基于卷管法的石油管道系统模块化施工安装研究

李巍，付泽意

（中国化学工程第十一建设有限公司， 河南 开封 475000）

我国社会经济的发展，离不开各种能源。其中，石油是工业发展的命脉，被称为“工业的血液”。据华经产业研究院数据显示：2018年中国石油产量为189.1百万吨，石油消费量641.2百万吨油当量，原油加工量12441千桶/日[1]。如此大的石油需求量，保证供应已成为重要问题，仅靠西气东输、川气东送等工程已无法满足需求。在此背景下，亟待铺设新的石油管道系统，其中海底管道工程是当前研究的重点。在海底铺设管道，不仅避免了对地面设施的破坏，减少了资源浪费，还减低了施工成本，铺设效率和安全性高。我国海洋工程发展较慢，装备与技术相对落后，起步较晚[2]。为了减少和防止管道事故的发生，保证石油管道的正常输送，有必要提高管道系统安装施工的合理性，使其符合相应的安装标准，减少企业受到的经济损失，促进石油天然气行业的稳定发展。

目前，海洋石油管道施工安装工艺主要有拖管法、铺管船法两种。其中拖管法是将管子组装焊接成管段，然后由拖管船或其他牵引设备把管段拖到海上预定的位置再进行连接的施工方法。施工周期短，但施工费用相对较高。铺管船法是采用专用的铺管作业船，需要有一整套施工机具和船舶与之相配合，一般用于长距离水深能满足铺管船吃水要求的海管海上铺设[3]。优点是抗风浪能力强、作业效率高，缺点是施工周期长，施工难度高。

针对上述情况，本文提出一种新的方法—卷管法，可运用到的石油管道系统模块化施工安装中。卷管法是近些年被广泛应用和发展的一种海底管道铺设方法，原理是将管道在陆地预制场地上接长，然后卷在专用液筒上，送到海上进行铺设施工的方法[4]。因为绝大多数的管道制造加工均在陆地完成，施工难度小，便于控制，且铺管效率高，风险相对较小，成本低。为测试卷管法施工的合理性，利用模糊评价法对其施工安装的合理性进行预测，结果表明：卷管法进行石油管道系统模块化施工安装，施工安装合理性指数更高，由此可知基于卷管法的石油管道系统模块化施工安装要好于拖管法、铺管船法。

1 基于卷管法的石油管道系统施工安装工艺

在我国广阔的海域中，蕴藏着巨大的石油资源，为我国工业发展提供了能源基础，减轻了中国对外能源的过分依赖，但是受到海洋环境的影响，资源开发与利用并不顺利，而这主要归于前期石油管道施工安装的不合理性[5]。为此，本文研究一种新的石油管道系统施工安装工艺，即基于卷管法的石油管道系统模块化施工安装法。该方法的施工流程如图1所示。

图1 基于卷管法的石油管道系统施工安装研究思路

卷管法是近年来发展起来的一种专门用于海洋油气资源管道铺设方法，卷管法与拖管法、铺管船法最大的区别在于陆海结合，大部分前期工作，如管道制作、清洗处理、缠绕卷筒、卷筒安装等都在陆地上进行，降低了海上作业的难度和风险，而少部分后期工作，需要利用铺管船在海上完成海底管道铺设[6]。卷管法基本原理如下：在陆地上制造出待铺设的石油管道，并将其缠绕到固定在铺管船上的专业卷管圆盘上，然后铺管船带着缠有管道的圆盘行驶到预先选定的铺设位置，将管道在起点处连接，最后铺管船按照设计的方向行驶，而管道就同时慢慢放到海底，完成石油管道铺设，如图2所示[7]。

图2 卷管法基本原理

1.1 石油管道系统模块化施工安装准备工作

在石油管道施工安装前，需要进行一些准备工作，包括施工设备选取、铺管准备工作等。

1.1.1 施工安装设备选取

利用卷管法铺设安装石油管道系统，需要使用的主要相关设备有缠绕设备、定位系统、张紧器、收放绞车、吊管机、矫直器等[8]。

（1）卷管缠绕设备。卷管圆盘包括有一圆盘状外壳，中间设置有一根轴，轴上套置有中间设置管带槽的转盘，转盘的槽内盘放置管道。

（2）定位系统。定位系统帮助铺管船到达指定位置，保证管道铺设在指定位置。定位系统是以确定空间位置为目标而构成的相互关联的一个集合体或装置，一般船舶上的定位系统为GPS，技术指标如表1所示[9]。

表1 GPS定位系统技术指标

（3）张紧器。张紧器的作用是保持管道在传动过程中拥有适当的张紧力，从而避免管道松动、脱落，减轻卷管圆盘磨损。

（4）收放绞车。收管弃管绞车是用卷筒缠绕钢丝绳或链条以提升或牵引重物的小型起重设备，主要用于水下拖曳设备的自动收放，技术参数如表2所示[10]。

表2 收放绞车技术参数

（5）吊管机。吊管机由履带式底座、吊臂、液压绞车、平衡液压缸、平衡支架、平衡配重和滑轮组等几部分组成，主要用于石油、天然气、水网等长输管线的建设，是运管、布管、组对、下沟施工工序的专用设备。

（6）矫直器。在管道铺设过程中，矫直器可将因缠绕导致弯曲的管道进行矫直。

1.1.2 铺管准备工作

（1）收集有关铺管工程的资料和技术要求，了解施工海域的气候和水文情况，考核参与管道施工安装工作人员的技术能力，为后续工作提供可靠的数据参考。

（2）对铺管船以及船上设备进行质量检验，保证在管道安装过程中不出现故障。

（3）前期进行海底管道铺设试验，准备相关的技术文件。

（4）预判施工过程中可能存在的风险，以便进行风险规避。

（5）编制施工安全计划，按技术要求进行施工操作，提高施工效率。

1.2 石油管道施工安装工艺

石油管道施工安装工艺流程如下：

步骤1：管道清洁，包括吹扫和清洗。首先用压缩空气吹扫管道，然后进行管道酸洗，以便清除遗留在管道内的污物 。

步骤2：石油管道上卷，将管道缠绕到卷管圆盘上，这是石油管道施工安装工艺中关键环节之一，直接关系着管道的弯曲程度，从而影响管道塑性变形。为此，石油管道上卷前，要对管道进行预弯，即根据管道的属性和圆盘大小，使管道事先有一定弯曲，然后再往滚筒上缠绕。

步骤3：管道圆盘运输及安装。在石油管道上卷之后，管道加上圆盘的总重将达到上百吨，通常一般用吊管机、起重机等设备，将缠有管道的圆盘从陆地运输到铺管船上并安装。在安装过程中，操作人员要严格按照安装步骤和规范进行操作，注意安全，防止事故发生。

步骤4：GPS定位。铺管船带着管道需要行驶到指定地点，才能进行放盘。而这一过程，GPS定位发挥着重要作用。GPS定位原理：系根据已知卫星位置与用户接收机之间的距离，计算接收机的具体位置，具体包括如下步骤：（1）跟踪、选择卫星，接收选定卫星的信号；（2）解读、解算出卫星；（3）测量得到卫星和用户之间的相对位置；（4）解算得到用户的最可信赖位置。

步骤5：管道放盘。即将圆盘上的管道有序地释放出来，铺设到海中。在这一过程中，需要用到张紧器设备，起到管道均匀收放，保证退卷稳定、控住铺设速度以及管道在水下的良好形态，避免与设计的铺设位置出现偏差。

步骤6：正式铺管。在正式铺管时，要注意选在天气状况和水域状况良好的环境中进行。石油管道铺装具体过程如下：（1）根据GPS定位，铺管船到达指定位置，并抛锚就位；（2）管道下放，管道通过张紧器传输到船上的导管架或悬挑结构上，然后下放到海中。在这一过程中，管道因海底与铺管船之间的距离差会产生很大一段弯曲，这部分弯曲必须保持在规定的范围内，否则可能导致管道弯折或折断；（3）根据预先设定的铺设深度，计算好管道入海的角度；（4）控制好管道入海的速度和入海形态，降低管道所承载的应力；（5）管道在绳索的引导下，伸向海底，与海底的吸力锚连接固定；（6）必须沿着设定好的铺装路线进行管道安装。

步骤7：质检。在石油管道施工安装完成后，需要进行测试，检验管道是否存在漏洞、弯折等问题，保证管道的严密性。

2 基于卷管法的石油管道施工安装仿真分析

本工程位于某沿海区域，管道材质主要有Q235B螺旋缝焊接管、20#钢无缝管、304不锈钢无缝管。安装计划预计4月25日至8月10日完成所有管道安装工作，7月25日开始至8月12日分段进行管道施工安装合理性试验。本试验采用神经网络评估方法进行，首先选取评估指标，然后利用熵权法进行指标权重计算，最后构建神经网络模型进行施工安装合理性评估。评估测试工具为MATLAB，通过MATLAB建立人工神经网络，并应用MATLAB工具箱中的TRAINBPX快速训练网络。

步骤1：选取指标。施工工期、开挖费用、设备损坏费用、人工成本等是影响石油管道施工安装合理性的主要因素，因此选取这四个因素作为指标。

步骤2：计算指标权重。利用熵权法计算指标权重，如表3所示。

表3 指标权重计算结果

步骤3：神经网络输出结果，如表4所示。

表4 神经网络输出结果

从表4可知，利用卷管法进行石油管道系统模块化施工安装后，施工安装技术合理性指数为0.1562，而利用拖管法、铺管船法进行石油管道系统模块化施工安装后，施工安装技术合理性指数为0.1255和0.1356。从以上结果对比可知，本文介绍的卷管法施工安装更为合理，可为石油开采提供重要帮助。

3 结束语

综上所述，我国目前的石油储备已无法满足国内需求，需要开发新的石油资源，海上石油是目前开采的主要目标，但由于海上环境的复杂性，管道铺设存在很多难点。为此，针对当前使用的拖管法、铺管船法等管道施工安装工艺存在的问题，提出一种基于卷管法的石油管道系统模块化施工方法。该方法解决了拖管法、铺管船法海上施工困难问题，将大部分工作量转移到岸上完成，降低了施工难度，节省了施工费用，使施工更加合理。

◆参考文献

[1] 宋光春，李玉星，王武昌，等. 油气混输管道中天然气水合物的形成和堵塞过程研究[J].石油与天然气化工，2017，46(2)：38-43.

[2] 骆正山，袁宏伟. 基于误差补偿的GM-RBF海底管道腐蚀预测模型[J].中国安全科学学报，2018，28(3)：96-101.

[3] 谢英，麻秀芬，宁海峰，等. 海底悬跨管道形成及破坏机理[J].油气储运，2017，36(12)：1436-1442.

[4] 田水承，王亚妮，霍登财. 基于博弈论的石油天然气长输管道安全监管研究[J].安全与环境学报，2018，18(5)：1891-1895.

[5] 刘金国. 燃气管道下穿既有铁路施工方法[J].铁道建筑，2018，58(6)：83-85.

[6] 谢永雄，林华，廖葵莉. 顶管法在污水厂管网施工中的应用[J].工业安全与环保，2018，44(6)：22-26.

[7] 李英，李婧一，刘志龙. 基于有限元分析的卷管法管道安装实时研究[J].海洋工程，2019，37(3)：35-41.

[8] 覃杰. 煤矿立井井筒大直径瓦斯抽采管道安装工程研究[J].煤炭技术，2019，38(4)：61-62.

[9] 刘金海，涂锐，张睿，等z. Helmert方差分量估计在GPS/GLONASS/BDS组合定位权比确定中的应用[J].大地测量与地球动力学，2018，38(6)：568-570.

[10] 黄良沛，寇煜，常进杰. 海洋绞车钢丝绳缠绕过程动力学分析[J].矿业工程研究，2019，34(2)：70-78.