引言（1）
根據(jù)目前埕島油田海底管線出現(xiàn)懸空的實(shí)際情況，對(duì)海管懸空形成機(jī)理進(jìn)行了分析，并對(duì)海管懸空治理的不同方案進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，重點(diǎn)介紹了水下樁治理方案的制定和實(shí)施。
埕島油田位于渤海灣南部的淺海海域，區(qū)域構(gòu)造位置位于埕寧隆起埕北凸起的東南端，是一個(gè)在潛山背景上發(fā)育起來(lái)的大型淺山披覆構(gòu)造。該區(qū)從1875年開(kāi)始勘探，在先期資源評(píng)價(jià)、盆地分析模擬、區(qū)帶綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，于1988年鉆探了第1口控井——埕北12井，從而發(fā)現(xiàn)了埕島油田。截止目前，埕島油田已建成海底輸油管線54條，注水管線33條。
海管懸空情況調(diào)查（2）
目前，通過(guò)對(duì)61條海底管線的調(diào)查發(fā)現(xiàn)其中僅有5條管線未被沖刷懸空，僅占8％，管道懸空高度平均值為1.33m，最大值為2.5m。大于等于2m的有16根，占26％，大于等于1m的有48根，占79％，可見(jiàn)沖刷的普遍。從懸空長(zhǎng)度來(lái)統(tǒng)計(jì)，平均懸空長(zhǎng)度為15.1m，最大30m。大于等于20m的為22根，占36％；大于等于10m的有43根，占70％。
如果按管道初始設(shè)計(jì)埋深為1.5考慮，則遭到最大沖深的管道從原海床面計(jì)算總計(jì)沖刷深度S＝e+D+h＝4.5m（其中e為埋深；D為管道直徑，近似取0.5m；h為沖刷后管道懸空高度）。這樣的沖刷深度對(duì)海底管道來(lái)說(shuō)是少見(jiàn)的。除了管道處發(fā)生強(qiáng)烈沖刷以外，在采油平臺(tái)井場(chǎng)范圍內(nèi)也出現(xiàn)較嚴(yán)重的沖刷。
海管懸空原因及模型試驗(yàn)（3）
1海底管線懸空原因
造成場(chǎng)區(qū)內(nèi)平臺(tái)及管道周?chē)鷱?qiáng)烈沖刷的原因十分復(fù)雜，大致為以下幾方面：
1.1建筑物存在形成的部沖刷
這種沖刷形成的原因是由于建筑物的存在而在局部范圍內(nèi)發(fā)生強(qiáng)化的水流或高速旋轉(zhuǎn)的旋渦，這些水流或旋渦具有較高的沖刷（挾帶泥沙）能力，從而在局部范圍內(nèi)形成沖刷坑。沖刷坑范圍與深度往往與建筑物尺度有直接關(guān)系。
1.2水平管道下面的沖刷
放置在海床面上的管道沖刷開(kāi)始于管道與海床面之間出現(xiàn)一水流隧道。對(duì)于部分埋置的管道來(lái)說(shuō)，這種水流隧道可以因管道前后存在一定壓差形成管涌而發(fā)生。當(dāng)水流隧道形成后，管道前后的壓差使管道下的流速大于行近流速，從而引起管道下的沖刷。
1.3海床侵蝕引起的大面積沖刷
由于埕島油田特殊的海洋及海底地質(zhì)條件，本海區(qū)處于不穩(wěn)定的沖淤狀態(tài)，根據(jù)飛雁灘1976～2000年24年斷面測(cè)量，5m等深線平均蝕退距離達(dá)0.19km/a，海床蝕深12.6cm/a；10m等深線蝕退距離達(dá)0.10km/a，海床蝕深4.7cm/a。海床調(diào)整的沖淤平衡點(diǎn)大致在12m到15m水深處，在平衡點(diǎn)以上為侵蝕區(qū)，在平衡點(diǎn)以下為淤積區(qū)，這種剖面調(diào)整狀態(tài)目前尚未有轉(zhuǎn)緩的跡象。對(duì)于10m水深處，在海管設(shè)計(jì)壽命15年內(nèi)，海床整體沖刷深度可達(dá)0.7m。由于該原因引起的海管淘空體現(xiàn)在整條海底管線上。
1.4海底不穩(wěn)定性引起的沖刷
海底不穩(wěn)定性的表現(xiàn)是海底表層土壤在大浪作用下發(fā)生滑移坍塌，當(dāng)表層土為粉砂時(shí)，在暴風(fēng)浪作用下，土壤發(fā)生液化而使土壤抗剪強(qiáng)度降低，從而可能造成海床一定范圍內(nèi)的下降。
1.5其它因素
如立管支撐結(jié)構(gòu)的周期性振動(dòng)，施工時(shí)由于受到設(shè)備、平臺(tái)位置等的限制，管道在平臺(tái)附近的埋深于小設(shè)計(jì)所要求的埋深等因素也是引起立管懸空的一個(gè)因素。
2沖刷物理模型試驗(yàn)
實(shí)際上，立管底部的懸空高度是在以上因素的聯(lián)合作用下發(fā)生的，單從理論上很難確定出具體的數(shù)值，因此，根據(jù)埕島油田的條件及海管立管結(jié)構(gòu)我們進(jìn)行了沖刷物理模型試驗(yàn)。針對(duì)立管樁及平臺(tái)支撐條件分不同情況共進(jìn)行了17組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)探摸結(jié)果吻合；模型試驗(yàn)得出立管底部的懸空長(zhǎng)度為10m，與現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)情況存在較大的差別。
原因分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，立管底部的最大沖刷深度在3.0m基本達(dá)到不變，但懸空長(zhǎng)度由于受多種條件的影響，將來(lái)如何變化，目前確定較為困難。因此，在針對(duì)輸油管線立管底懸空治理研究時(shí)，主要仍根據(jù)實(shí)測(cè)進(jìn)行。
懸空治理方案分析（4）
1拋砂袋結(jié)合混凝土塊覆蓋
1.1方案描述
先在懸空管道及其周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)（主要指立管周?chē)黠@的海底沖刷坑）拋填水泥砂漿袋，每個(gè)砂漿袋重約60kg。在拋填砂袋的過(guò)程中要由潛水員對(duì)砂袋進(jìn)行整理，保證懸空立管底部填滿(mǎn)砂袋。拋理砂袋完成后，再在管道上用混凝土覆蓋，混凝土覆蓋層可用小的混凝土預(yù)制塊串接成網(wǎng)狀，混凝土覆蓋層的密度初步確定為320kg/m2，這樣可提高覆蓋層抗沖刷的能力，又不至于對(duì)海底管道造成損壞。
1.2方案優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)是施工工藝及取材簡(jiǎn)單，便于實(shí)施；不需要進(jìn)行防腐處理；可以在管線不停產(chǎn)的情況下實(shí)施，不影響生產(chǎn)；保護(hù)的范圍廣，對(duì)同一平臺(tái)周?chē)暮５坠芫€均可產(chǎn)生保護(hù)。缺點(diǎn)是受不確定因素的影響較多，拋填的砂袋有進(jìn)一步被沖刷淘走的可能，造成管道的再度懸嚓，因此，該方法的可靠性不高；如果再次懸空，覆蓋的混凝土將對(duì)管道產(chǎn)生不利影響。
2撓性軟管跨接
2.1方案描述
將懸空立管拆除，根據(jù)目前沖刷后實(shí)際的海底現(xiàn)狀，重新設(shè)計(jì)及安裝立管。在立管與水平管之間跨接長(zhǎng)度為60m的撓性軟管，撓性軟管的規(guī)格根據(jù)具體的海管規(guī)格確定。為提高其連接的可靠性，撓性軟管與兩端鋼管仍采用水面以上的焊接方式，并在兩端設(shè)有撓性軟管保護(hù)結(jié)構(gòu)，用于海底輸油的撓性管道是由密封、保溫、加強(qiáng)等材料構(gòu)成的多層撓性管結(jié)構(gòu)。
2.2方案優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)是方案可靠性高，由于軟管有撓性，在輔設(shè)時(shí)可隨地形的變化而變化，因此有很好的抵抗疲勞破壞的特性；立管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，撓性軟管兼作海管的膨脹補(bǔ)償裝置；施工簡(jiǎn)便，施工速度比常規(guī)立管要快許多倍；耐腐蝕，軟管系統(tǒng)可回收再利用。缺點(diǎn)是必須在管線停產(chǎn)的情況下方可實(shí)施；對(duì)于有的管線，如有海底注水管線或電纜壓在油管線上，則實(shí)施起來(lái)較為困難；海底輸油軟管比鋼質(zhì)管道有更強(qiáng)的“專(zhuān)營(yíng)性”，世界上僅少數(shù)廠家設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，因此用戶(hù)選擇的余地較小。
3水下支撐樁
3.1方案描述
為了防止水下管道懸空段在水流作用下產(chǎn)生的渦激振動(dòng)，引起管線斷裂，在懸空段設(shè)置支承支架，以減小橫向和縱向振動(dòng)幅度。根據(jù)縮短管道懸空長(zhǎng)度的思路，該方案采用沿懸空管道設(shè)水下短樁支撐的方法。
根據(jù)初步的分析及允許的懸空長(zhǎng)度，對(duì)于不同管徑的海底管線采用不同樁徑的水下短樁，根據(jù)計(jì)算得出樁的入土深度。鋼管樁沿懸空管道兩側(cè)交替設(shè)置，間距根據(jù)第5節(jié)計(jì)算得到管道允許的懸空長(zhǎng)度及實(shí)際的懸空長(zhǎng)度確定，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，該間距應(yīng)根據(jù)海底管道的疲勞分析、極端靜態(tài)及動(dòng)態(tài)荷載分析結(jié)果確定。
在每一鋼管樁靠近海管附近位置，設(shè)有H型鋼懸臂梁，懸臂梁上設(shè)有2套Ф30高強(qiáng)U型螺栓將懸空的立管固定，從而實(shí)現(xiàn)減小立管懸空長(zhǎng)度的目的。
鋼管樁可采用打水下樁的方法實(shí)現(xiàn)。固定懸臂梁可在鋼管樁上預(yù)先焊接一管托，鋼管樁打完后，由潛水員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量管托與懸空立管的相對(duì)位置，確定要預(yù)制管卡的高度。再將根據(jù)實(shí)際測(cè)量尺寸預(yù)制一體的懸臂梁及管卡從鋼管樁頂套入或水下管卡固定支撐于管托止。最后再由潛水員用U型螺栓將懸空立管固定于懸臂梁上。鋼管樁的防腐可采用內(nèi)外涂層結(jié)合腐蝕余量的方法實(shí)施。
在該方案研究時(shí)充分考慮了海上方便施工，采用懸臂梁及僅在海管一側(cè)設(shè)鋼管樁的支撐方法，施工精度要求相對(duì)不高，容易實(shí)施。
3.2方案優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)是施工相對(duì)簡(jiǎn)單，便于實(shí)施；可以在管線不停產(chǎn)的情況下實(shí)施，不影響生產(chǎn)；該方案可靠性較高，由于水下鋼管樁截面較小，對(duì)管道懸 空長(zhǎng)度進(jìn)一步發(fā)展影響不大。而且，由于樁打入沖刷泥面以下一定深度，即使沖刷深度進(jìn)一步加大，鋼管樁仍然是穩(wěn)定的。缺點(diǎn)是保護(hù)的范圍相對(duì)小，每根支撐鋼管短樁只能對(duì)單一海管的一定距離提供保護(hù)，因此，對(duì)于沖刷長(zhǎng)度較長(zhǎng)的小口徑海管，需設(shè)置的鋼管短樁數(shù)量相對(duì)多；防腐較為困難。
根據(jù)目前存在的海管懸空情況，從工程造價(jià)及施工強(qiáng)度考慮，水下支撐樁為目前最為合適的懸空治理方案，我們選擇了該方案。
水下打樁工藝研究及初步實(shí)施（5）
1水下固定短樁施工機(jī)具的研究
按照設(shè)計(jì)院初步完成的對(duì)已建海底管道發(fā)生非設(shè)計(jì)懸空的控制對(duì)策研究，結(jié)合采用“水下短樁支撐”方法需要解決的樁管的垂直度、樁管的就位及懸臂梁位置的控制、施工過(guò)程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)過(guò)程控制等技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，我們初步完成了以下工作：
1.1打樁機(jī)選型計(jì)算
下面按照樁管直徑Ф500mm，入泥15m，以埕北古5的地質(zhì)條件分別進(jìn)行打樁機(jī)能力的計(jì)算如下：
根據(jù)埕北古5平臺(tái)地質(zhì)條件勘探資料進(jìn)行計(jì)算，得：
根據(jù)土質(zhì)類(lèi)型和N值求出極限靜摩擦力T
對(duì)粘土質(zhì)、淤泥土為：ⅰ=n Ni,T=ΣHi-πDt, ⅰ=12
對(duì)砂質(zhì)土：ⅰ=n Ni,T=ΣHi-πDt, ⅰ=15
極限靜摩擦力t和振動(dòng)摩擦力tm的關(guān)系：
tⅢ＝μt（μ——根據(jù)土質(zhì)取系數(shù)）
公式中ⅰ為土層的順序號(hào)，Ni為每一土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，Hi為每一土層的厚度，tⅢ為每的振動(dòng)摩擦力，t為累計(jì)極限靜摩擦力。
根據(jù)勘探資料進(jìn)行計(jì)算，得：
入泥18m處的振動(dòng)摩擦力為：
TV1-6＝11.90914（t）
按照以上的計(jì)算，考慮其他因素的影響，取安全系數(shù)為3～4，我們使用60t的振動(dòng)打樁機(jī)，足以進(jìn)行500m樁管入泥15m的施工。
懸臂梁旋轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度計(jì)算：
根據(jù)水下固定樁的打樁設(shè)計(jì)，以15m海底管道為一支撐重量計(jì)算。內(nèi)管219mm×12mm，外管325 mm×20 mm，15 m海底道重量為3.2t；懸臂梁采用HZ240H型鋼，材料為Q235-A，懸臂梁旋轉(zhuǎn)軸承受的壓力來(lái)自于海底管道和懸臂梁，估算海底管道和懸臂梁總重為3.3t，選用軸的材料為45 mm，許用應(yīng)力為〔σ〕＝σs/n＝300/5＝60N mm2。
軸的抗彎模面系數(shù)Wx＝（π×d3）/32
已知：作用在懸臂梁上的壓力P＝3.3t
作用力距支點(diǎn)位置1為135mm。
軸的最大應(yīng)力：
σmax＝Mmax/ Wx＝P·1/ Wx
＝33000×135×32/｛π×d3｝
≤60N/ mm2
d3≥33000×135×32/（3.14×60）
d≥91.13mm
取最小軸徑為100mm。
1.2完成淺水打樁扶正架的設(shè)計(jì)
根據(jù)海流的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了在施工水域內(nèi)可以坐底的扶正架。扶正架的作用是保證樁管在打樁過(guò)程中的垂直度，同時(shí)作為固定剖面聲納、縱傾和橫傾傳感器、液壓控制系統(tǒng)等的支架，避免打樁振動(dòng)對(duì)聲納、傳感器等先進(jìn)儀器的精度影響及損壞，便于施工工藝設(shè)計(jì)的實(shí)施。
1.3初步完成海底管道固定裝置的計(jì)算設(shè)計(jì)
按照管線規(guī)格：Ф219.1×12/Ф325×14，支撐樁間距按15m考慮（實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為13m），根據(jù)SACG軟件對(duì)作用于支撐裝置上關(guān)鍵部位的受力情況進(jìn)行了計(jì)算，作用在支撐結(jié)構(gòu)上的負(fù)載：
Fυ′＝ω內(nèi)+ω外+ω其它+ω-ω浮+ω波浪
＝〔61.3+107.4+（9.1+29.9）〕×9.8+697
＝2714N/m→Fυ＝Fυ′×15＝40710（N）
FH＝928N/m→FH＝FH′×15＝13920（N）
考慮到管線渦激振動(dòng)的動(dòng)力效應(yīng)，其為周期性的負(fù)載，動(dòng)力效應(yīng)故取2.0，即最終設(shè)計(jì)水下固定裝置考慮的負(fù)載為：
Fυ＝81420（N），F(xiàn)H＝27840（N）
固定裝置的設(shè)計(jì)為活動(dòng)式結(jié)構(gòu)，由外卡套、調(diào)整底座、鎖緊螺母、懸臂梁、U型卡子等組成，可以單獨(dú)制造，然后與水下短樁一起在工廠預(yù)制。固定裝置采用回轉(zhuǎn)支撐和千斤頂進(jìn)行圓周方向和上下方向的調(diào)節(jié)，最大限度地保證了施工設(shè)計(jì)要求，同時(shí)減少了水工作業(yè)時(shí)間。
2水下短樁及懸臂梁固定施工工藝的制定
根據(jù)海底管道懸空段固定技術(shù)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合水下短樁支撐方的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，我們進(jìn)行了整套施工工藝的編制。
2.1初步完成水下短樁施工工藝制定
a）打樁施工前準(zhǔn)備工作：施工前，潛水員進(jìn)行水下勘查工作，確定可以打樁的位置，并用點(diǎn)定位聲納浮標(biāo)做出標(biāo)記。吊機(jī)的主鉤吊住打樁錘和樁管的兩個(gè)吊點(diǎn)，將打樁錘和樁管垂直放入扶正架的扶正裝置內(nèi)，調(diào)整扶正架吊索長(zhǎng)度，保證起吊后打樁錘、樁管和扶正架整體垂直。
b) 尋管、就位：按照已探明的海底管道水下短樁位置標(biāo)記，在扶正架上的點(diǎn)定位聲納（或潛水員）的引導(dǎo)下，將打樁錘、樁管和扶正架緩慢放入水中。按照剖面聲納顯示的海底管道的剖面，用電子標(biāo)尺測(cè)定扶正架中心暨樁管中心與海底管道之間的距離。用吊機(jī)和絞磨調(diào)整扶正架與海底管道之間的位置，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求的距離，把扶正架放到海床上。
c) 打樁：接通打樁錘動(dòng)力源，進(jìn)行打樁。扶正架上的縱傾和橫傾傳感器隨時(shí)檢測(cè)扶正架的水平狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。振動(dòng)打樁造成的樁管傾斜一般發(fā)生在樁管入泥5～6m中間。通過(guò)扶正裝置的導(dǎo)向，將樁管打入泥面以下5～6m后，控制油缸將扶正裝置全部分開(kāi)，便于樁管上端海底管道固定裝置和錘體的通過(guò)，由扶正架中部安裝的剖面聲納觀察樁管入泥狀況。樁管打到設(shè)計(jì)位置前1m，降低打樁錘振動(dòng)頻率，減小沉樁速度。由中部聲納觀察懸臂梁與海底管道的接近情況，當(dāng)懸臂梁的頂面低于懸浮海底管道的底部（間距不大于200mm）時(shí)，停止打樁。松開(kāi)液壓夾具，吊機(jī)將打樁錘和扶正架同時(shí)吊出，準(zhǔn)備進(jìn)行下一根樁的施工。
2.2初步完成固定裝置施工工藝的制定
海底管道懸空段固定裝置是采用工廠化預(yù)制，完成固定裝置的加工、防腐及與水下短樁焊接。這樣可避免潛水員水下測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)切割和安裝，、縮短施工周期，節(jié)約施工成本。懸臂梁固定施工工藝為：
a） 打樁前，轉(zhuǎn)動(dòng)外卡套帶動(dòng)懸臂梁到一定合適位置后鎖緊，不能影響樁管的打樁施工。
b) 固定裝置和樁管一起打入到位，潛水員下水，旋轉(zhuǎn)懸臂梁使其與海底管道軸線垂直，通過(guò)千斤頂調(diào)整懸臂梁上下位置，使其上表面與海底管道底部接觸。
c) 順海底管道的外徑插入U(xiǎn)型卡子，用螺母固定到懸臂梁上。
d) 緊固外卡套上的螺母，使外卡套與樁管鎖緊，完成海底管道的固定。
在整個(gè)施工過(guò)程中，扶正架扶正效果滿(mǎn)足了施工需要，保證了樁管的垂直度，剖面聲納和點(diǎn)定位聲納的結(jié)合以及較好的水密性，保證樁管的定位準(zhǔn)確度。該試驗(yàn)的整套工藝在國(guó)內(nèi)尚屬首次，它的試驗(yàn)成功證明該工藝的高技術(shù)含量，是有效治理懸空情況的施工方案。
安全評(píng)估（6）
海底管道是海上石油生產(chǎn)設(shè)施的重要組成部分，海底管道的正常運(yùn)行是海上原油生產(chǎn)的重要保障。通過(guò)對(duì)海底管道的懸空機(jī)理和水下固定設(shè)施的研究，有效地預(yù)防了因海底管道懸造成的海底管斷裂而發(fā)生的溢油事故，避免了對(duì)海洋環(huán)境的污染，提高了海底管道安全運(yùn)行。對(duì)海底管道的懸空治理所產(chǎn)生的安全和經(jīng)濟(jì)效益都是非常巨大的。
（王海濤 王繼忠 熊煒 李?lèi)?ài)軍 張偉）
