海底输油管道后深挖沟11.9m的实践分析

周彬，刘彬杰，董治国，肖守峰，耿焘

（海隆石油海洋工程有限公司，上海 201107）

当海底输油管道需要穿越航道时，管道的存在会使航道疏浚时挖深受限，而航道疏浚活动对海底输油管道的完整性和安全性也是巨大隐患。在孟加拉湾海域，需要对穿越两条航道的4 条海底输油管道实施后深挖沟作业，穿越宽度约1.2km，穿越处最大水深15m。为确保穿越段海底输油管道的完整性，需将海底输油管道埋设到原始海床标高10.5m 以下。由于土壤地质和施工技术、装备等制约因素，挖沟过程中无法保证每一遍挖沟深度的均匀性，为了保证海底输油管道在深挖作业过程中疲劳应力处于安全状态，后挖沟深度基本都超过设计要求的最小后挖沟深度，其中最深后挖沟处达到11.9m。

海底输油管道埋设深度一般在1.5～3m，5m左右埋深的后挖沟施工已经非常困难，超10.5m埋深海底输油管道挖沟作业目前还没有先例[1]。为了完成这项工作，必须从先挖沟后铺管和先铺管后挖沟这两个施工方案中进行选择[2]。通过综合对比分析，确定采用先铺管后挖沟的施工方式，结果显示施工达到了预期目的。图1是后深挖沟处的海床、管道和设计管道标高的剖面示意图[3]。

图1 管道原始标高和目标标高对比图示意图Fig.1 Schematic diagram of comparison between original elevation and target elevation of pipelines

需要深埋的4 条管道分别为2 条平行18in 海底输油管道和2 条平行36in 输油管道。海底输油管道的参数见表1。

表1 管道参数Table 1 Pipeline parameters

1 施工方案选择

1.1 施工区域海床和地质调查

由于需要将海底输油管道埋设到海床以下10.5m，首要的风险就是施工区域海底的地质情况。

先采用多波束测深探测仪（MBES）对海床进行调查，初步判断海床上无大型的结构物以及岩石等灾害性、严重影响挖沟的障碍物。然后在海底输油管道路由上对4 条海底输油管道宽度1km范围内的海床，进行了海床以下11m 深的钻孔地质取样调查。经过对地质调查的钻孔样品进行分析，判断出海床以下11m 深度的土壤，没有影响挖沟作业的不良性地质[4]。虽存在地震液化可能性高的土层，但总体来说施工区域地质比较稳定，适宜工程的建设和挖沟作业施工。

1.2 施工方案对比

从工作量、施工次序、施工资源、工期、成本、风险等方面对两种方案进行对比。先挖沟后铺管的优点是管道的施工风险低，在工作量上明显优于先铺管后挖沟，但施工成本较高；而先铺管后挖沟，因为挖沟时海管已经铺在海底，挖沟过程很难避免挖沟机会接触到海管，施工风险较高，但施工工期有较大幅度的压缩，施工成本也较低。经过反复分析论证，认为先铺管后挖沟的施工方式风险可控，而先挖沟后铺管作业施工工期较长，会造成航道停航时间过长，导致航道使用方有较大的经济损失。对两种不同施工方案进行了比较（表2）[5]，最终认可采用先铺管后挖沟的施工方式[6]。

表2 施工方案对比Table 2 Comparison of construction schemes

2 施工方案准备

2.1 施工船舶选择

施工海域流速较大，水流方向垂直于海底输油管道路由，且属于季风气候，雨季风浪较大，为保证海上施工作业的连续性，考虑到DP 船艏向控制困难，所以优选配备吊机的锚系驳船。

2.2 挖沟机选型

挖沟机作为施工的主要和关键设备，选型需综合考虑施工水域海况、天气、地质、以及设计挖深的情况，其主要制约条件为：

（1）保证海底输油管道的安全，挖沟过程不能损坏管道；

（2）沟深超过10m，挖沟机需具备将海底输油管道下放10m 以上的能力；

（3）挖沟过程中挖沟机需具备防回淤的能力，能够将挖出的泥土和沙石排出10.5m 以上海沟，以免泥土在已挖好的沟里回淤，造成下一遍挖沟时找管困难及额外进行清淤作业[7]。

最终选择的深挖沟机物理参数见表3。

表3 挖沟机主要物理特性Table 3 Main physical characteristics of trencher

（1）水力喷射型式，不会损坏到已铺设的海底输油管道；

（2）窄高型设计，以便能在挖沟过程中随海底输油管道下沉到已挖好的沟里，具备10.5m 以上挖沟能力，并具备足够的能力在水下将海底泥沙甚至硬土层吹散；

（3）配备气举系统以及排泥系统，将泥浆排至沟外比较远的位置，以免影响毗邻的管道；

（4）水下重量要控制在10t 左右，以减小挖沟过程中对海底输油管道的作用力。

2.3 挖沟试验

由于海底输油管道一旦铺设到海底后，选定的挖沟施工方案将不可更改，因此施工前进行挖沟试验验证方案的可行性。试验位置选择在距离施工地点1km 的海域，进行了为期6 天的挖沟试验。试验使用同型挖沟设备、挖沟船舶，进行了2 个100m 长度的挖沟测试。根据试验前后的海底调查，通过13 遍的挖沟，最终开挖深度达到9.2m，基本可满足项目设计要求的挖沟深度要求。图2显示了试验位置试验前后的对比。

图2 海床试验前后调查对比图Fig.2 Comparison of investigation before and after seabed test

2.4 设计校核

针对挖沟过程中可能出现的海底输油管道完整性风险，设计通过计算分析对挖沟过程中海底输油管道允许产生的最大自由悬跨、单遍挖沟深度等给定了最大的限定值，以保证挖沟作业的安全性。主要的计算数据见表4。

表4 深挖作业应力和悬跨校核数据Table 4 Stress and free-span evaluation for deep-trenching operation

（1）根据施工海域海底输油管道长度进行挖沟作业过程应力和疲劳分析。利用有限差分法对海底输油管道下降过程进行长度和应力校核，分析作业过程中海底输油管道产生的最大应力和疲劳状态，对挖沟沟槽稳定性进行分析。

①模拟施工过程中注水状态下海底输油管道下沉的过程，分析每个位置的应力和应变情况；

②为了保证初始状态下海底输油管道的长度满足海底输油管道下降至设计位置后的长度需求，将海底输油管道的固定段长度设置为2.3 倍实际施工长度，分析海底输油管道的线性长度；

③检查海底输油管道弯曲半径是否满足不小于1500 倍海底输油管道直径的设计要求；

④检查海底输油管道的支撑和自由悬跨状态，特别是在海底输油管道线性拐点位置；

⑤校核海底输油管道铺设残余应力对海底输油管道稳定性的影响。

（2）对施工起始边界条件的变化、后挖沟过渡段长度等关键的设计输入数据进行了敏感性分析，最终从设计角度给出施工可行性结论。

①根据DNVGL-ST-F101，整个施工期间，海底输油管道和管沟是安全的，挖沟对相邻管道无安全影响；

②施工期间，海底输油管道允许悬跨值可控，施工工艺对海底输油管道无失效损害风险；

③施工期间对海底输油管道施加的外力及海底输油管道可能形成的自由悬跨，对注水后海底输油管道无失效的风险。

3 施工方案介绍

根据挖沟试验的结果，综合设计的计算分析结论，最终确定深挖沟作业的整体施工方案。

3.1 施工次序

根据前期的评估和计算确定整条管道的施工按照图3的流程进行[8]。

图3 项目施工流程Fig.3 Project construction sequences

3.2 后深挖沟流程

根据试验结果，计算确定挖沟前对海底输油管道进行注水增加海底输油管道重量，以加大海底输油管道下沉效果。同时，为了保证质量，确定在每遍挖沟后，都对海底输油管道及海沟的状态做调查。最终确定后深挖沟流程按图4进行。

图4 后深挖沟流程图Fig.4 Flow chart for post deep-trenching operation

3.3 设备布置

挖沟机在水下的运动，靠吊机稳定姿态，利用绞车拖拉提供前进的动力，为了提高挖沟的效率，保证在双向移船时都能进行挖沟作业，施工方在作业船的舷边布置了两根拖拉臂，以保证双向均可挖沟。

3.4 3D 声纳实时成像监测系统

针对当地海域流速大、泥沙含量高、水下能见度极差的问题，使用传统的摄像头及雷达，很难满足水下找管、实时监测挖沟质量的要求。为减少施工风险、提高施工效率，在传统的MBES调查基础上，使用3D 声纳实时成像系统作为施工过程中的辅助调查方法，实现了实时判断海底输油管道状态，监测挖沟质量的目的。图5显示了传统的MBES 调查图像与3D 声纳实时成像系统图像。

图5 MBES 后调查与3D 声纳实时成像调查对比图Fig.5 Comparison of surveys by MBES and 3D sonar real-time imaging

3.5 实施挖沟作业

综合设计管道埋深、挖沟机作业能力和管道安全等因素，深挖采用多遍挖沟下放海管的方式，并按照设计计算要求控制每一遍挖沟的深度。施工前根据浅剖仪预调查确定管道路由及埋深，先挖至露出管顶，然后将挖沟机跨骑至管道上进行一遍吹扫作业以清理管沟并暴露出下放路由段的海底输油管道。然后将管沟挖至与航道段设计管底标高线近似平行后开始多遍深挖作业。为了保证海底输油管道整体的完整性，深挖的过程中在航道外路由上挖出合适长度的过渡段确保海底输油管道的平滑过渡。

海底输油管道下放过程中，通过实时3D 成像监测沟型、海底输油管道状态与挖沟机的位置。每完成一遍挖沟操作，在挖沟路由上每25m 进行一处SBP 调查获取管底标高数据。综合3D 和SBP 结果进行分析，对于出现悬跨及垂直梯度较大的情况，立即采取措施进行干预纠正处理。受土质和沟深因素的影响，深挖过程中出现沟壁坍塌的情况时，需要及时分析坍塌原因、清理坍塌土层以及修正坍塌位置的沟型。

3.6 作业质量控制

施工前根据相关的标准、设计要求编制施工程序。确保施工程序满足标准和设计要求。检查施工船舶、定位、调查和监控设备的状态以及校准报告或试运行报告，确保设备运行状态良好，监测数据真实。对相关的作业人员进行技术交底以贯彻相关操作的技术要求。根据作业水域的实际情况，结合3D 声纳和SBP 调查方法控制施工质量。施工过程按照程序要求执行，每一遍挖沟后通过3D 声纳监测结果或SBP 调查数据，确定挖沟过程中是否产生了超标悬跨等信息，并形成相关的挖沟作业现场记录和报告，清楚记录每日的作业位置、使用设备、作业内容和调查结果等信息。

挖沟结束后，按程序要求的间隔距离进行MBES 调查，确认挖沟线路挖沟深度达到设计要求。数据显示较深航道平均挖沟10.9m 深，最深处下挖11.9m 长度约20m（图6）。最终通过管道通球测径试验和水压测试确保管道的完整性。

图6 最终海管管底标高示意图Fig.6 Schematic diagram of final trenched pipeline bottom elevation

4 结论

按照施工方案的要求，在预定的时间内完成了4 条海底输油管道的深挖沟下放任务，其中最大挖沟深度达到了11.9m，管线处于安全状态。在超深后挖沟过程中，需要从以下有别于常规后挖沟的方面进行考虑：

（1）深挖沟机的选型要适应深沟形状特点选择窄高型挖沟机，并且深挖沟机要具备排泥沙能力，以便排出沟底打散的泥沙，防止在沟底发生淤积；

（2）由于挖沟遍数较多，为了及时观察海底输油管道的状态，采用实时3D 声纳影像进行监控和测量的辅助调查手段可行并且有效；

（3）挖沟遍数的增多，大大增加海底输油管道超应力和变形的风险，因此需要确定好每一遍的挖沟深度、管线水平高差和悬跨状态，进行计算校核分析，以确保后挖沟操作的安全性。