长度为 15 1m 最大 30m 大于等于 20m 的为 22 根 占 36 大于等于 10m 的有 43 根 占 70 如果按管道初始设计埋深为 1 5 考虑 则遭到最大冲深的管道 从原海床面计算总计冲刷深度 s e d h 4 5m 其中 e 为埋深 d 为管道直径 近似取 0 5m h 为冲刷后管道悬空高度 这 样的冲刷深度对海底管道来说是少见的 除了管道处发生强烈 冲刷以外 在采油平台井场范围内也出现较严重的冲刷 海管悬空原因及模型试验 3 1 海底管线悬空原因 造成场区内平台及管道周围强烈冲刷的原因十分复杂 大致为 以下几方面 1 1 建筑物存在形成的部冲刷 这种冲刷形成的原因是由于建筑物的存在而在局部范围内发生 强化的水流或高速旋转的旋涡 这些水流或旋涡具有较高的冲 刷 挟带泥沙 能力 从而在局部范围内形成冲刷坑 冲刷坑 范围与深度往往与建筑物尺度有直接关系 1 2 水平管道下面的冲刷 放置在海床面上的管道冲刷开始于管道与海床面之间出现一水 流隧道 对于部分埋置的管道来说 这种水流隧道可以因管道 前后存在一定压差形成管涌而发生 当水流隧道形成后 管道 前后的压差使管道下的流速大于行近流速 从而引起管道下的 冲刷 1 3 海床侵蚀引起的大面积冲刷 由于埕岛油田特殊的海洋及海底地质条件 本海区处于不稳定 的冲淤状态 根据飞雁滩 1976 2000 年 24 年断面测量 5m 等 深线平均蚀退距离达 0 19km a 海床蚀深 12 6cm a 10m 等深 线蚀退距离达 0 10km a 海床蚀深 4 7cm a 海床调整的冲淤 平衡点大致在 12m 到 15m 水深处 在平衡点以上为侵蚀区 在 平衡点以下为淤积区 这种剖面调整状态目前尚未有转缓的迹 象 对于 10m 水深处 在海管设计寿命 15 年内 海床整体冲 刷深度可达 0 7m 由于该原因引起的海管淘空体现在整条海底 管线上 1 4 海底不稳定性引起的冲刷 海底不稳定性的表现是海底表层土壤在大浪作用下发生滑移坍 塌 当表层土为粉砂时 在暴风浪作用下 土壤发生液化而使 土壤抗剪强度降低 从而可能造成海床一定范围内的下降 1 5 其它因素 如立管支撑结构的周期性振动 施工时由于受到设备 平台位 置等的限制 管道在平台附近的埋深于小设计所要求的埋深等 因素也是引起立管悬空的一个因素 2 冲刷物理模型试验 实际上 立管底部的悬空高度是在以上因素的联合作用下发生 的 单从理论上很难确定出具体的数值 因此 根据埕岛油田 的条件及海管立管结构我们进行了冲刷物理模型试验 针对立 管桩及平台支撑条件分不同情况共进行了 17 组试验 试验结果 与现场探摸结果吻合 模型试验得出立管底部的悬空长度为 10m 与现场探测情况存在较大的差别 原因分析及现场实测表明 立管底部的最大冲刷深度在 3 0m 基 本达到不变 但悬空长度由于受多种条件的影响 将来如何变 化 目前确定较为困难 因此 在针对输油管线立管底悬空治 理研究时 主要仍根据实测进行 悬空治理方案分析 4 1 抛砂袋结合混凝土块覆盖 1 1 方案描述 先在悬空管道及其周围一定范围内 主要指立管周围明显的海 底冲刷坑 抛填水泥砂浆袋 每个砂浆袋重约 60kg 在抛填砂 袋的过程中要由潜水员对砂袋进行整理 保证悬空立管底部填 满砂袋 抛理砂袋完成后 再在管道上用混凝土覆盖 混凝土 覆盖层可用小的混凝土预制块串接成网状 混凝土覆盖层的密 度初步确定为 320kg m2 这样可提高覆盖层抗冲刷的能力 又 不至于对海底管道造成损坏 1 2 方案优缺点 优点是施工工艺及取材简单 便于实施 不需要进行防腐处理 可以在管线不停产的情况下实施 不影响生产 保护的范围广 对同一平台周围的海底管线均可产生保护 缺点是受不确定因 素的影响较多 抛填的砂袋有进一步被冲刷淘走的可能 造成 管道的再度悬嚓 因此 该方法的可靠性不高 如果再次悬空 覆盖的混凝土将对管道产生不利影响 2 挠性软管跨接 2 1 方案描述 将悬空立管拆除 根据目前冲刷后实际的海底现状 重新设计 及安装立管 在立管与水平管之间跨接长度为 60m 的挠性软管 挠性软管的规格根据具体的海管规格确定 为提高其连接的可 靠性 挠性软管与两端钢管仍采用水面以上的焊接方式 并在 两端设有挠性软管保护结构 用于海底输油的挠性管道是由密 封 保温 加强等材料构成的多层挠性管结构 2 2 方案优缺点 优点是方案可靠性高 由于软管有挠性 在辅设时可随地形的 变化而变化 因此有很好的抵抗疲劳破坏的特性 立管结构简 单 挠性软管兼作海管的膨胀补偿装置 施工简便 施工速度 比常规立管要快许多倍 耐腐蚀 软管系统可回收再利用 缺 点是必须在管线停产的情况下方可实施 对于有的管线 如有 海底注水管线或电缆压在油管线上 则实施起来较为困难 海 底输油软管比钢质管道有更强的 专营性 世界上仅少数厂家 设计和生产 因此用户选择的余地较小 3 水下支撑桩 3 1 方案描述 为了防止水下管道悬空段在水流作用下产生的涡激振动 引起 管线断裂 在悬空段设置支承支架 以减小横向和纵向振动幅 度 根据缩短管道悬空长度的思路 该方案采用沿悬空管道设 水下短桩支撑的方法 根据初步的分析及允许的悬空长度 对于不同管径的海底管线 采用不同桩径的水下短桩 根据计算得出桩的入土深度 钢管 桩沿悬空管道两侧交替设置 间距根据第 5 节计算得到管道允 许的悬空长度及实际的悬空长度确定 在详细设计阶段 该间 距应根据海底管道的疲劳分析 极端静态及动态荷载分析结果 确定 在每一钢管桩靠近海管附近位置 设有 h 型钢悬臂梁 悬臂梁 上设有 2 套 30 高强 u 型螺栓将悬空的立管固定 从而实现减 小立管悬空长度的目的 钢管桩可采用打水下桩的方法实现 固定悬臂梁可在钢管桩上 预先焊接一管托 钢管桩打完后 由潜水员现场测量管托与悬 空立管的相对位置 确定要预制管卡的高度 再将根据实际测 量尺寸预制一体的悬臂梁及管卡从钢管桩顶套入或水下管卡固 定支撑于管托止 最后再由潜水员用 u 型螺栓将悬空立管固定 于悬臂梁上 钢管桩的防腐可采用内外涂层结合腐蚀余量的方 法实施 在该方案研究时充分考虑了海上方便施工 采用悬臂梁及仅在 海管一侧设钢管桩的支撑方法 施工精度要求相对不高 容易 实施 3 2 方案优缺点 优点是施工相对简单 便于实施 可以在管线不停产的情况下 实施 不影响生产 该方案可靠性较高 由于水下钢管桩截面 较小 对管道悬 空长度进一步发展影响不大 而且 由于桩打 入冲刷泥面以下一定深度 即使冲刷深度进一步加大 钢管桩 仍然是稳定的 缺点是保护的范围相对小 每根支撑钢管短桩 只能对单一海管的一定距离提供保护 因此 对于冲刷长度较 长的小口径海管 需设置的钢管短桩数量相对多 防腐较为困 难 根据目前存在的海管悬空情况 从工程造价及施工强度考虑 水下支撑桩为目前最为合适的悬空治理方案 我们选择了该方 案 水下打桩工艺研究及初步实施 5 1 水下固定短桩施工机具的研究 按照设计院初步完成的对已建海底管道发生非设计悬空的控制 对策研究 结合采用 水下短桩支撑 方法需要解决的桩管的垂 直度 桩管的就位及悬臂梁位置的控制 施工过程系统的实时 过程控制等技术关键点 我们初步完成了以下工作 1 1 打桩机选型计算 下面按照桩管直径 500mm 入泥 15m 以埕北古 5 的地质条 件分别进行打桩机能力的计算如下 根据埕北古 5 平台地质条件勘探资料进行计算 得 根据土质类型和 n 值求出极限静摩擦力 t 对粘土质 淤泥土为 n ni t hi dt 12 对砂质土 n ni t hi dt 15 极限静摩擦力 t 和振动摩擦力 tm 的关系 t t 根据土质取系数 公式中 为土层的顺序号 ni 为每一土层的标准贯入击数 hi 为每一土层的厚度 t 为每的振动摩擦力 t 为累计极限静摩 擦力 根据勘探资料进行计算 得 入泥 18m 处的振动摩擦力为 tv1 6 11 90914 t 按照以上的计算 考虑其他因素的影响 取安全系数为 3 4 我们使用 60t 的振动打桩机 足以进行 500m 桩管入泥 15m 的 施工 悬臂梁旋转轴强度计算 根据水下固定桩的打桩设计 以 15m 海底管道为一支撑重量计算 内管 219mm 12mm 外管 325 mm 20 mm 15 m 海底道重量为 3 2t 悬臂梁采用 hz240h 型钢 材料为 q235 a 悬臂梁旋转轴承受的压力来自 于海底管道和悬臂梁 估算海底管道和悬臂梁总重为 3 3t 选用轴的材料为 45 mm 许用应力为 s n 300 5 60n mm2 轴的抗弯模面系数 wx d3 32 已知 作用在悬臂梁上的压力 p 3 3t 作用力距支点位置 1 为 135mm 轴的最大应力 max mmax wx p 1 wx 33000 135 32 d3 60n mm2 d3 33000 135 32 3 14 60 d 91 13mm 取最小轴径为 100mm 1 2 完成浅水打桩扶正架的设计 根据海流的运动 设计了在施工水域内可以坐底的扶正架 扶正架的作用是保证桩管在打桩过程中的垂直 度 同时作为固定剖面声纳 纵倾和横倾传感器 液压控制系统等的支架 避免打桩振动对声纳 传感器 等先进仪器的精度影响及损坏 便于施工工艺设计的实施 1 3 初步完成海底管道固定装置的计算设计 按照管线规格 219 1 12 325 14 支撑桩间距按 15m 考虑 实际设计时为 13m 根据 sacg 软件对 作用于支撑装置上关键部位的受力情况进行了计算 作用在支撑结构上的负载 f 内 外 其它 浮 波浪 61 3 107 4 9 1 29 9 9 8 697 2714n m f f 15 40710 n fh 928n m fh fh 15 13920 n 考虑到管线涡激振动的动力效应 其为周期性的负载 动力效应故取 2 0 即最终设计水下固定装置考虑 的负载为 f 81420 n fh 27840 n 固定装置的设计为活动式结构 由外卡套 调整底座 锁紧螺母 悬臂梁 u 型卡子等组成 可以单独制 造 然后与水下短桩一起在工厂预制 固定装置采用回转支撑和千斤顶进行圆周方向和上下方向的调节 最大限度地保证了施工设计要求 同时减少了水工作业时间 2 水下短桩及悬臂梁固定施工工艺的制定 根据海底管道悬空段固定技术的设计要求 结合水下短桩支撑方的技术关键点 我们进行了整套施工工艺 的编制 2 1 初步完成水下短桩施工工艺制定 a 打桩施工前准备工作 施工前 潜水员进行水下勘查工作 确定可以打桩的位置 并用点定位声纳浮 标做出标记 吊机的主钩吊住打桩锤和桩管的两个吊点 将打桩锤和桩管垂直放入扶正架的扶正装置内 调整扶正架吊索长度 保证起吊后打桩锤 桩管和扶正架整体垂直 b 寻管 就位 按照已探明的海底管道水下短桩位置标记 在扶正架上的点定位声纳 或潜水员 的引 导下 将打桩锤 桩管和扶正架缓慢放入水中 按照剖面声纳显示的海底管道的剖面 用电子标尺测定扶 正架中心暨桩管中心与海底管道之间的距离 用吊机和绞磨调整扶正架与海底管道之间的位置 达到技术 指标要求的距离 把扶正架放到海床上 c 打桩 接通打桩锤动力源 进行打桩 扶正架上的纵倾和横倾传感器随时检测扶正架的水平状态 及 时进行调整 振动打桩造成的桩管倾斜一般发生在桩管入泥 5 6m 中间 通过扶正装置的导向 将桩管 打入泥面以下 5 6m 后 控制油缸将扶正装置全部分开 便于桩管上端海底管道固定装置和锤体的通过 由扶正架中部安装的剖面声纳观察桩管入泥状况 桩管打到设计位置前 1m 降低打桩锤振动频率 减小 沉桩速度 由中部声纳观察悬臂梁与海底管道的接近情况 当悬臂梁的顶面低于悬浮海底管道的底部 间 距不大于 200mm 时 停止打桩 松开液压夹具 吊机将打桩锤和扶正架同时吊出 准备进行下一根桩 的施工 2 2 初步完成固定装置施工工艺的制定 海底管道悬空段固定装置是采用工厂化预制 完成固定装置的加工 防腐及与水下短桩焊接 这样可避免 潜水员水下测量 现场切割和安装 缩短施工周期 节约施工成本 悬臂梁固定施工工艺为 a 打桩前 转动外卡套带动悬臂梁到一定合适位置后锁紧 不能影响桩管的打桩施工 b 固定装置和桩管一起打入到位 潜水员下水 旋转悬臂梁使其与海底管道轴线垂直 通过千斤顶调整 悬臂梁上下位置 使其上表面与海底管道底部接触 c 顺海底管道的外径插入 u 型卡子 用螺母固定到悬臂梁上 d 紧固外卡套上的螺母 使外卡套与桩管锁紧 完成海底