基于三维海床的海管路由设计技术

冯现洪，季 磊，李秀锋，刘淑艳

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

基于三维海床的海管路由设计技术

冯现洪，季 磊，李秀锋，刘淑艳

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

近年随着深海油气田的开发，远离海岸线的项目逐步增多，其海床的构造与浅海有较明显的区别，海管路由存在海床崎岖不平和地质状况复杂多变等困难，给海底管道的设计和铺设等带来很大挑战。本文通过对三维数字化海床海管路由设计技术的探讨，提出适用于海管设计阶段的海管路由设计流程，最后通过南海某项目的实际路由，依据设计流程，结合三维可视化软件Fledermaus和应力分析软件Sageprofile完成该管道的路由设计。本文可为基于复杂地形和多变地质条件下的海管路由设计提供参考，为进一步开发南海深水项目打下基础。

海底管道；路由设计；三维海床； Sageprofile

0 引 言

海底管道是海洋油气资源开发的基础和保障，具备高投入、高风险和高收益等特点。海管路由设计是海管设计阶段中的重要和关键一环，体现在海管的设计、铺设、运营和维护的全寿命周期内，因此海底管道路由设计技术对海管的安全性和可靠性具有深远影响。

过去几十年，中国海上石油开发主要集中在渤海、东海、北部湾及南海近岸段，由于水深较浅，这些区域的共同特点是：海床总体较为平坦，地质相对较为简单，因此以往海底管道设计中对于海床的判断基本可以依靠路由调查方提供的水深图、浅剖图和物探图，体现在设计文件中(如：平面路由图)。

但是近年随着深海油气田的开发，远离南海海岸线的项目逐步增多，海床的构造与浅海有较明显的区别，如南海深水荔湾项目及番禺35-1/2项目，海管路由存在海床崎岖不平和地质状况复杂多变等困难，给海底管道的设计和铺设等带来很大的挑战。由于与浅水有着明显的区别，因此有必要探索针对这种深水区域存在的不平坦海床开发适用的路由设计技术。

同时，随着“数字地球”概念的提出和相关技术的迅猛发展，作为其分支之一的“数字海床”也受到了广泛关注，通过与地理信息系统理论和海洋地质、海洋地球物理等相关学科的融合，“数字海床”的相关技术及其应用获得突飞猛进的发展。

本文对三维数字化海床海管路由设计技术进行探讨，为基于复杂地形和多变地质条件下的海管路由设计提供参考，为进一步开发南海深水项目打下基础。

1 海管路由设计技术

由于海底管道所处环境条件的不确定性，需要考虑的设计因素较复杂，而前期对于管道路由规划需要考虑的主要原则如下：

1)管道系统不宜靠近无关的构筑物、其他管道系统、沉船、漂砾等。确定其最小距离宜根据预期的位移、水动力效应和风险评估。当管道系统靠近其他构筑物、管道系统、沉船、漂砾等时，要做详细的路由研究，应考虑可能的位移、运动和其他风险以保证足够间隔和抗干扰的余地。

2)交叉的管道，宜保持分离，且采用至少0.3 m的垂直距离。

3)管道应受到保护，防止由落物、渔具、船舶、抛锚引起的不能接受的损伤；且宜避免使管道位于平台的装载区内。可通过下列一种或联合措施实现保护：混凝土涂层、埋设、覆盖(如砂，石砾，垫子等)、其他机械保护。

海底管道在设计阶段，会尽量按照直线进行规划，以达到距离最短，材料最省和建造施工费用最少的目的，但往往在复杂地形条件下会在管道规划的直线路由上存在障碍等，需要改变直线路线，形成曲线路由，设计阶段一般需要考虑因素如下：

1)最小水平弯曲半径产生的弯曲应力满足强度要求；

2)使悬跨及跨越数量最少；

3)避免洼地和海底障碍物引起的过大悬跨及额外弯曲；

4)优化管道悬跨设计及施工方法；

5)考虑管道路由地质特证及其变化；

6)避免锚区(如存在)；

7)避免可能的有害区域、麻区及水下障碍；

8)保证易于和安全地进行海管安装及近平台回接安装；

9)考虑第三方安装结构(如已存在管线及平台)；

10)考虑安装的可实施性和经济性；

11)考虑管道运行阶段的可操作性。

如进行曲线铺设需要考虑管道在位后管道的弯曲应力，据此确定最小弯曲半径，初步确定最小弯曲半径时，可通过计算弯曲导致应力不超出许用应力的方法确定，最终还需要校核运行期实际弯曲半径导致的荷载。管道引起的弯曲应力：

因此考虑受力的最小弯曲半径：

式中：E为钢管的杨氏模量，一般碳钢管取值2.07 GPa；D为钢管的名义外径；SMYS为钢管的最小屈服强度；η为安装期弯曲应力许用系数，经验值为0.1，需要结合管道在位受力确定。

当管道位于海床上时，需要考虑铺设张力的影响，摩擦力应足以克服两端铺管残余张力，以免管道失稳力平衡方程为：

2Tbottom=μlat·Wsub·2·R,

因此考虑铺设张力的最小弯曲半径：

以上考虑铺设张力的最小弯曲半径实际应考虑一定的安全余量。

2 三维数字化海床技术

对于深水海域的海底管道，由于其长度都较长，涉及的地质数据也较多，与单一平台或小区域建筑有较明显的区别，这样就需要大量的地理信息作为支撑。地理信息往往来源于调查数据，调查数据根据不同的调查方式，调查数据格式不一样，而设计方得到原始调查数据后，需要进行相应的评估和后处理工作，工作包括识别原始数据格式，处理原始数据等工作。目前对于数据处理已完成数字化，基本均可通过计算机完成，由于其出色的工作性能，对数据处理能力强大，因此省去大量人手处理的工作，同时对后续数据格式也可形成标准化。通过一系列工作后，形成三维数字化海床，供后续海管路由设计使用。

国外在海底管道设计和施工方面起步较早，在运营和维护等方面也积累了大量经验。就路由设计方面而言，目前已经较为完善和成熟，在完成了许多海底管道项目(如挪威西海岸的ORMEN LANG气田等)的同时，也取得了大量技术成果。在设计手段方面，一种是以Fledermaus和Abaqus等成熟的通用软件为工具，开展相关设计工作；另一种则是以新开发的专业软件为工具，开展路由设计工作，如Simla和Pipelay on-Board等。目前国外海管专业设计公司(如JP Kenny,Technip，Worley等)均已掌握基于复杂海床下三维可视化路由设计技术及相配套的软件。

目前我国海管设计和施工的总体水平与国际先进水平相比还有较大差距。一方面是由于起步较晚，另一方面也与海上油气田大多集中在渤海等浅海和靠近大陆的海域有关。这些海域的共同特点是，水深浅，海床较为平坦，地质较为简单，同时风、浪和流等海况条件较好。这种状况导致了国内海洋工程缺乏在大水深、复杂地形、多变地质条件和恶劣海况条件下路由设计经验，也缺少相关技术积累。

如前所述，对于深水复杂地形的海管路由设计技术需要依靠三维数字化海床技术的实现，而三维数字化海床主要依赖于先进的可视化软件，一般的工程地形处理软件有Fledermaus, Global Mapper, Ocean Data View等。海底管道较常用的为Fledermaus, 其提供了先进的数据处理技术并通过计算机实现可视化，可根据路由调查方提供的水深数据还原海床的三维模型，并进行相应的数据处理，其中Fledermaus主程序有着较强的直观表达能力，可能通过观察管道在海床路由上的情况进行路由规划及选择(见图1)；而Routerplanner模块可实现管道路由的规划及路由数据处理功能。

图1 Fledermaus软件应用界面Fig.1 Fledermaus Software′s GUI

3 海管路由设计流程

设计流程图如图2所示。

图2 海管路由设计流程Fig.2 Subsea pipeline route design flow chart

4 算 例

4.1 项目介绍

本文选取的南海某项目位于南中国海，水深为200～350 m，其中工程设施包括：中心处理平台、油田内部水下生产系统、从水下生产系统到CEP的海底管道(6″和10″)及相关的控制脐带缆系统等。

该项目的总体布置如图3所示。本文重点介绍位于2个海管终端间的6″海底管道。

图3 水下生产系统总体布置图Fig.3 Project subsea production system general layout

6″海底管道的数据如表1所示。

表1 项目信息

4.2 海管平面路由初选阶段

根据路由调查方提供的该段路由水深图及物探图如图4所示，确定管道的平面初选路由及坐标。

图4 海底管道水深示意图Fig.4 Subsea pipeline water depth schematic diagram

4.3 三维数字化海床建模

在处理三维数字化海床的过程中，由于原始数据由专业调查公司完成，其使用的软件，调查的数据均会大大超越一般设计用户处理的能力，往往会出现提供的原始数据文件数据量过大，已超过后期设计用户的软件处理能力。本项目路由调查方提供的路由数据文件较大，数据文件大小为1.6 G，对计算机及软件处理合成能力要求非常高。虽然有专业处理软件Fledermaus，但如要使用该软件一次生成海床，往往无法成功，这并不是计算机内存问题，而是软件的问题。为此，通过如下的三维数字化海床建模方法，可以解决这一问题：

1)熟悉原始海床数据文件的格式，本项目数据文件格式如下：

263430.00 2208902.00 -353.00

263431.00 2208902.00 -353.01

263432.00 2208902.00 -353.03

263433.00 2208902.00 -353.04

……；

2)使用软件生成海床时生成SCALAR的SD文件，即标量文件，并不直接生成三维海床，而是生成一个平面，但每个点带水深数据，这样将大大降低SD文件的大小；

3)通过软件中的提取面域(Extract area from surface…)功能，把该标量文件提取出相关的路由区域，同样生成标量的SD文件；

4)通过模块DMAGIC导入该SD文件，并对该文件使用输出面域(Extract suface…)功能，重新生成定义面域的海床数据文件；

通过以上处理后的新定义面域文件较小，满足软件处理的功能，即可生成三维海床，且过程直观，本项目的三维数字化海床建立如图5所示。

图5 海底管道三维海床Fig.5 Subsea pipeline 3D seabed

再把海管初选路由的数据导入，生成海管的三维海床路由示意图(见图6)，通过该示意图，直观地发现在KP5.343处经历一个高坡，可以通过调整路由以避开高坡。

图6 海底管道局部路由调整示意图Fig.6 Subsea pipeline local route adjustment schematic diagram

最后，通过软件导出后再通过模块Routerpla-nner可导出2次海管路由水深数据(按指定的间距导出)。

图7 海底管道设计路由水深图Fig.7 Subsea pipeline route water depth diagram

通过比较可知，微调后的水深较优，可以直接用于后续应力和悬跨分析Sageprofile2D软件中。

4.4 海管在位结构分析结果

1)最小弯曲半径确定

根据以上确定最小弯曲半径的原理，得出：

考虑2倍的安全系数，最终确定的最小弯曲半径为2 500m。

2)海床不平整度分析

根据前述导入的海床数据，管道位于海床上的其他荷载包括介质温度、内压和外压、铺设剩余张力、波浪影响、海流影响等。

通过使用Sageprofile软件，模拟管道位于海床的受力状态及悬跨状态， 其中安装工况结果如图8和图9所示。

图8 海底管道悬跨长度结果(安装工况)Fig.8 Subsea pipeline span result (installation condition)

图9 海底管道应力结果(安装工况)Fig.9 Subsea pipeline stress result(installation condition)

通过以上结果可看出，安装期各个区域的详细悬跨长度。比对许用悬跨长度的结果，可直观地得到所需要处理的悬跨数量，根据此结果进行相应的悬跨处理方案编制；安装期管道应力最大值为320MPa,小于许用应力324MPa，满足要求。同时还需要校核其他工况(如水压工况和运行工况)的受力状态。

5 结 语

通过以上基于三维海床的海底路由设计技术探讨，可得出以下结论：

1)对于南海远离海岸线的海床，目前了解到其存在地形条件复杂的特点，设计阶段对管道路由应重视；

2)本文提出的路由设计技术流程可作为后续路由设计技术的参考；

3)三维可视化软件可实现大型数据文件的后处理功能，同时可作为后续悬跨和受力软件输出必要的数据，大大提高效率；

4)本文算例提供的6”海底管道通过路由设计技术有效地规划路由、避开已存在障碍、提出管道沿路由的悬跨情况及受力情况；

5)对于复杂地形条件的项目可使用三维可视化软件作为辅助，从而提高设计效率和精度，更直观地完成海床三维的建模工作；

6)管道铺设后应尽快获取管道铺设的路由数据，使用三维可视化软件，通过已铺设管道路由数据重新复核管道位于海床上的悬跨情况和受力状态，以校核是否满足设计规范的要求。

我国南海在远离岸线的海域，海床存在不同于浅水项目的地质条件，对于该特殊地质条件对海底管道路由的影响还有待更深入的研究，要在今后的海底管道路由设计中给予重点考虑，并且需要加强这种海床的资料收集和前期分析；加强三维数字化海床技术和复杂海床条件下海底管道路由设计技术分析的开发，为海底管道设计和管道完整性提供更完备的基础。

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Subsea pipeline route design technology based on 3D digital seabed

FENG Xian-hong1,JI Lei1,LI Xiu-feng1,LIU Shu-yan1

(China Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China)

There is much difference on seabed profile between that of shallow water and deep water when the deep water gas/oil field project is developing, especially for the project far away from the coastline of South China Sea. At that case the seabed condition along pipeline includes uneven seabed and complex geotechnical, so this will bring the big challenge to subsea pipeline design and installation. After discussing of subsea pipeline route design technology based on 3D digital seabed,this paper present a flow chart of subsea pipeline route design. Finally a sample based on the design flow chart and 3D seabed software Fledermaus and stress analysis software Sageprofile is presented to show how to complete the pipeline route design.The subsea pipeline route design method of this paper based on complex seabed and variable seabed condition is a good reference and gives a stronger technological foundation for developing more projects of South China Sea in further.

subsea pipeline；route design；3D seabed；Sageprofile

2013-12-26；

2014-02-17

国家科技重大专项“深水铺管起重船及配套工程技术(十二五)”资助项目(2011ZX05027-002)

冯现洪(1979-)，男，工程师，主要从事海底管道设计工作。

U674.38+1

A

1672-7649(2014)03-0116-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.03.024