地质沉降区域海底管道修复方案设计与分析

2018-04-26于银海崔占明夏长彬

石油工程建设 2018年2期

于银海，张捷，刘朋，崔占明，夏长彬，杨泳

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

海底管道是海上油气田开发和建设的重要组成部分，它是油气集输和外输最主要的方式[1]。海底管道损伤后，针对不同的损伤形式、管道结构和所处海域位置，所采取的管道抢修方案也各不相同[2]。海底输送油气管道断裂损伤后，通常采用更换管段的方式修复，修复后的管道一般能够达到与原管道同样的运营寿命。但位于复杂海况和特殊地质条件下的海底管道，损伤后如单纯地更换一段与原管道相同的管段，可能达不到永久修复的目的，在管道后期运营过程中存在着再次损伤的风险。为了确保修复后的管道运营安全，除对管道修复位置的海床做特殊处理外，改变原管道路由，避开海床地质条件差的区域，往往是一个更好的选择。但如此一来，除了需要向海事部门重新申请海底管道路由海域使用权，还要进行路由选择设计、管道铺设挖沟等，很大程度上会增加管道修复成本并延长整个修复周期，在国际油价低迷的情况下，多数管道业主会寻求更好的解决方案。本文以东海某油气田直径10 in（1 in=25.4 mm）登陆输油管道修复为例，介绍位于地质沉陷区域的海底管道断裂后的永久修复。

1 工程概述

2012年8月，在台风“海葵”影响下，东海某油气田D 10 in输油登陆管道在舟山群岛附近的一处管段发生断裂，管道断裂位置距平台位置约250 km，水深约25.5 m。通过在水下安装三节与原管道壁厚、材质、强度等级相同的管段并以法兰连接的方式完成了损坏管道的修复，更换管道总长101 m。2014年10月台风经过舟山海域时，该管道在相同位置再次发生断裂，其断裂位置示意见图1。以上两次管道断裂时，断裂管道所处区域海床均发生了沉陷，管道从埋深1.5 m 下沉到埋深约3.5 m。

原损伤管道为单层配重管，其基本参数见表1。由于原管道壁厚较薄，强度等级较低，如继续使用与原海底管道相同的管道在原路由替换损坏管段，在后续管道运营中仍存在再次损伤的风险。

图1 管道再次断裂位置示意

表1 原管道基本参数

2 方案设计

根据断裂管道属性和所在海域水深及管道埋深等情况，通常采取将损坏管道起吊出水面，在管端焊接法兰或在损坏管道两侧管端水下安装机械连接器法兰，然后制作两端带法兰的直管道短节，与两侧损坏管道连接的修复方法[3]。正常情况下，采用以上方法修复后的管道寿命能够满足运营周期的要求，但位于特殊地质区域的断裂管道采用此种修复方式，在后期运营过程中往往会出现再次损伤，正如本文所描述的D 10 in输油管道，在首次完成修复后不久又出现了再次损伤。海底管道修复施工相比陆地管道难度大、成本高，因此在修复方案设计阶段，应充分考虑各种因素的影响，并进行必要的分析，以实现管道的永久修复[4]。

管道修复方案如图2所示。针对损伤管道所处的特殊地质环境，以图1中法兰1处作为新更换管道的一个端点，在法兰4向近岸端方向约15 m处选择新的管道切割点，安装机械连接器作为新更换管道的另一端点（法兰5），中间更换管道采用立体膨胀弯的形式，略偏离原管道路由一定的距离，利用管道的伸缩膨胀消除地质沉降对管道安全的影响；同时提高更换膨胀弯管道壁厚和强度等级，最大程度地提高管道承受应力的能力，进行管道的永久修复。

新更换膨胀弯管道基本参数见表2。

3 沉降分析

3.1 计算基础

3.1.1 海水温度

施工区域海水最高温度为30.8℃，最低温度为 3.5℃。

图2 管道修复方案/m

表2 膨胀弯管道基本参数

3.1.2 地震设计参数

最大水平地震加速度见表3，最终采用了200年一遇的地震加速度作为设计参数。

表3 水平地震加速度

3.1.3 土壤数据（见表4）

表4 土壤数据

3.2 分析模型

利用AUTOPIPE有限元分析软件，建立整个膨胀弯及延伸段海底管道模型。分析膨胀弯各点应力，校核膨胀弯是否满足设计规范要求。根据膨胀弯几何形状，从两端部法兰向外延伸各50 m模拟老海底管道。

管土相互作用模拟[5]：由土壤的弹塑性模型进行模拟，图3为土壤约束力与土壤位移间的关系。管土约束弹簧的模拟内置于AUTOPIPE软件中，其依据原理为 ASCE 2001，Guideline for the design of buried steelpipe。

图3 土壤约束力与土壤位移间的关系

按保守考虑，在该模型两侧加上海底管道膨胀位移；考虑到该段膨胀弯距离平台约250 km，管内介质到达修复点后的温度等同于环境温度，管材工作温差按极端环境温差考虑。

3.3 设计工况组合

作用于修复段管道的荷载可以分为以下几类：

（1）功能荷载：管道自重、压力和温度，上覆土压力。

（2）环境荷载：波浪和流。由于原海底管道在泥面以下，修复段安装时采用挖沟保护，所以不考虑波流荷载。

（3）偶然荷载：地震荷载。

修复段的结构完整性通过一系列关键的荷载工况组合来验证。本次不同工况组合的强度分析见表5。

表5 不同工况组合的强度分析

3.4 结果分析

沉陷区为不均匀沉陷，中心附近最大沉陷为2 m，两侧逐渐减少，沉陷形状如图4所示。计算分析时在膨胀弯两端加上膨胀位移，并考虑膨胀弯在运营时压力及温度，按照设计工况分析计算模型，根据计算结果校核膨胀弯应力。

图4 沉陷区不均匀沉降

原海底管道的设计采用DNV 1981规范[6]，本次膨胀弯的校核仍遵循原设计规范。膨胀弯应力校核结果如表6所示。

表6 膨胀弯最大UC值

经校核，修复后的膨胀弯随地质沉陷2 m的情况下，三种工况下的管道最大UC值均小于1，故膨胀弯结构强度满足DNV1981规范要求。

4 项目实施

2015年3月，该海底管道修复项目按照设计方案安装了4节膨胀弯管道：与两侧原管道连接的膨胀弯为高差达2.5 m的立体膨胀弯，其余两节采用普通形式膨胀弯，每节膨胀弯之间采用法兰连接。所有膨胀弯安装前，在设计路由上先使用挖沟机吹出约0.5 m深管沟，以便管道安装后处于管沟内，降低海流对管道正常运营的影响。

修复完成后的管道经历多次台风考验，至今未发现任何异常，每年管道业主对修复后的管道进行多次调查，管道均处于正常状态。