海底油气输送管道的悬跨ROV抛石治理施工设计

2019-06-03曾晋

中国设备工程 2019年9期

曾晋

（中海辉固地学服务（深圳）有限公司，广东深圳 518067）

海底油气输送管道是海上油气生产的生命线，受到海洋环境和生产条件的影响，管道与海床之间的悬跨是一个应力聚集，易产生结构疲劳，受到渔业生产等外部因素刮碰的高风险点。海洋油气行业当中，各海底油气输送管道都会确定一个可允许悬跨参数（悬跨高度和长度），明确超出允许值之外的悬跨应该进行治理，目前的治理手段主要为沙包、水泥墩等各种形式的支撑。根据中国实际海况，设计在管线悬跨中间抛放一段设计碎石堆，将悬跨治理为两段较短悬跨。本方案设计通过理论计算，合理选材，分析抛石悬跨治理的实际方案。

1 理论计算

海岸防护工程中，通常采用抛石保护海堤堤脚或者堤前海滩免受冲刷。对护底抛石较著名的有伊兹巴什公式、Shields准则、美国海岸防护手册公式以及我国规范等计算方法。根据海南岛八所水文情况，非台风气候时，工区底流速受海底沙坡沙脊影响，一般不大于0.68m/s，台风气候时，工区底流速最大可达1.4m/s。

1.1 依据交通部规范算法

根据交通部规范推荐方法来推算堤前流速。在设计抛石护底时，其稳定重量是十分重要的技术参数，公式中抛石的稳定重量均与堤前最大波浪底流速有着密切关系。护底块石的稳定重量主要根据交通部防波堤设计与施工规范来确定，根据交通部规范中堤前最大波浪底流速与护底块石稳定重量的关系可以拟合得到如下函数关系：

式中：W为块石重量kg；umax为堤前最大波浪底流速m/s。

上式能够较好地描述规范中护底块石稳定重量与最大波浪底流速之间的关系。

选取非台风气候umax=0.68m/s；台风气候umax=1.4m/s

W=6.3435×1.43≈17.4kg

W=6.3435×0.683≈1.99kg

1.2 依据伊兹巴什公式算法

如选用伊兹巴什公式对块石的稳定重量进行初步计算，公式如下：

式中：Ws为块石重量；K为系数，一般取0.0155；ρs为块石密度，ρ0为水密度；g为重力加速度；v为流速。

为了利于工程单位根据施工、石料等条件选取块石尺寸。

进行抛石块体设计的一般步骤为：

（1）据工程的水流条件，按公式计算出抛石块体的稳定重量或尺寸。

（2）选取一定安全系数，并据此确定最终的块石重量或尺寸。

1.3 依据“Shields准则”算法

剪切应力系数（Shieds数）ψ为石块受到剪切应力的无量纲化，由海流引起的海床临界剪切应力由下式计算：

其中，U为沿水深的的平均流速（m/s）；C是Chezy系数，由下式确定：

C=18 lg(1+12h/ks)

式中：h为水深；ks为海床粗糙度，海床沉积物若为细砂ks取2，若为粗砂则ks取4。

根据环境参数可知，由于水深较深，可不考虑波浪对石堆的影响。选取石块密度为2600kg/m3；管道路由沉积物主要由细中砂和软黏土构成，由此可以计算出不同海流流速下对应的石块最小稳定粒径，根据计算得到的关系曲线，2英寸（d=0.05m）石块可抵御的最大流速为3.5m/s。

1.4 依据《堤防工程设计规范》

《堤防工程设计规范》的推荐公式如下：

式中，D为块石稳定粒径，m；V为水流流速，m/s；g为重力加速度；K为块石运动的稳定系数，水平底坡时取0.9，倾斜坡底取1.2；γS为块石的重率；γ为水的重率。计算得到的2寸石块对应的滑动起动流速为1.06m/s，滚动起动流速为1.48m/s。该算法较保守，因为未考虑石块与石块，石块与管道之间的摩擦影响。

估计2英寸石块可抵挡的最大流速至少为1.5m/s。

2 设计计划

现设计在管线悬跨中间段抛放5m长的碎石堆，石堆两侧距管线约2.5m，选取两种不同大小的碎石石块抛两层石堆。

（1）内层堤心石为1英寸（d=0.025m）的碎石。作用：接触及支撑管线由海底直接堆积起来，直到掩埋管线顶部内层堤心石体积较小，应在流速不大于1米/秒的情况下投放，以避免投放过程中造成过多的抛偏损失。

（2）外层护石为3英寸（d=0.075m）的碎石。作用：防止水流掏空堆积在内层碎石外侧，依靠其重量及筑堤坡度来抵抗水流的拖曳力。坡度越斜，效果越好。

2.1 碎石选料

花岗岩、玄武石、石英石和石灰石为最普遍选用的碎石材料，根据水利水电工程施工手册及工程地质手册可查其密度。可选取块石密度ρ范围为2.5t/m3～2.7t/m3，由于碎石由其加工筛分时的筛眼决定，每块碎石均为不规则体，其重量在一定范围内浮动。

现碎石材料平均取密度2.7t/m3（单块最大体积为正立方体）来计算：

碎石筛网直径：1英寸、2英寸、3英寸、4英寸、6英寸、7英寸、8英寸；

单块最大质量：0.045kg、0.35kg、1.19kg、2.83kg、9.5kg、15.2kg、22.6kg。

2.2 抛石量计算

考虑顶层覆盖要求，设定取石堆截面底边长度为5m、顶边长度为1m。

（1）石堆截面尺寸。石堆截面形式，石堆顶宽1m，底宽2m，石堆顶距管顶距离取0.3m。

（2）抛石量计算。选取H=0.5m的悬空高度进行计算，抛石量共计18.5方：①在海管两侧各留0.5m，先堆两组3英寸石子作为基础，顶部于海管平齐，天然休止角在45°左右。沿管长方向计算抛放长度L取4m。②1英寸石块抛放在两堆三英寸当中，并直接包裹海管；可计算得到中间1寸小石子总石量为3.1方。③3英寸石堆再次覆盖1英寸石块上方，计算得出外层3寸大石子总石量为15.4方。

2.3 碎石块下落对管道冲击力的计算

根据流体力学理论，石块下落对海底管道的冲击程度取决于石块质量和速度。抛石过程中，由于海水的阻力，最终的速度进一步降低为石块平衡速度和水石混合物的流体速度。

以海南岛西部北部湾的海洋环境为例，其百年一遇环境条件：有义波高13.8m，谱峰周期15.9s；最大波速0.45m/s，内波流速0.78m/s。

根据水面落石时的计算公式，可知碎石在下落速度达到最大时：（1）根据筛网直径0.025m（1英寸）碎石的各项参数：水下质量0.016kg；附加质量0.005kg；相对密度1.585g/cm3；最大速度2.741m/s，可计算其冲击能量为0.115J。（2）根据筛网直径0.090m（3英寸）碎石的各项参数：水下质量0.702kg；附加质量0.221kg；相对密度1.585g/cm3；最大速度3.395m/s，可计算其冲击能量为7.873J。而使用ROV实际投放时，抛石袋距管线高度仅3～5m，碎石由静止开始下落直至到达管线的行程极短，下落速度小于最大平衡速度，那么冲击能量也会远小于理论计算值。