探讨海底管道防护技术及安全措施

高 雷（山东胜利建设监理股份有限公司， 山东 东营 257000）

0 引 言

作为最安全、经济、便捷的油气水输送方式，海底管道在海上石油开发运输中占有重要的地位。以位于渤海南部极浅海水域的埕岛油田为例，据有关资料显示，截至2013 年底，整个埕岛海域海底管道 150 条（包括：输油管道 94 条 207.11 km，输气管道 1 条 11.6 km，注水管道 55条 87.86 km），总长 306.57 km。这些复杂的海底管网肩负着埕岛油田原油外输及油田注水的重要使命。虽然在海底管道铺设施工中对其进行了挖沟埋设的处理，但由于海底地形复杂、洋流运动等因素的存在，造成了海底管道平管段及立管段大面积的裸露及悬空，并且海底洋流的持续运动造成了该悬空现象的持续加剧，由此对埕岛油田的生产安全带来了较大的隐患。

1 海底管道悬空的原因及危害

1.1 海底管道形成裸露、悬空的主要成因

据研究表明，海底海洋结构造成海底冲刷的原因有两点：一是海洋构筑物的存在打破了原有水下流场的平衡，形成局部流速梯度集中区，并构成对海底的强剪切作用；二是海洋构筑物的存在改变了水流的运动方向，使之产生绕流和局部漩涡，加速了海底的冲刷作用[1]。冲刷机理如图1 所示。

图 1 海底管道冲刷悬空机理示意图

当海底管道裸露于海床上时，在海底洋流的作用下，管线与海床接触的两侧会因压力差导致管道的下方海床产生渗流，最终管道底部被掏空，造成管道的悬空。

1.2 海底管道悬空后的主要危害

海底管道悬空后，其悬空部分的应力分布发生变化。这种悬空给海底管道带来的强度及疲劳等是非常危险的。特别是对于压力管道来讲，在内部的温度和压力作用下，再加上外界海水的压力和悬空部分管道部分自重带来的应力，当悬空段的长度较短时，水流横向流过管道不会造成显著的震动，但管道底部的悬空段会随着水流的持续冲刷而不断增长；当悬空段的长度达到一定长度后，水流的冲刷会造成管道的震动。当震动频率与管道的震动频率接近时，其形成的共振极易造成海底管道疲劳断裂的破坏[2]。

管道破坏造成的后果是非常大的。首先是经济上的损失，海底管道修补的投资费用巨大，同时修补期间的生产将会受到影响。另外，输油管道的破坏产生的原油泄漏将会对周围的环境产生严重的影响，在如今国家对环境保护要求越来越严格的形势下，其造成的社会影响也是巨大的。

2 常用的海底管道防护措施

海底管道防护是伴随着海底管道的新建就开始产生的。在海底管道的铺设过程中，要对其进行挖沟埋设，使其埋于海床底 1.5 m～2 m，但由于海底地质条件及洋流等多种因素的影响，埋于海床下的管道会部分裸露直至悬空。针对不同的海底管道的隐患形式，海底管道防护的措施主要有挖沟埋设、抛填沙袋、水下支撑桩、铺设海底仿生水草和铺设混凝土连锁排等。

2.1 挖沟埋设

海底管道挖沟的目的是在管道底部形成沟或坑，使海底管道在自身重力的作用下沉到沟底[3]，并在海底水流的作用下形成沟的自然回填，从而达到海底管道防护的目的。但是，由于海底地质条件的复杂性，土层的软硬程度不一，给挖沟的具体操作带来了困难，这就要求挖沟机对软、硬土层有比较大的适应范围。目前海底管道挖沟的主要方式是铰吸式和射水式，其中射水式适合海底管道周围情况复杂的施工环境[4]。

海底管道挖沟防护的另外一个难点是巡管，即找到海底管道的位置，并将挖沟机准确地骑到海底管道上。不同于陆上管道可以根据标记清楚地知道管道的位置，海底管道由于受到环境的影响，无法直观地看到管道的位置，只能通过海底管道铺设时做的位置标记来进行寻找。受定位系统的范围准确度的影响，海底管道位置的寻找有一定的难度，同时随着服役时间的增长，海底管道非常可能受海底洋流等因素的影响而发生了位移。这更给海底管道的寻找工作增加了难度。

2.2 抛填沙袋

沙袋填充的防护机理是用大沙袋将海底管道悬空的部位填满，对海底管道起到支撑的作用，用小沙袋将大沙袋无法埋进的间隙进行填充，最后在海底管道的上方覆盖沙袋，防止海底管道裸露[5]（如图 2 所示）。上层的沙袋应尽量与海床保持在一个平面上，避免海水对其的二次冲刷，减少其防护的寿命。

图 2 海底管道抛填沙袋示意图

2.3 水下支撑桩

水下支撑桩对海底管道的防护作用与抛填大沙袋相似，主要目的是对悬空的海底管道起到一个支撑的作用，防止其因自身重力原因造成疲劳断裂，同时减少管线因水流冲刷产生的震动（如图 3 所示）。该应用方法在国内海底管线隐患治理的应用中并不少见[6]。

图 3 水下支撑桩示意图

2.4 铺设海底仿生水草

铺设海底仿生水草是利用仿生学原理，在海底管线的周围通过仿生水草的铺设，利用水草的作用防止冲刷，减缓海底管道周围水流的流速，促进海床泥沙在此淤积，从而达成管线防护的目的（如图 4 所示）。仿生水草可单独使用，也可与支撑桩和抛填沙袋配合使用。

图 4 仿生水草原理图

2.5 铺设混凝土连锁排

混凝土连锁排是将混凝土预制块通过串联而成的网状结构。在海底管道隐患治理的过程中，混凝土连锁排往往与土工布一起配合使用。土工布覆盖于海床上能够有效减少海底泥沙的流失，而在土工布上方铺设连锁排能对土工布起到固定作用，增加土工布的使用寿命，对海底管道起到保护作用。该种海底管道防护方法工艺比较简单，能够在一定程度上保护海底管道免受抛锚和落物等意外载荷的冲击[7]（如图 5 和图 6 所示）。

图 5 土工布连锁排防护断面图（管道悬空）

图 6 土工布连锁排防护断面图（管道未悬空）

海底管道悬空的情况各不相同，因此在选择治理的方法时，应综合考虑海底环境、管线深度、管线悬空高度及裸露的长度等，选择合适的方法进行处理。

3 海底管道防护的安全管理措施

与陆地项目不同，海洋工程受海上环境的影响，危险因素多、风险较高。特别是海底管道防护的施工过程需要水下作业，这就对该作业过程的安全提出了更高的要求。通过对海底管道防护施工中可能发生的安全事故原因进行分析，主要为：人的不安全行为，如潜水员入水前身体状况不佳、责任心不强、未按照操作规程进行水下作业等；物的不安全状态，如潜水服破损、机具损坏等；管理缺陷，如安全管理制度不落实、应急管理制度不到位等。根据安全第一、预防为主、防治结合的方针，必须从事前、事中和事后三方面分别采取相应的安全管理措施。

3.1 安全事前控制

（1）在工程开工前，应编制施工组织设计并履行相关的报审程序。其中，在编制施工组织设计的过程中，对海底管线防护过程中的危险源和危险因素进行充分辨识，并制定相应的应急预案，落实各级管理人员的安全责任。常见的水下作业事故有溺水、砸伤、潜水病、窒息伤亡等。作业前对作业内容进行 JSA 分析并对作业人员进行交底，是必要的步骤。

（2）加强教育培训工作，提高作业人员的安全素质和技能水平。特别是水下作业人员，应具备相应的水下作业资质。因海底环境能见度低、作业人员行动不便，事故发生后反应相对较慢，因此就要求作业人员水下操作熟练，一旦事故发生时能够冷静对待，避免因着急心慌造成不必要的伤亡。水下作业前应当认真调查作业区域的环境，作业人员应熟悉海底的状况和有关的安全操作规程。

（3）作业前仔细检查，保证设备的完好。潜水设备是潜水员能够正常进行水下作业的基础，同时也是易发生事故的危险点，需要引起高度的重视。

3.2 安全事中控制

（1）由于海上作业受气象及海况的影响较大，出海作业前应提前了解施工过程中的天气情况，综合考虑风力、涌浪等因素，风力小于 6 级，水流流速小于 0.1 m/s～0.3 m/s 时方可进行水下作业。根据海洋潮汐规律，每天大约有两个平流期。这个时间段的海水流速接近于 0，海底能见度相对较高，作业时的安全系数较高，是最适合水下作业的时间段。

（2）作业期间船上指挥人员与水下作业人员的通讯应保持畅通，规定统一的联络联络及应急用语和信号。除随时指导水下作业外，发生紧急情况时，能够迅速做出反应，对水下作业人员进行救援。

（3）尽量避免交叉作业。如在水下作业人员进行探摸或沙袋整平时，应禁止水上作业人员进行抛砂作业，避免沙袋落下砸伤水下作业人员。

3.3 事后应急管理

发生事故后的应急救援是我们最不希望用到的，同时又是必不可少的。一旦发生水下作业人员窒息、溺水等安全事故，应迅速启动应急预案，按照应急预案的程序实施救援。

4 结 语

海底管道在服役过程中受海底洋流及构筑物等的影响，易发生裸露、悬空等隐患，且随着时间的延长，该隐患的严重程度会持续增加。除上文介绍的挖沟埋设、抛砂防护、水下支撑桩等海底管道防护措施外，目前常见的防护措施还有刚性阻流板和柔性导流板防护、挠性软管跨接等。根据事前控制的原则，在新建的海底管道铺设完成后即对其通过挖沟埋设或铺设连锁排的方式，减少其裸露的机会。同时，在海底管道服役过程中，定期对其进行安全评估，及时掌握海底管道的运行状态，也是减少隐患的重要手段。