一种新型海底管线跨越保护装置

易涤非 邓欣 唐少华

摘 要：依据DNV规范要求，海底管线交叉跨越处需要对原有管线进行保护处理。本文针对常规海底管线跨越处理方法中存在的施工风险高、工作量大等难题，设计了一种新型的海底管线跨越保护装置，较好的解决了这些问题。

关键词：海底管线；跨越点；保护装置

中图分类号：TE32 文献标识码：A

1 引言

随着国家对海洋油气资源开发力度的加大，海上石油平台不断增多，海底管线越来越呈现纵横交错的趋势。依据DNV规范要求，海底管线交叉跨越处需要对原有管线进行保护处理。在实际工程中，由于海洋环境复杂，海底管线跨越的常规处理方法存在较高的施工风险，同时施工工作量相当繁重。针对以上难点，我们设计了一种新型的海底管线跨越保护装置，并将之运用于实际工程中，取得了成功。

2 常规的海底管线跨越处理方法

目前，对于海底管线跨越处理的常规方法是在原有管线上方沿其管线轴线方向铺设混凝土压块，在混凝土压块两侧叠放沙袋，以使混凝土压块顶部与海床之间形成缓坡过度。基础处理完毕后，在其上方铺设新管线，由此达到对原有管线进行保护的目标。

由于混凝土压块的重力会通过土壤传递到原有管线上，特别是对于裸露的管线，混凝土压块的重力将会直接作用于管线上，这将对原有管线的安全造成一定的风险。对于不停产施工的油气田，如果施工控制不当有可能引起管线泄漏或爆炸等严重后果。

同时，由于新铺管线的实际路由与设计路由不可避免的会存在一定的偏差，因此两管线的实际跨越点也是不确定的，但是跨越点的基础处理必须在新铺管线铺设开始前完成，因此，为了保证新铺管线落在已经处理完的基础上，基础处理的范围必须适当放大才能满足要求，一般一个跨越点需要数十块压块，尤其是深水条件下，新铺管线的路由偏差更大，则基础处理的范围更大，需要的压块数量更多。

通过以上分析我们可以看到，常规的海底管线跨越处理方法存在一下主要缺点：

（1）起保护作用的混凝土压块对原有管线的压力，将会导致安装的风险大大提高；（2）由于每块混凝土压块的都需要单独吊装安装，大量的混凝土压块吊装将会导致较大海上工作量，从而增加施工成本。

3 新型的海底管线跨越保护装置

3.1 技术方案

与传统的跨越保护装置相比，本设计的新型海底管线跨越保护装置是一种全新的钢结构保护装置：（1）管线跨越保护装置是由钢材组成的长条形整体结构，其截面形状为Ω型；（2）保护装置由长边方向6根圆管、内侧顶部2根和底部2根圆管构成倒U型结构，而最外侧的2根与内侧底部的2根圆管作为防沉板的框架，支撑设置在其底部的防沉板；（3）在短边方向上适当位置设置横撑和斜撑，以将长边方向上的圆管连接成一个整体结构。

该装置通过整体吊装安装，倒扣在原有管线正上方，其几何中心点与新老管线设计跨越点重合。安装完毕后再铺设新管线，装置顶部及泥面处的两侧管件与新铺管线接触区域设置橡胶垫，以增大其摩擦力保证管线的侧向稳定性，同时保护新管线以免磨损。同时，装置顶部设置限位扣以对新管线进行限位，限位扣采用管卡进行固定，在新管线铺设完毕后再安装。

3.2 结构形式

3.3 实施方案

管线跨越保护装置是左右对称结构：两根顶部圆管1位于原有管线13的正上方，其外侧包裹一层橡胶垫10，两根顶部圆管1的距离以2 m为宜，通过顶部支撑4相连，顶部支撑4为圆管构件；两根底部内侧圆管2分别位于两根顶部圆管1的斜下方，分别通过斜坡支撑5相连，斜坡坡度以20°～30°为宜，斜坡支撑5为圆管构件；底部外侧圆管3与新铺管线14接触区域包裹一层橡胶垫11；底部外侧圆管3与底部内侧圆管2的底面标高齐平，通过底部支撑6相连，底部支撑6为工字钢，在其底部设置防沉板7，防沉板7宽度由计算确定，以满足防沉要求，同时保证新铺管线14自然下垂落在底部外侧圆管3之上，其宽度一般不小于1.5 m；顶部圆管1上方安装限位扣8，其位置由新铺管线14的实际位置确定，因此限位扣8为后安装，为满足后安装的要求，限位扣8通过管卡9固定；顶部圆管1、底部内侧圆管2和底部外侧圆管3两端均设置封板12。

4 现场安装

新型跨越保护装置的预制完全按照设计图纸施工建造。海上安装时，采用长基线LBL水下定位系统进行精确定位安装，确保管线跨越保护装置准确就位。新铺海管跨越保护装置时，通过USBL水下定位系统和水下机器人ROV实时监测，使得海管顺利铺设通过管线跨越保护装置中心点，与详细设计基本一致。

该海底管线跨越保护结构海上安装完成仅用了4天，而如果采用以往常规安放混凝土压块或在两侧安放混凝土垫墩，再通过堆填沙袋形成过渡缓坡的方式，海上施工周期至少需要20天，采用该管线跨越保护装置大大缩短了海上安装时间，节省了大量的安装费用。

5 工程实例

该新型海底管线跨越保护装置已成功运用于中国南海实际工程中，对于其安装及在位使用时有可能遇到的问题做了如下校核工作：

5.1 强度校核

对于新型海底管线跨越保护装置的吊装工况和在位时受波流冲击工况，依据DNV规范要求，选用海洋工程设计通用软件SACS校核这两种工况下结构杆件强度，计算结果显示所有杆件名义校核UC最大值为0.75<1.0，满足强度要求。

5.2 土壤承载力计算

根据工程地质调查得到的土壤参数、跨越保护装置在位工况下所受的波流力计算数据，计算了管线跨越保护装置安装处土壤的极限承载力，以校核该处土壤承载力能否满足管线跨越保护装置承载要求。

根据API RP 2A规范，计算过程及相关公式如下：

为防止基础在设计荷载条件下发生破坏，规范要求基础具有足够的安全裕度，对于给定的破坏模式，安全系数fs如下：承载力破坏，fs=2.0；滑动破坏，f's=1.5。

根据计算校核结果：

实际土壤竖向承载力的安全系数fs=6.64 > 2.0，满足规范要求；

实际水平方向抗滑移安全系数为f's=2.46>1.5，满足规范要求。

因此所设计的新型跨越保护装置的结构满足相应规范要求及使用要求。

6 结束语

鉴于常规海底管管线跨越模式的诸多缺点，为满足实际工程需要，本文设计了一种新型的海底管线跨越保护装置，并得到如下结论：

（1）本文详细说明了新型海底管线跨越保护装置的结构及安装过程，探讨了常规海底管线跨越模式的诸多不足之处，为新型海底管线跨越保护装置提供了研究方向；

（2）依据规范并结合工程所处海域环境资料，对于新型海底管线跨越保护装置所处的吊装、在位工况进行了结构校核，校核结果表明结构强度满足规范要求及使用要求。同时，对于跨越装置在位时在波流和自重载荷共同作用下，所处海域土壤能否满足承载力要求作了详尽的计算分析，计算结果表明新型跨越保护装置能够较好的使用在该海域；

（3）通过工程实践检验，可以看到新型海底管线跨越保护装置具有节约油田开发成本、结构简单、建造安装周期短和广泛适用性等特点，此种管线跨越保护结构的设计和成功应用，能够为今后同类工程的实施提供一定技术支持和指导。

参考文献

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[2] API RP 2A – “Recommended Practices of Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design” – 21st Edition December 2000.

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