近岸段海底管道底拖法铺设研究

高 媛

中国石油管道局工程有限公司国际事业部，河北 廊坊

1.引言

近三十年来，近岸底托法施工在国外已是比较成熟的施工方法，北海、墨西哥湾应用较多，而国内近岸底托施工法经验较少，发展比较缓慢，因此研究近岸段海底管道底拖法铺设研究非常有意义。

近岸段登陆海底管道的铺设大都采用预挖管沟、拖拉铺管的方法进行。拖拉铺管分为陆上拖管和海上拖管两种类型[1]。目前使用的拖拉设备有许多种，不同的拖拉设备又有与之相配套的拖拉系统。作业中采用哪种方法铺设登陆管道，选用何种类型的拖拉设备，要根据工程的具体情况及登陆点的环境条件而定[2]。

2.管道登陆方法的选择

海底管道在近岸段登陆的拖拉铺设方法可分为两种：陆上拖管法和海上拖管法。

陆上拖管法最普遍使用的一种方法是接管拖管法，即铺管船在满足吃水的设计管轴线上就位，将陆地绞车把索具的一端送上铺管船与管道拖头相接，利用铺管船上的作业线接管，陆地用绞车拖管，接一节拖一节，将管道逐渐拖向登陆点，如图1所示。正常情况下，陆上拖管法使用大型绞车直接拖拉，但没有大型绞车时，也可用较小的绞车穿接滑轮组拖管。例如，美国一家公司生产了一种叫做GRIPER 的液压拖拉专用设备，它有两部或四部液压缸，缸的端部带有钢丝绳夹具，可连续拖拉，安全可靠，但是设备价格昂贵[3]。

Figure 1.Land Tubing 图1.陆上拖管法

海上拖管法是铺管船就位后先做一段正常铺管，达到设计管段长度后弃管，陆地绞车往岸边拖管，铺管船弃/拾绞车随即放缆，当管段末端即将到达原铺管船初始位置时(一般预留一定长度以便收管)停止拖拉，铺管船向回移船，并收起管末端继续接管，再弃管，再拖管，用此法完成管道的登陆铺设，如图2所示。海上拖管法有两种。一种是陆地接管，海上铺管船直接铺管。这种方法须在路上修建一套接管作业线。由于设备价格昂贵，一般非专业公司不采用此方法；另一种是海上铺管船自行接管和铺管，利用陆地倒向滑轮将管道拖向陆地，如果采用此方法，铺管船需要配备足够拖管能力的绞车[4]。

Figure 2.Maritime Tubing 图2.海上拖管法

如果海底管道在特殊的海岸登陆，则需要采用特殊的方法。例如管道要在山边或悬崖处登陆，则需要安装立管来完成。一般在登岸立管处打一保护桩，登岸立管就固定在此桩上，保护桩附近应有牢固的护坡，以防因海浪冲刷使立管失稳。海底管道与登岸立管的连接要比海底管道与平台立管的连接容易，因为可以利用陆上起重设备，但海底管道与登岸立管的连接仍需在工程船上进行，其程序与海底管道和平台立管的连接相同[5][6]。

3.拖管力计算

拖管力的计算与—系列的设计参数有关，至少应考虑如下因素：管道在空气和水中的单位重量，管道上所加深筒的浮力，管道与预挖沟底土壤的摩擦系数，最终拖拉总长度，拖拉索具与泥面的摩擦力、管道拖头形式，拖管时可能出现的不可预见性因素及潮位等[7]。

拖管力由下述公式确定：

式中：F—拖管力，N；

FZ—海上—陆上铺管船的张力，N；

Ni—每段管拖拉时对海底面的正压力，N；

μ—管道于泥面的摩擦系数，取1.6～1.0；

k—不可预见性载荷因子，取1.25。

4.拖拉系统设计

管道拖拉系统是完成管道登陆的系统设施。主要包括三部分，即拖拉设备、拖拉锁具和系统布置，如图3所示。

1)拖拉设备

拖拉设备具有非常重要的选择性，它不仅关系到拖拉技术的实施、作业的安全，而且关系到施工周期及整个工程的经济性[8]。例如，根据以往的工程经验，某海底管道登陆敷设时设计了穿接滑轮组式拖管的总体方案，所用主要设备如下：1台最大拖拉力为980 kN 的主拖拉绞车，分高低位两个滚筒，满载卷绳速度为2～2.9 m/min；2台78 kN 辅助绞车；1台49 kN 回拉绞车；动、定滑轮组，安全负荷1300 kN；1台8胶轮动滑轮小车。

2)拖拉索具设计

拖拉索具是拖管的传力绳索，在用大型绞车直接拖管时，该索具就是一根直接卷上绞车滚筒的钢丝绳。若采用穿接滑轮组拖管，则拖拉索具分成若干段，由多节钢丝绳和连接卡环组成索具串，这种索具主要根据拖管各阶段(或工况)的拖拉力来设计[9]。

3)拖拉系统布置

拖拉系统的布置由拖管方法所决定，直接拖拉法的系统布置比较筒单，而使用滑轮组拖管时，拖拉系统就复杂得多，如图3所示。在拖管开始时，动滑轮处于远端位置，随着管道的拖拉，动滑轮越来越接近定滑轮。当动滑轮到达拖拉终点时，将主绞车的拖管力转移到辅助绞车上去，解掉一节钢丝绳，再用回接绞车将动滑轮拉回原位，挂上主拖拉索具继续拖管[10]。

Figure 3.Towing system and pulley block layout 图3.拖拉系统及滑轮组布置

5.管道系统设计

管道系统的设计主要包括登陆管道拖头、管道上浮筒的布置、浮筒的绑扎及解脱等内容。

管道拖头的设计形式根据拖管的方法(浮拖法、水中拖法、底拖法)而确定[11]。由于登陆管道受岸边波浪力及潮流力的影响较大，一般都是采用底拖法，即管道一直沿预挖沟的沟底行走。在管道铺设中，由于挖掘的内底不可能是光滑平整的，拖管可能会出现管道弯曲、别劲或拖头带泥的现象。为防止此类问题出现，可将拖头的下部做成雪橇形滑靴，此外还可以在拖头上增设浮筒，以减少拖管阻力。

海底管道一般都设有钢筋混凝土防腐蚀配重层，尽管在铺设过程中已在管子上加了轴向张力，但管道从铺管船上下水时往往保证不了设计曲率半径和应力要求；另外管道重量大，与海底泥面的摩擦力就大。为解决这些问题，需在管道上布设张力浮筒。布设浮筒的原则是：均匀布置，控制管道下水曲率和应力，使管拖头离开泥面，防止拖头啃泥、造成附加抱管阻力。所需浮桶的数量由下式计算：

式中：n—拖运管段所需绑扎的浮桶数量；

F—每米拖运管段在海水中的负浮力，kN/m；

L—拖运管段的长度，m；

P—拖运管段在海中所需的浮力，kN；

F1—单个浮桶的有效浮力，kN；

采用底拖法，浮桶的布置要做如下考虑：为防止拖运管段首端扎地，在离首端30～40 m 的范围内适当增加浮桶数量，控制首端的负浮力为100～200 N/m；为防止拖运管段摆尾，在离尾端60 m 左右的范围内少设置浮桶，控制尾端的负浮力为中部的5～6倍；中部浮桶均匀布置。

浮筒的绑扎设计根据绑扎方便、使用可靠、解脱容易的原则进行确定。用于系管的浮筒一般有两种，即专用浮筒和普通加厚汽油桶。专用浮筒带有法兰卡子，可在管道下水之前用吊车吊起直接卡在管道上，铺管作业完成后由潜水员在水下卸开卡子，浮筒自行浮起，由作业船回收。普通厚壁汽油筒的筒体无任何连接物，在绑扎时要做特殊处理.绑扎方法如下：先将两块木板条分上下各一块用钢片打包带绑扎在浮筒上；再按设计位置将绑有木条的浮筒绑扎在管道上；最后，绑扎时让其中一根木条与管道接触，利用木条的弹性增大管道与浮筒的摩擦力，减小其旋转或脱落的可能性[12]。

在绑扎浮筒的同时，应该用一根绳子把本节管道上的浮筒串在一起，并在绑扎浮筒与管道的打包带下设一根浮筒解脱钢丝。回收时，用工作艇拖拉解脱钢丝，将绑扎钢带逐个切断，浮筒即成串浮出海面，以便及时回收，潮差段的浮筒可利用低潮位由人工解脱回收[13]。

6.拖拉索具的连接及布设方法

铺管船在满足吃水的设计管道轴线上就位(离岸800 m)，将陆地绞车拖拉锁具的一端送上铺管船与管道拖拉头相接。拖拉索具是由多段钢丝绳用卡环连接而成的，为了减小索具与地面的拖拉摩擦力，可在卡环及钢丝绳段的适当位置上加水下张力浮筒，以减小索具的水中重量，但是索具应始终保持足够的负浮力，不至因海流力和波浪力作用而偏离管轴线，如图4所示。

当铺管船在近岸段预挖内设计管轴上就位后，就开始做索具的布设工作。索具布设可采用浮拖法和底拖法两种。浮拖法将索具浮在水面用拖船拖送，这种方法受自然环境影响较大。底拖法将索具沿预挖沟底拖拉布设，这样土壤的束缚作用可减小索具铺偏的可能性[14]。在布设时采取如下步骤：用拖船将一根细钢丝引绳送至海上铺管船，固定预拉，防止引绳弯曲或偏离轴线；潜水员对引绳入管沟情况进行检查；将引绳与铺管船的绞车钢缆连接，并牵引到陆地端，为防止预挖沟不平，可将引绳和绞车钢缆间串接一个通沟机，来回拖拉通沟；将拖拉索具在陆地端摆开，将铺管船上的绞车钢缆与首节索具相接并拖拉，直至索具首端绞上铺管船；将索具与作业线上的管道拖头连接，刹死张紧器，对拖拉索具进行预拉，准备铺管作业。

Figure 4.Land tubing 图4.陆上拖管法

7.管道拖拉铺设作业

管道拖拉铺设作业是近岸段管道施工的中心工作，也是最关键的一步，拖管时必须有海陆统一的指挥系统和良好的通讯设施[15]。

拖管指挥系统由拖管总指挥(陆地端)、铺管船中控室指挥、陆地绞车指挥、拖管工程师组成。拖管前应规定口令，明确岗位职责，规定指挥通讯频道。

当海上铺管船接管完毕，中控室指挥报告可以走管，各岗都已报告准备完毕时，总指挥下达开始拖管的命令。主绞车慢慢启动，并逐渐加速，待本节管道即将拖完时逐渐减速。当铺管船中控室指挥报告管端到位(到对中站)时，停止拖管，等待下一节管道的拖拉，拖管速度一般控制在1.5～2.5 m/min。

在拖管过程中，拖管工程师要随时监视拉力显示器，若拖管力超过了本阶段设计拖管力，应停止拖管。整个拖管过程要做详细记录，该记录至少应包括拖管节数、施管力、拖管开始和结束时间、铺管船上张紧器时的设定张力等。

当动滑轮小车走完有效行程时，就将拖管力转移结两台辅助绞车；放松主绞车，用回拉绞车慢慢回拉动滑轮小车，待第一节索具放松后将其解掉，回拉动滑轮小车到初始位置，挂上第二节索具；主绞车慢慢收紧、将辅助绞车上的拖管力再转移给主绞车，继续拖管作业。当管道铺到一定长度，管道与地面的摩擦力远大于铺管船上的预张力时，可不使用辅助绞车，直接放松主绞车，做索具段的解接工作。

8.结论

海底管道底托法登陆是一门综合性工程技术，在选择铺管方案时，应仔细弄清与铺管有关的各种设计参数和具体的施工要求。要针对五种施工方法的适用范围，选取技术相对简单、经济可行的施工方法。海底管道的登陆铺设大都采用拖拉法，尽管拖拉法有许多种，但都需要大型绞车或专用拖拉设备。利用现有条件，本文设计了一套“绞车穿接滑轮组+ 拖缆分段+ 整体串接”的接管拖管法。经过总结工程实践经验，应用拖拉法铺设登陆管道应注意以下几个问题：

1)在拖送拖拉索具时，拖船的拖力应是引绳总摩擦力的5倍以上。

2)拖管前要对预挖沟底进行平整，并在管道拖头上增设浮体，使拖头离开泥面。

3)若采用分段拖拉索具，最好使用交互捻钢丝绳，或将左右股捻钢丝绳分段配置使用。

4) 动、定滑轮组要分别在小车上和支架上固定，防止受力后旋转倾翻或拧搅，确保拖管作业顺利进行。