近岸段海管敷设施工技术

　　摘要：近岸段海管敷设是登陆海底管道工程的最后一项阶段工程，同时也是海底管道工程的重点及难点技术。本文根据多年来的国内外工程实例，针对海底管道近岸段的敷设方法，进行全面性的汇总介绍。
　　关键词：近岸段；海底管道；牵引敷设法；非开挖敷设法
　　1、 前言
　　管道运输是油气运输中最快捷、经济、可靠的方式。随着海上油田开采方式和技术的飞速发展,海底管道已广泛应用于海上油田的开发，越来越多的海底管道需从海底直接登陆并接入陆上终端。登陆段海底管道近岸段敷设是一项十分困难的工程，其所处海况和地址相对于深海存在其特殊性，在这种环境下得施工方法得到了工程界的普遍关注及高度重视。
　　本文根据近年来国内外在登陆海底管道施工方面积累的成功经验，针对近岸段海底管线敷设施工方法进行全面性的汇总介绍。
　　2、 概述
　　近岸段海管敷设施工多采用“拖拉法”，又称“牵引法”。随着近些年水平定向钻技术的深入发展，非开挖敷设施工工艺不断引入海洋工程中，丰富了近岸段海管敷设施工方法，也加速了近岸段海管敷设技术的研究发展。
　　3、 牵引敷设法
　　牵引敷设法可分为近海牵引和远海牵引。当铺管段距岸边几公里、水深5～9m以内时，可采用直接牵引铺管，在陆上将管道制作成数百米长的管段，利用绞车、绞盘、拖轮等设备，沿海底或海面牵引管段，并随着牵引将管段接长，直到预定铺设位置。牵引法要有大型牵引设备，陆上要有管道加工制作场。同时，在海管牵引施工过程中，要调节海管重力，保证一定海管浮力。
　　牵引敷设法常用于如下几种环境条件中：
　　1) 靠岸边的以及无法使用敷管船敷设的管道，在海滩、浅滩地段的海底管道。
　　2) 敷管船难于运载多根管（管束）或口径大于1500毫米的巨型、重型或结构复杂的管道；
　　3) 用于敷管船调动困难或海底地形复杂和危险的海域，海上平台附近和管道密集的地段，特别是抛锚、起锚作业能危及临近结构物安全的区域；
　　4) 在很深的海域，由于敷管船上张力器装置、托管架或船锚定位等限制，不便使用敷管船时；
　　5) 在冰层很厚的极海地区敷管；
　　6) 在风浪大的海域或其他环境条件恶劣的位置，例如可进行敷管作业的季节甚短或海况变化很难预测的海区。
　　常用施工方法有底拖法、离底拖法、定深拖法、漂浮拖法及水面下拖法。
　　3.1 底拖法
　　3.1.1 技术概述
　　在陆地或驳船上焊接成一定长度的管段后，通过滑道拖拉下水。有时为了减小拖拉阻力，会在管道上绑上浮筒以减小管道的负浮力。管道的牵引钱，需要根据海底勘测资料确定一条最佳拖管航线。
　　3.1.2 分类一
　　根据管段拖拉方向不同，分两种方式：
　　1) 海拖：自陆上向水中牵拉。使用拖轮、绞车船、平台绞车、岸上反牵拉等设备。
　　2) 岸拖：自海里向岸上牵拉。使用绞车、船上反牵拉等设备。
　　
　　图1岸拖示意图
　　3.1.3 分类二
　　根据其牵引方式和牵引过程中管线所处的位置不同，又可分为：
　　1) 对岸牵引
　　对于穿越某些河流、海沟等水下或海底管道，可以利用对岸固定牵引绞车牵引管道。
　　2) 反向牵引
　　某些海底管道由岸（或海上结构物）伸出或与岸（或海上结构物）联接，中间距离又比较短时，管道延伸端又无固定墩座或岸滩固定墩块可以利用，或因其他原因不能作对岸牵引时，这时可设法在海上（或对岸）临时设置锚碇装置（或锚泊固定的船舶）和转向滑轮组，用岸上（或海上结构物）的牵引绞车作反向牵引管道。
　　3) 船舶牵引
　　海底牵引铺设法中，利用船舶牵引是常用的一种方法。绞车船牵引管道，主要有两种方式：一是绞车船每隔一段距离固定不动（锚泊在海上固定），一般，绞车船固定的方式对管道和整个作业比较容易控制时，牵引过程中可能出现的问题也比较容易处理。特别在发生意外（突然）风浪袭击时，固定着的绞车船抵御风浪的能力，在某种情况下可能比移动着的绞车船有利。
　　3.1.4 衍生底拖法
　　下图中所示的底拖法，是底拖法的一种改进。牵拉过程中，将钢缆缩短，使管线前端翘起，由于钢缆不再与海底接触，减少钢缆的磨损和拖地时摩擦力；同时缩短了钢缆长度后，对管道的控制、定位和调整位置有利，管道在拖拉时底部有升离海床的趋势，轴向摩擦力有所降低，使牵引力减小。
　　
　　图2衍生底拖法
　　3.2 离底拖法
　　3.2.1 施工概述
　　离底拖拉法是介于底拖法和浮拖法之间的一种管道敷设方法，是早期底拖法的改进。底拖法中管道与海床直接摩擦，摩擦力大，起拖力大，对于海底地形和地质要求高，因此限制了一次可拖长度。为了减少摩擦力，70年代后期很多底拖法实例都在管段的首端加上“浮筒——链组合”，使管端离开海底，不但减少了拖力而且使管端就位和连接容易，这实际上就是离底拖法的雏形。
　　
　　图3“浮筒——链组合”示意图
　　离底拖法将“浮筒——链组合”应用到整个管段，使管段与海底没有直接接触，仅有由链传递的软接触。这样既保留了底拖法的优点又排除了它的缺点，使拖力、操纵、侧向移动、暂息及就位等性能全面得到改善。
　　离底拖管法中管道的浮力由浮筒和拖链来平衡。用来平衡浮力的拖链的长度就是管道的离底高度，由于管道不直接与海底接触，这样就只需要较小的拖拉力，同时又可避免管道像浮拖法那样受到表面风浪流的作用。拖链除悬挂长度外，还在海床上有一段长度，该段长度拖链与海底的摩擦力可使管道在海流作用下保持拖航中的稳定性，不致发生较大偏移；另外摩擦力又不能过大使拖拉困难。
　　3.2.2 分类
　　管段拖运方式有以下两种：
　　1) 单船拖运
　　这时管段的横向稳定性完全由拖地的链提供。这种方式操纵灵活，管段应力水平低，对作业条件适应性强，适用于不太长的拖程和海底地形起伏不大的场合。
　　2) 双船拖运
　　在管段尾端增加一艘牵制船，可通过两船的配合改变管段的深度位置及弯曲形状，在底流大时可以为管段提供轴向拉力以保证横向稳定性并减少弯曲应力，适用于较长的拖程和海底地形复杂的场合。
　　3.3 定深拖法
　　拖管技术的最新发展——海中定深拖管法，是在离底拖管法的基础上的一种改进方法。
　　定深拖管法与离底拖管法所不同的，仅仅是运送方法上有差别。首端的拖管船和尾端管道的牵制船一道持续地给拖进的管道以拉力。这种定深拖管法可以保证拖管的安全性、机动性和相当低的轴向应力。
　　拖航时，铁链受阻力对铁链产生一个向上的起升力，降低了系统的水中重量。随着拖航速度的增加，拖链与竖直方向的角度随之增加，当到达设计拖速时，管道将离开海底达到预期的水中控制深度。
　　随着拖速的降低，管道开始向海底下沉，最终所有的铁链逐渐与恢复海底接触，管道变回离底拖形式，再慢速移动至设计位置，按离底拖方式就位。
　　3.4 漂浮拖法
　　管道在陆地预制场上焊接成一定长度的管段，涂上防腐和配重层，接着用起吊装置将管道吊上与管道平行的滑道上，再在管道上按一定间距绑扎上浮筒，然后选择在风平浪静的日子用拖船拖拉下水。
　　管道下水后漂浮在海面上，与底拖法相比较，所需拖力要小的多。除配备一条主拖船外，施工中同样需增加一条辅船尾随在管尾，必要时施加一定的张力，以防止管道在海流和波浪侵袭下发生偏移或过大变形。
　　3.5 水面下拖法
　　由漂浮拖法演变而来，只是为了避免波浪对管道的影响，利用浮筒将管道悬浮在距海面一定深度下。相对于表拖法，此方法可使管道的运动和疲劳损伤都大大减小。
　　常常需要第二条拖轮。这种牵制（hold-back）拖轮一般可比主拖轮小些，因为它只需在管段上加上一较小的拉力。不过当远距离拖航时，可能需有两条甚至三条大小相同的拖轮以供备用。
　　3.6 总结对比
　　表1几种拖管方法综合比较
　　敷设方式 优点 缺点 拖拉速度
　　底拖法 受波、涌环境影响较小；
　　就位轨迹容易控制；
　　对管线的疲劳损伤最小 对拖轮的马力要求较高；
　　管道涂层有损坏的可能；
　　要求海底没有障碍物和军用设施 ﹤1m/s
　　离底拖法 需要的拖轮马力较小；
　　对管线的疲劳损伤较小 对地形有一定的要求；
　　需要夫浮筒和压载链控制水下重量 1m/s
　　定深拖法 需要的拖轮马力较小；
　　对海地地形无要求 就位轨迹不容易控制；
　　对管线的疲劳损伤稍大 2-2.5m/s
　　漂浮拖法 所需拖轮马力较小；
　　管线轨迹交直观 受水面波、涌和海流的影响较大；
　　管线的疲劳损伤较大；
　　就位轨迹不容易控制 2m/s
　　水面下拖法 所需拖轮马力较小；
　　管线轨迹交直观 就位轨迹不容易控制；
　　对管线的疲劳损伤稍大 2m/s
　　4、 非开挖敷设方法
　　非开挖管道敷设技术始于二十世纪七十年达，并迅速发展起来的非常规铺管技术。在不开挖地表的条件下或以最小的地表开挖工作量进行各种中小直径地下管线铺设、更换、修复和定位的施工技术，多用于穿越河流，现已逐步地用于穿越海滩浅水地带，成为海管登陆敷设中的一项重要施工工法。其中，最为典型的就是水平定向穿越施工技术。
　　水平定向钻进铺管技术是将石油工业的定向钻进技术与当代先进控制技术相结合的一种现代非开挖施工新技术。同时在穿越终点锚定铺管船，配合定向钻施工，并在铺管船上进行管道预制，待钻机预扩孔工序完成后，进行管道回拖。
　　5、 结论
　　牵引敷设法是登陆海底管道近岸段铺设的常用方法，其中，以底拖法和漂浮拖法最为普遍，其施工方法和实践经验已相当成熟，并在国内外得到广泛的使用。相信，随着国内自身定向钻技术的不断发展，及与国外的技术合作交流，水平定向钻施工技术定会在近岸段海管敷设施工中得到广泛发展应用。
　　参考文献：
　　[1]赵东岩.海底油气管道工程[m].沈阳：沈阳出版社，2007.
　　[2]刘志刚.登陆海底管道近岸段施工方法研究.中国造船，2009.
　　[3]张燕译水平定向钻技术指南.钻井承包商协会，1995.
　　[4]水平定向钻进管线铺设工程技术规范,中国非开挖技术协会,2001.

《近岸段海管敷设施工技术》

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