荔湾3-1外输海底管道中落管抛石技术

王 猛，孙国民

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

抛石作为一种管道保护措施，在海底管道工程中有广泛应用，如近岸段登陆管道保护等。浅水抛石常采用直接倾倒的方法。由于水深浅，倾倒石料时产生的损耗尚可接受，抛石效果也能满足工程要求。但随着水深的增加，直接倾倒的损耗不可接受，抛石下落过程受波流影响，产生大范围扩散，抛石效果也不能满足管道保护的要求。深水抛石需将石料精确地放置在指定位置，对管道形成有效保护。因此，需要使用专用功能的抛石船来完成施工作业。

落管抛石船(如图1 所示)是进行深水抛石作业的施工船舶。通过在船中或船侧连接一定长度的导管，形成落石通道至海底管道上方，并由水下ROV 协助定位，将船上储存的石块，通过导管放置到海管上方。

经过国外学者和工程公司对落管抛石技术的研究，深水抛石技术已在国外管道工程中有广泛应用。在Deep Panuke［1］、Ormen Lange 项目中，通过深水抛石保证管道的稳定性、处理悬跨和抑制隆起屈曲。除梁富浩［2］等对该技术发展现状及其在我国油气田的应用前景进行综述外，国内尚无人系统研究深水落管抛石的设计理论和施工技术。

文中研究了抛石在波流作用下的稳定性，落石对管道冲击的影响以及施工技术。针对南海环境条件下的抛石稳定理论进行了修正;分析了三层聚丙烯涂层管道在落石冲击下的可接受抛石粒径;提出同时结合石块稳定性和管道抗冲击性能要求下的石料分级方法;最后，对该技术在荔湾3-1 外输海底管道的工程应用进行详细阐述。

图1 深水抛石船和水下ROVFig.1 Fall-pipe rock dumping vessel and ROV

1 抛石稳定性

1.1 Shields 准则

深水抛石的结构形式属于近海床结构，抛石高度与水深相比尺度很小。为保证堆石结构有效保护管道，石块受到海水水动力的作用，应保持稳定。从实际分析波浪和海流对堆石的水动力是同时作用的，但现有的理论和实验通常将问题简化考虑为波或流单独作用。对于波和流联合作用的情况目前的研究成果尚不完善。

石块稳定性可通过临界剪切应力τcr和临界流场速度Ucr两个关键参数来确定。Shields［3］将剪切应力与石块单位面积重的比值定义为稳性系数ψ，当ψ 大于临界值ψcr，石块会产生移动。

式中:ψ 为稳性系数，ψcr为临界稳性系数，τ 为剪切应力，ρr为石块表观密度，ρw为海水密度，g 为重力加速度，D 为石块粒径。根据实验结果(Breusers and Schukking，1971)，当在0.03 ＜ψcr＜0.07 时，部分石块出现移动的现象。Paintal［4］的实验结果显示0.02 ＜ψcr＜0.04 时，石块会发生移动(如图2 所示)。实验结果的差别主要是由于剪切应力的不确定性导致了临界稳定系数的不确定性。如果在设计中考虑允许堆石受到某种程度的石料损失，应根据可接受的损伤程度，确定临界稳性系数，这种方法称临界冲刷法［5］。

图2 稳性系数曲线Fig.2 Shield parameter curve

1.1.1 稳态流作用下的稳定性

稳态单向流作用下，剪切应力可由Chézy 经验公式确定:

式中:τc为流引起的剪切应力;C 为Chézy 系数，单位m1/2/s;uc为稳态流速。根据Hoffmans and Akkerman［6］的研究，石块粒径可根据下式确定:

式中:D 为石块粒径;r0为流场的扰动密度，Δ 为相对密度，结构系数cs为扰流系数ck、抛石高度d、水深h 的函数关系，对于理想的稳态均匀流1.45g/C2≈0.01，则可得ψcr=0.07uc2/(ΔgD)，与式(1)和式(2)联合可确定临界稳性系数ψcr=0.035;对于非均匀流，由于流的扰动项cs的存在，r0将增大，则可预知临界稳性系数ψcr将增大。当水深较深时，d/h 为小量，根据Hoffmans［6］实验结果cs=0.025，可得ψcr=0.05。该结果仍在Breusers 和Schukking［7］的实验结果范围内。

1.1.2 波作用下的稳定性

Shields 准则是基于单向稳态流的试验观察得到的。对于潮位变化引起的波，由于其流场变化速度较慢，可考虑为准稳态流，仍可采用Shields 准则。但对于短周期的风、浪涌波等，该准则不完全适用。Madsen等［8］的研究结果表明，在非稳态流条件下，如果在剪切应力中引入摩擦系数fw，计算结果与实验结果吻合的较好。

1.1.3 波流联合作用的稳定性

波和流是同时存在的，单一考虑波或流来分析石块稳定性会导致计算结果不准确。剪切应力考虑为波和流共同作用时的剪切应力。将Shield 准则中的稳态流产生的剪切应力和波产生的平均剪切应力进行向量叠加，得到波流联合作用下的剪切力。

当

考虑波流联合作用时的剪切应力，当波速相对于流速较大时，波致剪切应力也较大，当τw＞2.5τc时，扩大系数kw与实际情况差距很大，因此该公式不适用于强波的情况。此时，可根据Soulsby［9］提出的理论进行设计。但对于深水区域，波的作用通常较小。

1.1.4 抛石坡度

抛石横截面通常近似为梯形。两侧斜坡与海床的角度是影响抛石整体稳定性的一个因素。由于斜坡的存在，流场经过堆石时被加强，所以应引入折减系数ksl对稳性系数ψcr进行修正。折减系数ksl按下式计算:

式中:ks为海床粗糙度，ksl为坡度折减系数，α 为流场与抛石斜坡夹角，φ 为堆石内部摩擦角，β 为抛石斜坡角。抛石坡度范围一般为1∶ 1.5 ～1∶ 3。考虑石块内部摩擦角为40°，ksl=0.171 ～0.572。

1.2 冲击能量

大量的石块在导管中下落，会对海底管道产生冲击。冲击程度取决于石块质量和速度。抛石过程中，落管底部是半闭合状态，管道中充满水，大量的石块和海水混合下落，达到最大平衡速度。最终的速度应考虑为石块平衡速度和水石混合物的流体速度。由于海水的阻力，最终速度进一步降低。石块掉落速度可根据下式确定:

式中:vt为石块掉落最终速度，V 为石块体积，A 为落石的投影面积，CD为拖曳力系数。

管道受到的冲击能量按下式确定:

式中:E 为落石动能，m 为石块质量，ma为石块附加质量。对于涂敷混凝土层的管道，落石对管道冲击小于混凝土的抗冲击强度。对于仅有防腐涂层的管道，应根据可接收冲击能确定最大石块粒径。

1.3 石料分级

石料生产无法制造完全等同粒径的石块，且不同的粒径能使石块间的内摩擦角增大，并保证一定程度的透水性，更有利于堆石整体稳定性。为方便计算质量，规定石块的两种直径:筛网直径D 和相当立方直径Dn。Laan［10］试验推荐的保守关系式为Dn=0.84 D。

对于一特定的采石场，其自然地理条件决定了石料的属性。人工采石粒径的分布可通过质量累计进行分类。根据CIRIA C683［11］，石料分布如表1 所示，分为三类:Narrow gradation，Wide gradation 和Very wide gradation。

表1 石料分级-CIRIA C683Tab.1 Rock-grading-CIRIA C683

EN 13383［12］将石料分布规定为三类:Heavy gradings，Light gradings 和Coarse gradings。并规定四个质量界限:ELL (最大下限)，低于该界限的石块质量不大于5%;NLL (名义下限)，低于该界限的石块质量不大于10%;NUL (名义上限)，低于该界限的石块质量不小于70%;EUL (最大上限)，低于该界限的石块质量不小于97%。采用Rosin-Rammler 分布曲线对石块粒径进行分析，则分布函数:

式中:y 为石块质量为My的分布值，n 为分级曲线的指数。要确定曲线指数n，需要两组质量值M 或石块粒径D。结合EN 13383 的定义，n 可以确定为

对式(11)进行变换，可以得到y 分布质量My与50%分布质量M50(或Dy与D50)的关系。

Allsop［13］对斜坡为1∶ 2 的可渗透堆石模型进行了实验。实验结果表明，当D85/D15＞2.25 时，堆石的稳定性会变得更差;当D85/D15＞4.0 时，堆石被波流冲刷的程度增大。因此，当D85/D15＜2.25，较窄的石块分级更容易保证堆石的稳定性，从施工量和经济性考虑，可考虑按此要求进行石料分级。

2 应用实例

荔湾3-1 外输海管外径762 mm，采用落管抛石对约27 km 管道抛石保护。其中10 km 涂敷3.2 mm 三层聚丙烯(3LPP)，其余管道外层还涂敷混凝土层，无混凝土配重层的管道考虑抛两层石。作业水深范围88 m 至190 m。在该项目中，国内首次自主完成深水抛石设计，国外抛石船完成施工工作。

2.1 粒径选择

百年一遇环境条件:有义波高13.8 m，谱峰周期15.9 s;最大波速0.45 m/s，内波流速0.78 m/s。按D85/D15=2.25 进行设计，计算得到曲线指数n=1.01;外层石块粒径D50min=125 mm;3LPP 可接受冲击能量值为19 J。从表2 计算的冲击能量可以确定，内层石的最大直径为117 mm。即D100max=117 mm。按D85/D15=2.25，内层石粒径D50min=55 mm。该尺寸仅为外层石块的40%。

表2 冲击能量Tab.2 Impact energy

根据内外层石块粒径计算结果，外层石料分级如表3、图3 所示;内层石料分级如表4 和图4 所示。

表3 外层石粒径分级Tab.3 Armour stone grading

表4 内层石粒径分级Tab.4 Interior stone grading

图3 荔湾3-1 外层石料分级曲线Fig.3 Armour stone grading curve

图4 荔湾3-1 内层石料分级曲线Fig.4 Interior stone grading curve

2.2 石料生产

石料在采石场进行初采，再根据设计要求，通过筛网筛选达到石料分级的要求。石料生产后，需要采用汽车陆运至码头，在码头堆场堆放，等待装船。抛石船靠港后，通过传送带将石料连续运输至抛石船的储石舱。荔湾3-1 项目中，石料在华瀛石场生产，石料密度内层石料生产了38 766.34 m3，约60 088 t;外层石料生产57 708.99 m3，约84 255 t。合计生产石料96 475 m3，约144 343 t。

2.3 施工设备

2.3.1 抛石船

落管抛石船(如图5 所示)为动力定位(DP)船，通过船舶动力定位和水下ROV 配合，实现精确定位抛石。国内尚无此类施工船舶。荷兰Van Oord，Tideway，Boskalis 以及比利时的Jan De Nul 四家公司拥有国外主要的落管抛石船(如表5 所示)。抛石船具有以下特点:1)通常具备2 个以上石料装载舱、减少往返运输石料的时间;2)航速快;3)配备先进的DP2 系统;4)装石和抛石都采用传送带连续输送石料，抛石速度每小时能达到1 000 ～2 000 t/h;5)许用作业浪高可达到3.5 ～4.5 m，减少不良海况导致的待机时间。

表5 各抛石船主要参数Tab.5 Main parameters of various vessels

图5 抛石船Fig.5 Rock dumping vessel-flintstone

2.3.2 落管系统

落管是从船至海床之间的石料传送通道，采用模块化设计、在船上组装。落管系统包括管道存储、吊装、落管接长、卸载等部分。落管可布置在船舷或月池内。荔湾3-1 项目使用的FLINSTONE 船，其落管材质为高等级铝制管，单根长12 m，外径1 050 mm，由自动化的连接方式通过月池连接下水和回收。落管长度根据水深确定，由于船舶升沉运动，底部的ROV 应位于管道上方4 ～8 m 位置。

2.3.3 水下ROV

水下ROV 配置在落管底部。ROV 上配备有推进器，可以克服水流阻力，引导石料按设定路由精确放置。电力供应系统与ROV 集成安装，通过脐带缆在船上进行驱动。荔湾项目中使用的水下ROV 推进器功率为2 ×120 kW，配备了3 个120 kW 的电力供应系统和3 根脐带缆，脐带缆最大长度可达2 000 m。此外，ROV 上还配备多波束探测器、摄像头等测量和成像系统，将施工结果形成可视化的数据，便于施工人员判断抛石是否达到设计要求。

2.4 实施效果

抛石于2014年6月完成。抛石后调查结果典型断面如图6 所示。该图为管道路由KP0.555(水深约187.5 m)处的抛石截面。图中可以看出该海底管道被两层抛石全部覆盖，起到保护管道的作用。

图6 抛石效果调查(KP0.555 处)Fig.6 Survey results after rock dumping (KP0.555 location)

3 结 语

以荔湾3-1 海底管道抛石设计和施工的成功实施为例，采用Shields 准则进行抛石粒径设计是可行的。应同时考虑波单独作用、流单独作用和波流同时作用的设计工况。当剪切应力满足τw＞2.5τc时，应进行实验，对式(5)进行修正;或根据CIRIA C683 第5.2.1.9 节的方法进行设计。

对于无混凝土层的管道，应考虑为抛两层石料的方案。内层石粒径按涂层的抗冲击性能确定;外层石粒径按稳定性原则确定。

石料尺寸分级的宽窄程度影响抛石稳定性。实验表明，当D85/D15＞2.25 时，抛石稳定性会变得更差;当D85/D15＞4.0 时，石块被波流冲刷的程度增大。因此，如果窄分级无法保证时，应适当增大抛石量，作为破损的裕量。

为降低冲刷的可能性，应尽量选择较低的抛石高度、较缓的坡度。石块粒径应保证一定的透水性，降低流场对堆石结构的作用力。如果堆石处于冲刷流场条件下，所有的措施只能降低冲刷对堆石的破坏程度，但无法完全避免。需考虑一定的破损裕量，并在后期进行监测，如有破损应进行修补。

落管抛石作为深水管道保护的解决方案，还可应用于海床平整、挖沟人工回填、悬跨处理、跨越支撑等海底施工。目前，我国还没有落管抛石船，对配套设备和相关技术的研究也处于空白阶段。如要打破国外在该技术的垄断，需要开展更多的研究工作。

［1］EnCana corporation deep panuke offshore gas development project summary［R］.2006.

［2］梁富浩，张印桐，刘春厚，等.落石管抛石技术的发展及我国深水油气田开发中的应用前景［J］.中国海上油气，2011，23(2):135-139.(LIANG Fuhao，ZHANG Yintong，LIU Chunhou，et al.Development of fall pipe rock dumping technology and its application prospect in the deepwater oil ＆ gas field development in our country［J］.China Offshore Oil and Gas，2011，23(2):135-139.(in Chinese))

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