新型海管交叉点防护处理技术研究及应用

相政乐 张启发 张 祥 运 涛 彭传伟 杨加栋

(1.海油发展珠海管道工程有限公司 广东 珠海 519050)

(2.中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452)

海管作为海洋油气开发工程的一种重要结构载体，承担着海下油气输送的重任。随着海上油气田开发的增加，海管建设密度不断增加，使得部分新铺设海管不可避免地与既有海管产生路由交叉跨越[1-2]。目前，国内通常采用水泥压块的方法处理。该方法通过施工船舶在既有海管上铺放水泥压块进行预处理，铺设完新建海管之后，需再次在其上方施放水泥压块[3-4]。该处理方式施工时间长，船舶费用高，而且船期受天气影响大，使得工期不确定性增加，成为海管交叉点处理的痛点。

本研究以渤海某项目为依托，设计研发出一种新型海管交叉点防护处理技术，代替现行水泥压块处理方式的预处理过程，减少施工船舶的使用，从而降低交叉点处理的综合费用。

1 设计与实验

1.1 主要原料与设备

聚氨酯硬泡材料，山东联创节能新材料股份有限公司；聚乙烯材料，美国Matrix Polymers公司；聚脲材料，山东联创节能新材料股份有限公司；Inconel Alloy 625绑带，江苏新华合金有限公司。

CMT4140型电子万能试验机、YAW4605D型压力试验机，美特斯工业系统(中国)有限公司；冲击实验装置，根据SY/T 7398—2017自制。

1.2 聚氨酯泡沫材料性能测定

根据ASTM D1622测定聚氨酯硬泡密度。

根据ASTM D1621测定聚氨酯泡沫塑料压缩应力:采用电子万能试验机，以每分钟10%试样高度的恒定速率，将试样厚度压缩20%后停止，读取压缩形变为10%时的压缩应力。

1.3 防护装置的设计与制备

防护装置主要分为主体区和过渡区，其海底服役效果如图1所示。

图1 防护装置的海底服役效果图

图1中，主体区由长0.6 m、厚0.3 m的半圆弧形护套连续组对安装而成，有效长度为12 m，起到交叉点防护作用。过渡区由长度为1 m的半圆弧形护套连续安装而成，分布在主体区两侧，在长度方向上呈锥形，实现安装海管外径到主体区护套外径的平滑过渡。图2为主体区护套和过渡区护套结构示意图。

图2中主体区护套的外层为聚乙烯，起到抗冲击、耐磨的作用，其内部填充聚氨酯硬泡，起缓冲、支撑的作用。每对主体区护套通过4套镀锌螺栓和1条Inconel Alloy 625绑带进行紧固安装。过渡区护套外层为聚脲，其内部填充聚氨酯硬泡。每个过渡区护套通过其内部6条预埋Inconel Alloy 625绑带及外侧2条Inconel Alloy 625绑带进行紧固安装。

1.4 模拟计算校核

参考挪威船级社海底管线设计标准DNVGLST-F101，根据渤海的海况、铺管船辊轮参数、防护装置及海管参数，使用OrcaFlex软件进行铺设模拟计算。结果表明，在防护装置安装铺设过程中，海管受到的最大辊轮支反力约1 t/m，海管与滚轮之间的最大静摩擦力约0.5 t/m。在主体区两侧分别安装18 m的锥型平滑过渡区能够很好地解决主体区带来的应力集中问题。

1.5 防护装置的性能试验

1.5.1 推脱试验

主体区和过渡区护套推脱试验示意图见图3。

图3 护套推脱试验示意图

如图3所示，将1对主体区护套通过4套镀锌螺栓和1条Inconel Alloy 625绑带紧固安装到406.4 mm长、具有3层聚乙烯防腐涂层(3LPE)的试验管段上，下端管段露出护套约1～2 cm。然后将试验管段预留端向下竖直放置在剪切台架内，并在试验管段上端扣上剪切端帽(试验管段和剪切端帽的总质量为150 kg)。压缩试验机由剪切端帽施加压力，直至主体区护套与试验管段接触面出现相对滑移，记录试验最大载荷，即为1对主体区护套的抗滑脱力。

过渡区护套样品厚度从150 mm过渡到165 mm，通过6条预埋Inconel Alloy 625绑带及外侧2条Inconel Alloy 625绑带进行紧固安装。根据上述方法测定过渡区护套的抗滑脱力。

1.5.2 冲击试验

试验方法参照SY/T 7398—2017，装置见图4。

图4 冲击试验装置

如图4所示，准备406.4 mm长具有3LPE涂层的试验管段，将1对主体区护套安装在其中间位置。根据冲击能10 kJ计算冲击锤提升高度，将冲击锤提升至指定高度后，释放冲击锤，完成冲击试验。在主体区护套不同位置冲击3次后，检查其整体结构是否完整。

2 结果与讨论

2.1 聚氨酯泡沫材料性能

通过测定试样的体积和质量，计算得到聚氨酯硬泡材料的平均密度为0.317 g/cm3。通过压缩试验得到聚氨酯硬泡的压缩应力-应变曲线见图5。

图5 聚氨酯泡沫材料的应力-应变曲线

由图5可知，试样压缩形变10%时，压缩应力为7.59 MPa。说明聚氨酯硬泡材料具有轻质高强的性能，能够满足护套设计和使用要求。

2.2 抗滑脱性能

为了考察主体区护套和过渡区护套的抗滑脱性能能否满足项目使用需求，对其进行推脱试验，结果见图6。

图6 主体区护套与过渡区护套的抗滑脱力

由图6(a)主体区护套结果可知，在位移为5 mm时，主体区护套的抗滑脱力急剧升高，在位移为6 mm时，抗滑脱力达到阶段最高值7 886 N，加上试验管段和剪切端帽的总质量150 kg，每对护套(长度0.6 m)可提供的抗滑脱力为9 356 N(0.94 t)，计算得出主体区护套单位长度上的抗滑脱力约为1.6 t/m，远大于设计校核要求的0.5 t/m，说明主体区护套能够满足铺设抗滑脱需求。

由图6(b)过渡区护套结果可见，在位移12 mm时，过渡区护套开始受力，随后过渡区护套的抗滑脱力开始增加。由于过渡区护套硬度小而发生了一定的形变，在测试过程中，抗摩擦力始终在升高，在位移32.5 mm时得到最大抗滑脱力7 820 N(约0.8 t)，加上试验管段和剪切端帽的总质量150 kg，试验段(0.5 m)提供的总抗滑脱力为0.95 t，计算得出过渡区护套单位长度上的抗滑脱力为1.9 t/m，远大于设计校核要求的0.5 t/m，说明过渡区护套提供的抗滑脱力能够满足安装铺设需要。

2.3 抗冲击性能

为了验证护套是否能够抵抗服役条件下的抛锚冲击等状况，对主体区护套进行了冲击试验。冲击后的主体区护套冲击位置局部图见图7。

图7 主体区护套不同位置(a，b，c)的冲击局部图

根据图7可见，主体区护套未发生破裂等损伤，仅产生轻微的压痕。说明外部聚乙烯具有很好的韧性，内部填充的轻质高强的聚氨酯硬泡能够提供足够的强度和缓冲效果。因此，主体区护套能够抵抗在役情况下发生的偶然冲击状况。

3 防护装置的项目应用

2021年7月在渤海海域进行防护装置的安装铺设，施工海况风力5～6级，水深约30 m。对16英寸混输钢套钢保温管跨越既有海管的3个交叉跨越点位进行防护处理。新型海管交叉点防护处理技术现场作业流程如下:(1)在海管上标记起始施工位置；(2)在铺管船的最后一个工作站安装防护装置；(3)防护装置随同新建管道铺设下放到海底既有管道上方。安装有防护装置的海管如图8所示。

图8 装有防护装置的海管

由图8可见，防护装置在安装铺设过程中未有破裂、散落和滑脱等现象，顺利铺设入水，完成海管交叉点的预处理。后续为满足海管的水动力稳定性，在交叉点防护装置上方施放水泥压块。本项海管交叉点防护处理技术，很大程度上节省了交叉点预处理的工期，达到了降本增效、降低施工风险的效果。

4 结束语

本项海管交叉点防护处理技术对于减少海管交叉点处理费用、降低工程风险等具有重要作用。本研究工作中将聚氨酯泡沫材料作为结构件进行使用，具有创新性，不同于以往只作为海管保温填充使用[5-6]，对于拓展聚氨酯泡沫材料在海洋工程产品领域应用具有重要意义。