基于射流的海管悬跨处理方法研究

林守强， 叶永彪， 齐兵兵， 崔宁， 陈赢豪， 谢锏辉

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳518067）

0 引言

海底管道是指设置于海底用于输送原油、天然气、淡水、污水的管道。随着海洋油气资源的不断开发，海底管道的规模不断扩大。据有关资料统计，目前国内海底管道总长度已超过8000 km[1-2]。由于海底地形起伏不平、复杂多变，从而导致海管铺设于海床之后容易产生悬跨。根据海底土壤地质资料、设计寿命、环境资料、海管材料、外径及内部输送介质等因素综合计算，可得出每条海管的允许悬跨长度临界值。若悬跨长度超过允许悬跨长度临界值时，则必须立即采取措施处理。否则将导致海管在后续服役期间由于自身重力或浪流冲击力等作用而发生变形，甚至导致输送介质泄漏，引起海洋环境污染，造成巨大损失。

目前常用的海管悬跨处理方法有沙袋回填、灌浆填充、吸力桩、抛石、人工海草等多种方法，这些方法各有优劣。比如沙袋回填虽然操作简单、经济成本较低，但可靠性差，长期效果不佳；灌浆填充属于点支撑，资源少，经济成本较高，容易失效；吸力桩施工难度很大，风险较高；抛石的技术可行性高，但是经济成本过高，通常是悬跨处理最后的选择方法；人工海草见效慢，风险高。

本文详细阐述一种基于射流的海管悬跨处理方法，此种方法经济成本较低，应用范围广泛，可处理各种海床悬跨，适用于绝大部分国内的海管悬跨处理。

1 工作原理

海管悬跨处理时，将喷射式吹泥设备安装至配套支持船上，由吊机下放吹泥设备，并进行水下牵引固定，使吹泥设备与船舶保持固定的相对位置，通过控制船舶的艏向、速度等来控制海管悬跨处理速度。调整吹泥设备的流量、高度来控制吹泥的深度与宽度，从而达到海管悬跨处理的目的。

利用喷射式吹泥设备进行海管悬跨处理的施工流程基本一致，下面以船舶HYSY289搭载T8000吹泥设备为例进行说明：1）下放5 t配重块（Clump Weight）至水下距海床5 m高度。2）下放T8000设备至水下，T8000与配重块之间连接钢丝绳。3）通过吊机旋转调整配重块与T8000之间的距离，使牵引绳（Guide Wire）处于受力状态。T8000与配重块连成直线，与船舷平行，便于通过船舶来控制T8000吹泥作业，见图1。4）T8000与船舶保持固定相对位置，调整船舶航行速度即可控制T8000吹泥速度；调整吊机入水钢缆长度控制T8000与海床距离；调整T8000流量大小控制吹泥深度。5）根据悬跨类型及周围海床地形，控制T8000对海管周围海床进行吹泥作业，达到消除或减少悬跨的目的。

图1 工作原理

2 常见的海管悬跨类型

海底环境复杂多变，引起管道悬跨的原因有很多，比如特殊海底地形、地震区域，或者浪、流对海管的冲刷，以及海管铺设后的残余应力等等。不同原因导致的海管悬跨的类型不同。根据海管悬跨形成时的形状，将海管悬跨分为以下3种类型：“L”型悬跨，“U”型悬跨和“W”型悬跨（见图2～图4）。

图2 “L”型悬跨

图3 “U”型悬跨

图4 “W”型悬跨

3 海管悬跨处理方法

针对不同类型的悬跨，采用喷射式吹泥设备进行处理时方法也不尽相同，需根据悬跨类型、悬跨形成原因、周围海床特点等因素综合考虑，采取最合理的方法进行处理。

3.1 “L”型悬跨处理方法

“L”型悬跨常出现在海床起伏比较大的地方，例如地震带区域，海床出现断层，两侧落差较大。此处海床凸出部分土壤剪切力一般比较大，土壤内部容易存在较多岩石，处理前需要首先对土壤进行取样，获得土壤的准确信息，根据土壤信息选定合适吹泥设备。然后根据有限元分析（FEA）软件计算分析结果，确定海床吹泥区域及深度。再根据设定的海床处理目标，制定海床处理方法，最终实现海管悬跨的处理。

图5 “L”型悬跨处理结果

悬跨处理实际施工步骤如下：1）根据理论计算结果，确定海管悬跨处理方案，即将图5中阴影部分消除，使海管与海床贴合，消除悬跨；2）船舶航行至悬跨位置上方，进行DP测试；3）下放吹泥设备至海床距离3 m左右，进行吹泥设备测试，确定流量、速度等参数；4）移动吹泥设备至悬跨处理位置A点，见图6；5）开启吹泥设备沿着从A～C的方向前进，前进过程中，保持高度不变，逐渐增大流量；6）到达C点后，关闭或降低吹泥设备流量，返回A点，返回途中利用声纳扫描处理结果；7）根据处理结果，将吹泥设备降低高度，再次沿着A～C的方向进行悬跨处理；8）经过多次处理，最终达到A～B之间的海床地形，使海管与海床紧密贴合，消除“L”型悬跨。

3.2 “U”型悬跨处理方法

“U”型悬跨通常是海管铺设以后由于海底浪流冲刷而形成的，也有部分悬跨是由于海底地形而产生的。根据悬跨形成的原因不同，处理方法选择也不同。

图6 “L”型悬跨处理过程示意

3.2.1 海底地形产生的“U”型悬跨处理方法

此种“U”型悬跨是海管铺设于海床之上，海床地形与海管之间存在悬空导致。悬跨周围海床土壤较为松软，剪切力较小，可通过逐步消除海管悬跨两端的海床，使海管沉降至海床上，来实现悬跨处理的目的，如图7所示。

图7 地形产生的“U”型悬跨处理过程

具体实施步骤：1）根据理论计算结果，确定海管悬跨处理方案，即将图7中阴影部分消除，使海管与海床贴合，消除悬跨；2）下放吹泥设备至海床距离3 m左右，进行吹泥设备测试，确定流量、速度等参数；3）移动吹泥设备至悬跨处理位置两端，以悬跨为中心，按照从中间到两侧的处理方向，开始悬跨处理；4）处理过程中，通过控制吹泥设备高度、流量和速度，最终达到悬跨处理的理论计算结果，使海管下沉与海床贴合，消除“U”型悬跨，如图8所示。

3.2.2 冲刷形成的“U”型悬跨处理方法

图8 地形产生的“U”型悬跨处理过程

此种“U”型悬跨是指在海管铺设后经调查未发现悬跨，但是经过长时间海底浪流冲刷而形成的悬跨。此种悬跨两侧的土壤比较坚硬，不易处理（见图9），无法通过消除两端的土壤来处理悬跨。处理此种悬跨时，需要将周围的土壤吹至悬跨区域，将此处悬跨填平。

图9 冲刷形成的“U”型悬跨

图10 冲刷形成的“U”型悬跨处理俯视图

图11 冲刷形成的“U”型悬跨处理剖视图

图12 冲刷形成的“U”型悬跨处理结果

具体施工步骤如下：1）根据喷射设备吹泥的范围，设定吹泥设备距海管之间的距离L，确定吹泥处理路线,见图10。2）吹泥设备沿着设定的路线进行吹泥，将海床附近的土壤吹到海管悬跨区域，填充海管底部的凹坑（见图11），将悬跨区域填平，达到消除悬跨的目的,处理后的结果见图12。

若悬跨两端及周围土壤均比较坚硬，处理难度比较大时，可考虑在较远地带，重复上述步骤，将海床吹填至悬跨区域，消除海管悬跨。

3.3 “W”型悬跨处理方法

“W”型悬跨通常存在于海床复杂多变、起伏不平的地方。“W”型悬跨也叫连续悬跨，可看做是多个“U”型悬跨连续在一起（见图4）。处理时要综合考虑其周围的海床情况，若海管悬跨两端海床土壤比较坚硬，可采用3.2.2节方法进行消除悬跨；若海管悬跨周围所处海床土壤松软，采取3.2.1节方法进行悬跨处理。具体处理方法可根据土壤实际情况，选择合理方法进行悬跨处理。

4 结 论

基于射流的海管悬跨处理方法采用的相关船舶、设备资源在国内非常多，易于锁定；海上施工效率较高，经济成本较低，在进行海管悬跨处理时相比于其他悬跨处理方法性价比很高，可处理的悬跨种类较多，非常实用。但是此种悬跨处理方法要求提供准确的海床土壤资料，进行提前计算并模拟出悬跨处理结果，否则可能导致现场施工困难，悬跨处理失败。

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