登陆海底管道设计技术

夏日长，邓合霞，李庆，潘悦然，倪自强

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

海底管道作为海洋石油的输送大动脉，发挥着尤为重要的作用，登陆管道作为海底管道的重要组成部分，具有设计影响因素多、施工复杂等特点。本文详细介绍了登陆海底管道设计技术，从路由设计技术和近岸段设计技术两个方面重点阐述，近岸段设计技术包含挖沟稳定性、土壤液化、工程回填和海底管道拖拉四个部分。

1 登陆海底管道路由设计

登陆海底管道距离远，路由设计中利益相关方多，影响因素复杂，通常需要满足该海域功能区规划并和利益相关方协商设计管道路由，尽可能较少对相关方影响，主要利益相关方如下：

● 港口资源

● 航道资源

● 锚地资源

● 旅游开发

● 渔业活动

● 海洋自然保护区

此外在管道路由布置过程中还要考虑以下因素：

● 路由长度最短

● 避开路由障碍物和路由危险区

● 平行管道间距,通常最小20m

● 路由弯曲曲率半径和直管段长度满足规范要求

● 管缆跨越满足规范要求

● 与钻井船施工保持合理间距

● 登陆点满足施工要求

2 近岸段海底管道设计

2.1 挖沟稳定性

近岸段海底管道需要挖沟施工作业，便于后续拖拉作业施工和海底管道保护，挖沟截面如图1所示，截面为倒梯形，沟型两侧斜面存在滑坡失稳的可能性，可通过下述公式评估近岸段挖沟稳定性。

图1 挖沟截面图

其中，F为挖沟稳定系数；tf为土壤剪切应力，MPa；td为失效面剪切应力，MPa；C为土壤粘性力，MPa；σ为有效法向应力，MPa；γ为土壤水下重，kN/m3；H为挖沟深度, m；φ为土壤内摩擦角，deg；β为挖沟边坡角，deg；θ临界挖沟边坡角，deg。

2.2 土壤液化

近岸段水下海床受到波浪和海流的循环荷载作用，全部或部分土壤可能会发生液化，无法有效支撑海底管道，海底管道因此产生上浮、下沉和悬跨等潜在风险，海床土壤液化可通过以下公式评估[1]，当液化系数小于1时，土壤不发生液化。

其中，LP为液化系数；ts为土壤阻尼应力，MPa；tc为波浪诱导应力，MPa；tdc/（σal）DR为实验室条件下循环应力引起的液化应力比例系数；Cr为实验室数据修正系数；Dr为土壤相对密度，kg/m3；DR为实验室条件下的土壤相对密度，kg/m3；Rd为液化难度比例；σo为土壤初始有效限制压力，MPa；γw为海水密度，kg/m3；γb为土壤水下重，kg/m3；Hs为有义波高，m；L为波长，m；d为水深，m；z为管道距离海床以下深度，m。

2.3 工程回填

海底管道在挖沟铺设完成后，需要工程回填保护，工程回填材料在海底受到波浪、海流的作用，可能发生移位。根据规范DNVGL-RP-F109[2],工程回填材料的稳定性可以通过下述公式评估，当防护参数小于0.04时，回填材料保持稳定。

其中，φ为防护参数；tb为底部剪切应力，MPa；g为重力加速度，m/s2；Sb为回填材料密度和海水密度比值；D50为回填材料平均粒径，mm；fw为波浪、海流摩擦参数；Aw为水质点轨道半径，mm；kb为等效沙的粗糙度，mm；K为无量纲常数；D为管道外径，mm。

回填材料的厚度可以通过下述公式计算。

其中，h为回填材料厚度，mm；Wst为回填材料重量，kg；ρst为回填材料密度，kg/m3。

2.4 海管拖拉

登陆海底管道通常采用拖拉的方法上岸，海底管道需要增加浮筒减轻重量，便于绞车拖拉上岸，绞车能力可以通过下述公式计算。

其中，Fp为绞车能力，kN；k为安全系数；μ为摩擦系数；Wc为拖拉缆绳水下重，kN；Wp为海底管道水下重，kN。

3 工程实例[3]

中东某工程项目实例：

海底管道参数：外径 4 0 6.4 m m，壁厚15.9mm，涂层厚度3mm，密度940kg/m3，混凝土配重层厚度70mm，密度3040kg/m3；

环境参数：有义波高（2.6m-1年，3.4 m-10年，3.9 m-100年），谱峰周期（7.7s-1年，8.7s-10年，9.9s-100年），底层流速（1.07m/s-1年，1.23m/s-10年，1.39m/s-100年）；

土壤参数：水下重 9.3kN/m3,摩擦角 41.4deg。挖沟稳定性校核评估结果如表1所示。

表1 挖沟稳定性校核结果

土壤液化评估校核结果如表2所示，液化系数均小于1，土壤不会发生液化。

表2 土壤液化校核结果

工程回填评估校核结果如表3所示，防护参数小于0.04，回填材料稳定。

表3 工程回填校核结果

登陆海底管道拖拉评估结果如表4所示，拖拉力为1300kN，可选用最小200吨能力绞车，为减轻海底管道拖拉重量，需要增加浮筒。

表4 海底管道拖拉校核结果

4 结论

登陆海底管道设计复杂，影响因素多，通过上述研究得出以下结论：

1） 登陆海底管道路由设计需要考虑利益相关方和影响整条路由布置的所有因素；

2） 对于近岸段海底管道通常施工方法为拖拉上岸，设计中重点考虑挖沟稳定性、土壤液化、工程回填和海底管道拖拉，通过计算分析确定沟型、回填工程量以及拖拉设备能力。

本文介绍了登陆海底管道设计方法，我国渤海湾、东海和南海均存在大量登陆海底管道，该项设计技术给未来类似的工程项目提供了借鉴参考。