海洋管道鋪設(shè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

楊東宇，張世富，張冬梅，楊澤林，韓凱

海洋管道鋪設(shè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

楊東宇1，張世富2，張冬梅2，楊澤林1，韓凱1

（1. 陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系，重慶 401331； 2. 陸軍勤務(wù)學(xué)院國(guó)家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心， 重慶 401331）

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及陸上油氣資源的大量開(kāi)發(fā)和利用，國(guó)內(nèi)外日益重視對(duì)于海上油氣資源的開(kāi)發(fā)。海洋管道是海洋工程中最重要的組成部分，但海洋管道鋪設(shè)方式不同于陸地管線，荷載條件和邊界條件更為復(fù)雜，管道承受較大的應(yīng)力和較高的風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)管道敷設(shè)技術(shù)提出了更高的要求。針對(duì)海洋管道的鋪設(shè)方法以及各鋪設(shè)方法鋪設(shè)過(guò)程的研究方法進(jìn)行對(duì)比分析，得出了不同鋪設(shè)方法的適用范圍，并提出了未來(lái)海洋管道鋪設(shè)過(guò)程分析方法的研究方向。

海洋管道；鋪管技術(shù)；鋪管船法；拖管法

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界海洋石油資源儲(chǔ)量約一千億噸，約占全球石油資源總量的三分之一[1]。目前有超過(guò)100個(gè)的國(guó)家已經(jīng)加入海洋油氣開(kāi)發(fā)的隊(duì)伍，希望能從中找到解決未來(lái)能源問(wèn)題的方法。海洋管道的輸送工藝與陸地管道基本相同，但海洋管道敷設(shè)方式不同于陸地管線，荷載條件和邊界條件更為復(fù)雜，鋪設(shè)過(guò)程中管道承受更大的應(yīng)力和更高的風(fēng)險(xiǎn)，因此海洋管道的鋪設(shè)方法設(shè)計(jì)是海洋管道設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)[2]。

1 海洋管道鋪設(shè)技術(shù)

海洋管道是輔助海洋油氣資源開(kāi)采的重要部分，主要負(fù)責(zé)開(kāi)采后油氣集輸任務(wù)，海洋管道按管道相對(duì)位置有海底管道與海上漂浮管道兩種。其中漂浮管道多是軟質(zhì)管道且一般作為戰(zhàn)時(shí)或其他極端狀況下應(yīng)急使用，而海底管道則幾乎是一種永久性的海洋工程結(jié)構(gòu)物且應(yīng)用范圍巨大；目前，國(guó)內(nèi)外通常鋪管船法以及拖管法進(jìn)行海洋管道的鋪設(shè)。

1.1 鋪管船法

鋪管船法就是預(yù)先將專用的鋪管設(shè)備設(shè)施安裝在專門的鋪管船上，再利用船上的專業(yè)設(shè)備進(jìn)行管道敷設(shè)[3]。鋪管船法作業(yè)時(shí)需要專門的鋪設(shè)船只，尤其適合較深海域的管道鋪設(shè)。選用鋪管船法進(jìn)行海上管道鋪設(shè)作業(yè)時(shí)根據(jù)鋪管船以及鋪管設(shè)備的不同可分為“S”型鋪管法和“J”型鋪管法以及卷管式鋪管法。

（1） “S”型鋪管法

“S”型鋪管法是當(dāng)前最常采用的海洋鋪管方法，在船上托管架的支撐以及海水浮力的共同作用下管道彎曲成類似S型曲線，形成拱彎區(qū)（Over Band）和垂彎區(qū)(Sag Band)兩個(gè)區(qū)段，如圖1所示。鋪設(shè)過(guò)程中對(duì)管道在拱彎區(qū)和垂彎區(qū)的曲率的調(diào)節(jié)可以通過(guò)控制管道的張力、拖管架的方向和曲率等而加以控制，在管道離開(kāi)導(dǎo)管架時(shí)，管道進(jìn)入海中的角度越接近豎直方向，鋪管船上張緊器的張拉效果越好；但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展海洋管道型號(hào)逐漸加大，管道朝向從水平方向到豎直方向的改變所需要的空間也越來(lái)越大[4]，因此為滿足管道敷設(shè)時(shí)的空間需求鋪管船上的拖管架近些年由最普通的直線式慢慢向曲線式、分節(jié)式等新式結(jié)構(gòu)發(fā)展[5]。選用“S”型鋪管法進(jìn)行鋪管時(shí)需配備專用的鋪管船與鋪管設(shè)備，由于對(duì)管道的相關(guān)加工處理均可在船上進(jìn)行然后直接鋪設(shè)，因此利用本法進(jìn)行敷設(shè)的海洋管道一般質(zhì)量較高，同時(shí)由于其可實(shí)現(xiàn)海上持續(xù)不間斷鋪設(shè)，因此鋪設(shè)速度較快，可達(dá)到3.5 km/d。

圖1 “S”型鋪管法作業(yè)示意圖

（2）“J”型鋪管法

“J”型鋪管法與S型鋪管法的最大區(qū)別在于在采用”J”型鋪管法進(jìn)行鋪設(shè)時(shí)，管道進(jìn)入水中的角度通常接近垂直，管道受力而彎曲成類似J型曲線，如圖2所示，因此本方法多用于深水和超深水海域的海洋管道敷設(shè)。為保證整個(gè)鋪設(shè)過(guò)程的安全性，在選用”J”型鋪管法時(shí)一般采用調(diào)節(jié)鋪管塔傾角和管道張力而達(dá)到改善整個(gè)管道的受力的目的。在本法的鋪設(shè)過(guò)程中由于對(duì)管道的焊接、密封性測(cè)試等工序都需要在接近垂直的方向上完成，因此在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較大，導(dǎo)致鋪管速度較慢，約1.5 km/d。

圖2 “J”型鋪管法作業(yè)示意圖

（3）卷管式鋪管法

卷管式鋪管法就是利用專業(yè)卷管設(shè)備將作業(yè)前已經(jīng)在陸地制好的管道（一般是中小直徑的柔性管道）卷在專用滾筒上后再進(jìn)行海上鋪設(shè)。因此卷管式鋪管船根據(jù)滾筒的放置方式可分為水平式和豎直式兩種[6]，如圖3所示。采用卷管式鋪管法鋪設(shè)時(shí)由于大部分操作比如管線的連接、滾卷等都已經(jīng)在陸地上完成，因此管道可以以極快的速度鋪設(shè)，鋪設(shè)速度可達(dá)1千米/小時(shí)，并且管道質(zhì)量相對(duì)較高，同時(shí)由于其操作簡(jiǎn)單，因此卷管法鋪設(shè)是所有船鋪法中經(jīng)濟(jì)性最好的方法。

(a)水平式 (b)豎直式

卷管式鋪管法不僅作用于商用海上油氣資源的開(kāi)采，由于高水平的鋪管質(zhì)量與快速的鋪管速度，其通常被采用于軍用油料輸轉(zhuǎn)。例如美國(guó)軍方的兩棲散裝液貨輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)（ABLTS），如圖4所示，主要利用船載液壓軟管卷盤、牽引纜繩、小型作業(yè)艇、灘頭滑輪和起錨機(jī)絞盤實(shí)現(xiàn)漂浮軟管的快速展開(kāi)。海上管道展開(kāi)初始階段阻力比較小，一般通過(guò)小型作業(yè)艇直接牽引展開(kāi)；隨著阻力的增大，作業(yè)艇難以繼續(xù)牽引，通卷盤牽引攬繩；作業(yè)艇到達(dá)岸邊后再固定安裝灘頭滑輪，將牽引攬繩繞過(guò)滑輪繼續(xù)步引纜繩；作業(yè)艇到達(dá)油輪后，通過(guò)起錨機(jī)絞盤帶動(dòng)纜繩牽引管道完成漂浮管道的鋪設(shè)[7]。

圖4 美軍兩棲散裝液貨輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)作業(yè)狀態(tài)圖

1.2 拖管法

拖管法鋪設(shè)就是將作業(yè)前已經(jīng)預(yù)先在陸地上制備好的一定長(zhǎng)度管道通過(guò)牽引船拖拉至預(yù)定位置后，將管道連接完整后再下沉至海底的方法。拖管法根據(jù)牽引過(guò)程中管道所處的海水深度可分為浮拖法、離底拖法和底拖法[8]。

（1）浮拖法

浮拖法就是預(yù)先在陸地上連接好的管段上捆綁一定數(shù)量的浮筒，如圖5所示，然后通過(guò)牽引船拖拉至預(yù)定位置沉放安裝的方法。采用浮拖法進(jìn)行鋪設(shè)時(shí)管道主要依靠浮筒的浮力在海面漂浮，因此在牽引過(guò)程中管道受風(fēng)、浪、流的影響較大，管道在海流和波浪作用下容易發(fā)生偏移或過(guò)大變形[9]，因此在管道鋪設(shè)前必不可少的需要針對(duì)鋪設(shè)過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確的分析計(jì)算。

圖5 浮拖法作業(yè)示意圖

（2）離底拖法

離底拖法就是利用捆綁在管道上的浮筒和鏈接的海底拖鏈來(lái)進(jìn)行重力平衡，如圖6所示，使管道在牽引過(guò)程中保持既離海床一定距離同時(shí)又不漂浮在海面的狀態(tài)。拖鏈?zhǔn)请x底拖法鋪設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備，除了在豎直方向上平衡浮力外，還因?yàn)榕c海床的摩擦能提供一定的摩擦力，利于維持管道在牽引過(guò)程中的穩(wěn)定性。由于在整個(gè)牽引過(guò)程中管道處于懸浮狀態(tài)，受力相對(duì)較小，因此離底拖法對(duì)管道外部的保護(hù)性要求較低，但是為保持管道懸浮狀態(tài)，因此對(duì)浮筒的拆除時(shí)機(jī)與數(shù)量提出了更高的要求，鋪設(shè)難度較浮拖法更大。

圖6 離底拖法作業(yè)示意圖

（3）底拖法

底拖法就是指在整個(gè)牽引管道進(jìn)行鋪設(shè)的過(guò)程中管道始終處于海床上，如圖7所示。采用底拖法進(jìn)行鋪管的過(guò)程中由于管道始終與海床接觸摩擦，因此對(duì)牽引船的動(dòng)力也有一定的消耗，同時(shí)其要求管道外表面的抗磨層相比較其他拖管法要更加厚實(shí)。采用底拖法進(jìn)行鋪管的過(guò)程中管道整體全程都處于海底，風(fēng)、浪等對(duì)其的阻力幾乎可以忽略，因此管道的整體受力狀態(tài)較好。

圖7 底拖法作業(yè)示意圖

綜上所述，海洋管道的鋪設(shè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)且使用條件不同，如表1所示。

表1 海洋管道鋪設(shè)方法對(duì)比

在工程實(shí)際中，為保證施工過(guò)程的安全以及較高的工作效率，鋪管方式的選擇往往需要依據(jù)所擁有的設(shè)備設(shè)施、具體海況等實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行優(yōu)選。鋪管船法由于其操作簡(jiǎn)單且可靠性高而被大量應(yīng)用于海洋工程，大多應(yīng)用于墨西哥灣、北海等海域。而拖管法鋪設(shè)由于其鋪設(shè)過(guò)程中的不可控因素較多、受外界環(huán)境影響較大以及實(shí)施過(guò)程相對(duì)復(fù)雜而實(shí)際應(yīng)用相對(duì)較少。我國(guó)的海洋工程的由于設(shè)備和技術(shù)的相對(duì)落后而發(fā)展較慢，導(dǎo)致我國(guó)的海洋管道鋪設(shè)技術(shù)起步相對(duì)較晚。直到1973年，我國(guó)才首次成功運(yùn)用浮拖法成功敷設(shè)了東營(yíng)-黃島輸油管道；1998年，我國(guó)采用浮拖法成功鋪設(shè)埕島海底雙層保溫輸油管道[10]；2004年， West Liby-an Gas Project(WLGP)成功運(yùn)用底拖法在利比亞西海岸鋪設(shè)了多條海底管道；越來(lái)越多的海洋管道鋪設(shè)工程實(shí)際提供了寶貴的操作經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)隨著工程量的不斷大型化以及控制的逐漸精細(xì)化也為進(jìn)一步研究管道鋪設(shè)方法提出了更高的要求。

2 海洋管道分析方法

管道在鋪設(shè)過(guò)程中受到的載荷由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性而多種多樣，不同的鋪管方式所受的主要載荷種類也不相同，因此不同的鋪管方式的符合實(shí)際鋪設(shè)過(guò)程的力學(xué)計(jì)算模型、分析方法均不盡相同。

1981年，A.H.Mousselli總結(jié)了各種鋪設(shè)方式的分析方法和適用理論，同時(shí)指出了不同分析方法的適用條件和理論等[11]。各種鋪設(shè)方法的對(duì)比如表2所示。

表2 各理論適用條件分析對(duì)比

由上表可以看出，當(dāng)管道鋪設(shè)處于小撓度的情況下選用線性梁理論仍有相當(dāng)不錯(cuò)的實(shí)用性，其計(jì)算方法簡(jiǎn)單且其計(jì)算過(guò)程無(wú)需進(jìn)行迭代求解，方便快捷；雖然應(yīng)用懸鏈線理論進(jìn)行得出的結(jié)果精度較大，但是其受使用條件約束導(dǎo)致通用性差，因此大多應(yīng)用于鋪管船法進(jìn)行的管道鋪設(shè)過(guò)程設(shè)計(jì)；有限元法和非線性理論均是計(jì)算精度高且有很好的通用性，隨著科技的不斷進(jìn)步，越來(lái)越成為受大家青睞的計(jì)算方法。

2.1 有限元方法

如今在工程實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計(jì)算方法便是限元法。同時(shí)隨著科技的迅速發(fā)展，促使計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力大幅提高，有限元法現(xiàn)在已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）和計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAD）的重要組成部分。在應(yīng)用有限元法對(duì)海洋管道鋪設(shè)過(guò)程分析計(jì)算中，一般是用相互連接的經(jīng)典梁?jiǎn)卧到y(tǒng)來(lái)模擬管道，首先對(duì)每一個(gè)經(jīng)典梁?jiǎn)卧膭偠染仃囘M(jìn)行分析計(jì)算，然后將其在整體坐標(biāo)系下進(jìn)行整合集成，再應(yīng)用邊界條件對(duì)剛度矩陣和荷載向量進(jìn)行處理后求解平衡方程，最后可計(jì)算出所模擬管道各個(gè)連接點(diǎn)的位移大小。有限元法中模擬管道中簡(jiǎn)化經(jīng)典梁?jiǎn)卧膹澢鷦偠染仃嚍椋?/p>

增加軸向力后模擬管道經(jīng)典單元的剛度矩陣變?yōu)椋?/p>

在得到上述模擬管道的單元?jiǎng)偠染仃嚭髮⑵湔蠟檎w剛度矩陣，再將荷載向量代入平衡方程中求解，可計(jì)算出單元節(jié)點(diǎn)的位移大小。

在管道的鋪設(shè)過(guò)程計(jì)算中，管道發(fā)生的一般遠(yuǎn)小于管道自身，因而當(dāng)管道平衡條件是以管道僅發(fā)生小變形為條件而建立的，此時(shí)可以忽略管道的實(shí)際形狀和位置的變化，達(dá)到快速計(jì)算目的的同時(shí)且符合精度要求，此類計(jì)算屬于線性計(jì)算理論。然而在鋪設(shè)海域水深較大時(shí)，管道可能會(huì)進(jìn)入大位移狀態(tài)，也就是必須考慮管道形變等對(duì)平衡的影響，此時(shí)平衡條件的依據(jù)發(fā)生了改變，這樣問(wèn)題就成為了非線性問(wèn)題。

2.2 非線性有限元法

非線性有限元法是建立在有限元法的基礎(chǔ)上，專門用來(lái)解決非線性結(jié)構(gòu)問(wèn)題等常規(guī)有限元法不能解決的問(wèn)題的一種數(shù)值計(jì)算方法。非線性有限元法的計(jì)算往往極為復(fù)雜，因此其極度依賴電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。但是非線性有限元法的應(yīng)用往往不受計(jì)算對(duì)象在幾何和物理上的限制，這是其它求解方法無(wú)法比擬的，因此其發(fā)展快同時(shí)也越來(lái)越得到工程各方的重視，是未來(lái)進(jìn)一步研究管道鋪設(shè)過(guò)程的重要突破方向。由式4可以看出當(dāng)模擬管道的整體剛度矩陣是關(guān)于節(jié)點(diǎn)位移的函數(shù)時(shí)，其平衡方程就是非線性有限元方程[12]。此時(shí)通常應(yīng)用牛頓-拉夫遜法對(duì)其進(jìn)行求解，迭代公式為：

當(dāng)上述迭代法計(jì)算后得到的不平衡力足夠小時(shí)，此時(shí)模擬管道的累計(jì)變形為求得的管道鋪設(shè)過(guò)程變形。

在應(yīng)用非線性理論對(duì)海洋管道進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，最主要的是管道變形的幾何非線性問(wèn)題，目前應(yīng)用較為廣泛的是將管道視為彈性、非線性的幾何大變形梁模型進(jìn)行求解。與上文的線性有限元法所應(yīng)用的線性梁理論相比，采用幾何非線性的大變形梁作為模擬鋪設(shè)管道的適用條件更廣，同時(shí)其計(jì)算精度也更高。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著陸地油氣資源的逐步枯竭，人們愈發(fā)重視海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)利用。本文針對(duì)海洋管道的鋪設(shè)方式以及各鋪設(shè)方法過(guò)程的研究方法進(jìn)行了對(duì)比分析，相較于拖管法，鋪管船法由于其沉放難度小、對(duì)海況的要求低，因而在國(guó)內(nèi)外取得了大量的應(yīng)用；未來(lái)對(duì)于有限元法的利用將促使海洋管道鋪設(shè)技術(shù)進(jìn)一步提高。我國(guó)海洋管道的鋪設(shè)和設(shè)計(jì)由于起步較晚，技術(shù)和裝備相對(duì)落后，對(duì)海洋管道鋪設(shè)的設(shè)備研發(fā)和相關(guān)理論需要更加全面的研究，從而加速對(duì)我國(guó)海上油氣資源的開(kāi)發(fā)利用，推動(dòng)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的健康、可持續(xù)發(fā)展。

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Research Status of the Laying Technology of Offshore Pipeline

1,2,2,1,1

（1. Oil Department of Army Logistics University of PLA, Chongqing 401331，China；2. National Disaster Emergency Equipment Engineering Technology Research Center, Army Logistics University of PLA, Chongqing 401331，China）

With the rapid development of economy and the exploitation and utilization of land oil and gas resources, more and more attention has been paid to the exploitation of marine oil and gas resources at home and abroad. The offshore pipeline is the most important part of ocean engineering, but the offshore pipeline is different from land pipelines, the load and boundary conditions are more complex, and the offshore pipeline is always under high stress and high risk, therefore the laying technology of offshore pipeline need also meet higher requirements. In this article, the offshore pipeline laying methods were compared and analyzed as well as the research methods of offshore pipeline laying process based on these laying methods, the applicable scope of different laying method was obtained, the future research direction of pipe laying process analysis method was put forward.

Offshore pipelines; Laying technology; Lay barge method; Pull-and-tow technique

TE 835

A

1671-0460（2017）12-2551-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃，項(xiàng)目號(hào)：2014BAK05B00。

2017-10-10

楊東宇（1994-），湖南邵陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：從事石油與天然氣管道加注技術(shù)方面研究。E-mail：467046325@qq.com。