淺析碳鋼管在復(fù)雜地質(zhì)條件下的不適用性

王文亮

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

在海洋油氣開發(fā)中，常規(guī)的海管鋪設(shè)對路由選擇有如下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

(1)為了節(jié)約工程成本，在滿足施工可行性和后期操作維護(hù)要求的前提下路由應(yīng)設(shè)計(jì)的盡量短。

(2)盡可能地避開與已存在管線的跨越。

(3)盡可能地避開海底障礙物。

(4)選擇地勢平坦的海床，從而減少管道懸跨情況發(fā)生。

(5)滿足業(yè)主方的其他特殊要求，如殼牌規(guī)范明確要求新建管線與已存在管線間的角度不能小于30°，某東南亞海域業(yè)主要求新建管線不得與珊瑚發(fā)生接觸等[1][2]。

傳統(tǒng)碳鋼管在地質(zhì)條件較好的海域均能滿足上述要求，但在一些地形復(fù)雜、多變地質(zhì)條件下及開發(fā)較為成熟的海域，碳鋼管的應(yīng)用存在諸多的限制，堅(jiān)持使用碳鋼管作為油氣運(yùn)輸?shù)妮d體會對施工和后期的維護(hù)運(yùn)營造成一定難度，從而降低工程的總體效益。

1 受限空間內(nèi)的路由選擇

在某些開發(fā)成熟的海域，路由布置的空間往往狹小彎曲，需要對管線進(jìn)行曲線鋪設(shè)?？紤]管土作用及管道應(yīng)力等因素影響的前提下，碳鋼管管線的最小彎曲半徑可由下式定義：

其中：H為管道殘余張力，μ為土壤側(cè)向摩擦系數(shù)，Ws為土壤單重，F(xiàn)R為土壤被動(dòng)抗力[3]。以上考慮的鋪設(shè)最小半徑應(yīng)根據(jù)海域的實(shí)際情況，工程經(jīng)驗(yàn)及其他因素綜合考慮一定的安全余量。同時(shí)為了保證路由曲線段的穩(wěn)定，曲線段兩側(cè)要保留足夠長的直線段，從而使直線段與土壤的摩擦力大于管線由于彎曲而產(chǎn)生的回彈載荷。

在某國外項(xiàng)目中由上述公式計(jì)算出的彎曲半徑值無法匹配該項(xiàng)目的路由調(diào)查帶，若堅(jiān)持采用碳鋼管只能選擇膨脹彎作為管線路由的轉(zhuǎn)向方式。但是在路由中間布置膨脹彎會相應(yīng)地增加管線起始鋪設(shè)、棄管和膨脹彎吊裝作業(yè)，極大地增加施工成本，同時(shí)膨脹彎兩側(cè)用法蘭與管線連接會增加泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 某國外項(xiàng)目路由調(diào)查帶，右側(cè)曲線最小半徑無法滿足規(guī)范要求

軟管由于自身剛度低，可以以較小的彎曲半徑完成轉(zhuǎn)向鋪設(shè)。常規(guī)類型的10寸軟管最小彎曲半徑在50m左右，能夠滿足大多數(shù)條件下的鋪設(shè)要求。同時(shí)軟管在鋪設(shè)過程中不存在焊接作業(yè)，極大地縮短了施工時(shí)間，節(jié)約施工成本。

2 跨越多條存在管線的路由選擇

在海床存在大量已建管線及電纜，新建路由無法避讓的情況下，合理地制定跨越方案能夠極大地減小施工處理量。傳統(tǒng)的鋼管跨越已存在管線的方式多為在老管線上鋪墊壓塊后在鋪設(shè)新建管線，用軟件模擬實(shí)際情況得到相應(yīng)的功能荷載及環(huán)境荷載，最后用DNV規(guī)范中規(guī)定的如下準(zhǔn)則進(jìn)行校核[2]：

式中：YA,YE,YF,YP為荷載效應(yīng)因子；YC為條件荷載效應(yīng)因子；YSC,YM分別為安全等級抗力因子和材料抗力因子；Md,MF,ME,MA分別為設(shè)計(jì)彎矩、功能荷載彎矩、環(huán)境荷載彎矩、偶然荷載彎矩；Sd,SF,SE,SA分別為設(shè)計(jì)有效軸向力、功能荷載軸向力、環(huán)境荷載軸向力、偶然荷載軸向力；ΔPd為設(shè)計(jì)壓力差；Mp為塑性彎矩抗力，Mp=fy·(Dt2)2·t2；SP為特征塑性軸向抗力，SP=，Mp=fy·π·(Dt2)2·t2；Pb(t2)為破裂壓力；αc為考慮應(yīng)變硬化的流動(dòng)應(yīng)力參數(shù)，αc=(1-β)+ βfu/fy。

基于對海管懸跨及底流沖刷等問題的考慮，在距離較近的兩處跨越點(diǎn)間往往需要額外布置支撐已滿足管體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，為此需要投入大量的時(shí)間用于海上吊裝作業(yè)。

田間設(shè)計(jì)采用多點(diǎn)大區(qū)對比試驗(yàn)，均設(shè)2個(gè)處理，分別為膜下滴灌處理和常規(guī)大水漫灌處理，每個(gè)處理面積為0.07 hm2。其中膜下滴灌處理每幅地膜下鋪設(shè)2根毛管，毛管間距50 cm，滴頭間距0.3 m，流量2.1 L/h；灌溉水均為井水灌溉，具體灌水量用水表計(jì)量。

以某項(xiàng)目10寸鋼管跨越已存在管線為例，相鄰兩條臨近管線間隔在30m左右，采用傳統(tǒng)的在已存在管線上鋪設(shè)壓塊后鋪設(shè)新建管線的做法管線強(qiáng)度無法滿足要求。

圖2 基于AUTOPIPE軟件對鋼管跨越方案進(jìn)行模擬

圖3 結(jié)果顯示管道UC值大于1，管道強(qiáng)度不滿足要求

在兩條已存在管線間布置一組支墩，管道受力情況得到優(yōu)化，校核結(jié)果顯示管線強(qiáng)度滿足要求。

圖4 優(yōu)化后的模型

圖5 結(jié)果顯示管道UC值滿足要求

如果用軟管代替鋼管，可以考慮采用Uraduct作為跨越點(diǎn)的處理方案。Uraduct的安裝可以在鋪管船上完成，對施工設(shè)施、人員操作難度和所需時(shí)間等要求均遠(yuǎn)小于鋼管的跨越方案。

圖6 某廠家的Uraduct產(chǎn)品

3 密布大量障礙物的路由選擇

當(dāng)海床密布大量障礙物的情況下，很難選擇一條避開所有障礙物的路由?？紤]到鋼管自身的材料屬性，直接與大尺寸的障礙物接觸很難滿足自身的強(qiáng)度要求和許用懸跨要求。在許用懸跨計(jì)算中與管線同軸向最大動(dòng)態(tài)許用懸跨是決定路由許用懸跨長度的決定性計(jì)算工況，該工況受下降速度VR和穩(wěn)定系數(shù)KS影響。VR和KS可以由下列公式定義：

其中：Uc為名義流速，Uw為有意波速，fn為管道懸跨的自然頻率，D為管道外徑，me為有效質(zhì)量，ζT為阻尼比率，ρw為管道周圍流體密度。

同管線軸向方向下降速度下：

其中：Ksd=Ks/Yk，Yk根據(jù)規(guī)范要求選擇1.0，YON,IL根據(jù)規(guī)范要求選擇1.1[4]。

例如某項(xiàng)目采用8寸碳鋼管，計(jì)算結(jié)果顯示該管線所能接受的最大懸跨距離為13m，用sage軟件分析后可知有多處海床需要進(jìn)行預(yù)處理。

圖7 軟件計(jì)算結(jié)果顯示懸跨距離有多處超過最大許用懸跨

軟管由于其自身的材料特點(diǎn)對海床要求較低，常規(guī)的海床條件均能達(dá)到軟管施工和運(yùn)行的要求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合國內(nèi)外工程案例，系統(tǒng)地闡述了碳鋼管在復(fù)雜地質(zhì)條件下路由選擇中的限制性，得出如下結(jié)論：

當(dāng)海管路由存在較小角度彎轉(zhuǎn)、需跨越多條已建管纜和需要對海床進(jìn)行預(yù)處理的情況下，軟管比鋼管在施工難度、后期維護(hù)保養(yǎng)、工程效益等方面更具優(yōu)勢，建議在初期材料選擇階段重點(diǎn)考慮。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 馮現(xiàn)洪，季磊，李秀鋒，等. 基于三維海床的海管路由設(shè)計(jì)技術(shù)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2014，36(3)：116-120.

[2] DNV GL-ST-F101，Submarine Pipeline Systems[S].2017.

[3] DNV GL-ST-F109，On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines[S].2017.

[4] DNV-RP-F105，F(xiàn)ree Spanning Pipelines[S].2006.