哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 目前，國內(nèi)海底管道鋪設(shè)絕大多數(shù)采用鋪管船法進行，而國外應(yīng)用廣泛 的、無需鋪管船即可實現(xiàn)的拖管法應(yīng)用卻較少。國內(nèi)已有的拖管實例也且僅 限于在灘海水域采用浮拖和底拖法鋪設(shè)短距離管道，這遠不能滿足邊際油田 開發(fā)對海底管道鋪設(shè)的要求。本文結(jié)合國外相關(guān)實例和最新進展，進行了集 束管道復(fù)合式拖航施工方案設(shè)計，該方案具有很強的水深適應(yīng)性和經(jīng)濟性， 具有廣闊的國內(nèi)應(yīng)用前景。為了確保施工過程中管道的安全，本文還進行了 復(fù)合式拖航和安裝階段管道的力學(xué)分析。本文所做的主要工作包括： 1 對集束管道復(fù)合式拖航進行施工方案設(shè)計，具體包括管道下水、拖 航和安裝三個階段。其中，拖航階段根據(jù)不同的海洋環(huán)境和水深先后采用了 浮拖、c d t m 和離底拖。 2 針對集束管道提出了一種簡單的等效建模方法，并利用a b a q u s 軟件 驗證了此方法準(zhǔn)確性。 3 i 進行集束管道在近海浮拖時的共振分析，得出了直徑和徑一厚比對共 振波浪周期的影響。利用非線性有限元和懸鏈線理論對c d t m 拖航主要施工 參數(shù)進行敏感性分析。進行集束管道在停泊水域和離底拖時的水下穩(wěn)定性分 析。 4 對安裝階段集束管道進行了力學(xué)分析，結(jié)果表明：單吊點對接時， 管道強度不滿足要求，需設(shè)置多個吊點；充水下沉和挖溝階段管道強度滿足 要求。 關(guān)鍵詞：集束管道；復(fù)合式拖航：管道安裝 哈爾濱工程大學(xué)碩七學(xué)位論文 a b s t r a c t p i p e l i n et o wm e t h o d s ，w h i c hh a v eb e e np r o v e de c o n o m i c a l l ye f f i c i e n tf o r m a r g i n a lo i l f i e l dd e v e l o p m e n t ，a r ew i d e l yu s e di nn o r t hs e a h o w e v e r , m o s t s u b m a r i n ep i p e l i n e sa l es t i l li n s t a l l e db yu s i n gl a y b a r g ei nc h i n a , e x c e p tf o ra f e ws h o r to n e si n s t a l l e db yu s i n gs u r f a c et o wo rb o t t o mt o wi ns h a l l o ws e a i n v i e wo ft h i s ，ac o m b i n e dt o wm e t h o dh a sb e e nd e s i g n e db a s e do no v e r s e a sc a s e s a n dl a t e s td e v e l o p m e n to fp i p e l i n et o wm e t h o d s t h i sm e t h o dc a l ln o to n l yb e c a r r i e do u ti nal a r g er a n g eo fw a t e rd e p t h s ，b u ta l s o 咧o ya l le c o n o m i c a l a d v a n t a g ei nc h i n e s eo f f s h o r ep i p e l i n ei n s t a l l a t i o n p i p e l i n es t r e n g t hh a sb e e n i n v e s t i g a t e dt om a i n t a i np i p e l i n es a f e t yd u r i n gt o w a n di n f i e l di n s t a l l a t i o np h a s e s m a i nc o n t e n t sa l ea sf o l l o w s ： 1 p i p e l i n eb u n d l ei n s t a l l a t i o nb yu s i n gc o m b i n e dt o wm e t h o dh a sb e e n d e s i g n e d ，w h i c hi sd i v i d e di n t ot h r e ep h a s e s ：l a u n c h ，t o wa n di n f i e l di n s t a l l a t i o n p i p e l i n et o wi sf i n i s h e db yu s i n gt h r e et o wm e t h o d ss u c c e s s i v e l y ：s u r f a c et o w ； c o n t r o ld e p t ht o wm e t h o d ( c d t m ) a n do f f - b o t t o mt o 、礪w h i c hm a k ei te a s yt o s a t i s f yd i f f e r e n to c e a ns i t u a t i o n sa n dw a t e rd e p t h s 2 a ne q u i v a l e n tp i p em o d e lh a sb e e np u tf o r w a r df o rp i p e l i n eb u n d l ea n d p i p e - i i l 呻i p e ，i t se f f i c i e n c yi sp r o v e db yu s i n ga b a q u ss o f h e c a r e 3 r e s o n a n c ea n a l y s i sh a sb e e nm a d et os u r f a c et o w e dp i p e l i n eb u n d l e ，t h e i n f l u e n c eo fw a l lt l l i c k n e s sa n dr a t i oo fw a l lt h i c k n e s st or a d i u so nt h er e s o n a n c e w a v ep e r i o dh a sb e e ni n v e s t i g a t e d s e n s i t i v ea n a l y s i so fm a i nc d t mp a r a m e t e r s h a sb e e nd o n eb yu s i l 培n o n l i n e a rf e ma n dc a t e n a l yt h e o r y b u n d l eo n b o t t o m s t a b i l i t yi na n c h o rw a t e ra n dd u r i n go f f - b o t t o mt o w h a sb e e nc h e c k e d 4 s i m p l ed a v i tl i f ta n a l y s i so fb u n d l eh a sb e e nd o n e ，i ti sf o u n dt h a t p i p e l i n es t r e n g t hr e q u i r e m e n tc a nn o tb em e t ，m u l t i d a v i tl i f t i st h u sa d v i s e d f l o o d i n ga n dt r e n c h i n ga n a l y s i sf o u n dp i p e l i n es t r e n g t hm e e t sr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：p i p e l i n eb u n d l e ；c o m b i n e dt o wm e t h o d ；p i p e l i n ei n s t a l l a t i o n 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由 作者本人獨立完成的。有關(guān)觀點、方法、數(shù)據(jù)和文獻的引用已在 文中指出，并與參考文獻相對應(yīng)。除文中已注明引用的內(nèi)容外， 本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品成果。對 本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式 標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 作者( 簽字) ：諺罘 日期：冽年弓月7 日 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文授權(quán)使用聲明 本人完全了解學(xué)校保護知識產(chǎn)權(quán)的有關(guān)規(guī)定，即研究生在校 攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱工程大學(xué)。哈爾濱 工程大學(xué)有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件。 本人允許哈爾濱工程大學(xué)將論文的部分或全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫進行檢索，可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本 學(xué)位論文，可以公布論文的全部內(nèi)容。同時本人保證畢業(yè)后結(jié)合 學(xué)位論文研究課題再撰寫的論文一律注明作者第一署名單位為哈 爾濱工程大學(xué)。涉密學(xué)位論文待解密后適用本聲明。 本論文( q 在授予學(xué)位后即可口在授予學(xué)位1 2 個月后 口 解密后) 由哈爾濱工程大學(xué)送交有關(guān)部門進行保存、匯編等。 作者( 簽字) ：莒昊 日期： 2 卯? 年弓月7 日 導(dǎo)師( 簽字) ： 珈彳年弓月c ) 日 、猢磊 i 哈爾濱t 程大學(xué)碩七學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 課題的目的和意義 現(xiàn)如今國際油價的高漲極大地促進了邊際小油田的開發(fā)，而邊際油田的 開發(fā)與否，其所需的投資及經(jīng)濟效益是重要的考慮因素。在油田建設(shè)、開發(fā) 的工程總造價中，海底管道作為海洋油氣開發(fā)中必不可少的結(jié)構(gòu)占有相當(dāng)比 重，而海底管道的安裝又占有海底管道總造價的主要部分。這主要是因為： 一方面，海上安裝船隊的費用很昂貴，而且有時很難找到合適的安裝船隊； 另一方面，邊際油田內(nèi)部所需的管道往往都比較短，這對安裝提出了更高的 要求，也使得安裝費用更加昂貴。我國現(xiàn)有海底管道的鋪設(shè)施工，主要采用 鋪管船鋪管，這種方法需要有一系列機具與船舶配合，如用于拖帶、運輸、 測量、定位、交通聯(lián)絡(luò)、潛水等的工作船舶，工程費用較高。為了降低我國 邊際小油田的開發(fā)成本( 主要是海底管道建設(shè)、安裝成本) ，促進我國海洋 石油事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，本論文將研究一種技術(shù)可行、安全保證、經(jīng)濟有效的 海底管道建設(shè)、安裝新方案。 本論文所采用的集束管道技術(shù)，不但可以提高海底管道的安全性及可靠 性，降低海底管線的總工程投資( 包括鋪設(shè)費用) ，而且特別適合采用拖航 法進行海上安裝作業(yè)。本論文研究的集束管道拖航技術(shù)是指通過拖船拖帶將 集束管道運輸至預(yù)定海域，該技術(shù)不需專用鋪管船，而使用租金便宜的拖輪， 這大大降低了海上安裝的工期和費用。本論文提出的集束管道復(fù)合式拖航新 方案整合了各種拖航方法的優(yōu)勢，極大地擴大了管道拖航適應(yīng)水深和海洋環(huán) 境范圍。另外，本論文還介紹了國外最新管道拖航方法懸鏈?zhǔn)酵瞎芊?，運 用此拖管法可以完成水深2 0 0 0 米以內(nèi)的深水海底管道安裝，從而為解決深水 海底管道安裝這一一直以來困惱海洋工程界的難點問題提供了一種新的解決 方法。海底管道拖航工藝技術(shù)復(fù)雜、風(fēng)險高，在拖航過程中海底管道會受到 風(fēng)、波浪及海流的作用，為確保拖航過程的安全及經(jīng)濟，分析拖航過程中管 道的強度并設(shè)計合理的拖航方案極其重要。目前，國內(nèi)對鋪管船鋪設(shè)過程中 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 管道的狀態(tài)已有較成熟的研究，但對拖航過程中海底管道的研究則甚少。由 于集束管道技術(shù)是國外擁有發(fā)明專利的技術(shù)1 心【3 】，國內(nèi)尚沒有相關(guān)研究。綜 上所述，本論文所進行的集柬管道拖航安裝設(shè)計與分析為解決邊際油田開發(fā) 以及海底管道安裝提供了一種全新的、既經(jīng)濟又可行的新方案，對于提高國 內(nèi)海底管道安裝技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實意義。 1 2 集束管道技術(shù) 1 2 1 集束管道定義 集束管道系統(tǒng)由運送管、護套管、加熱管、輸油管線以及輔助部件組成， 目的是通過集柬的方式實現(xiàn)海洋石油生產(chǎn)所需輸送要求。 管束系統(tǒng)分為兩類：一類稱之為開放式，如圖1 1 a 所示，是將單獨的管 線( 含電纜) 用卡( 夾) 具或繩索固定成一體。海上安裝時，視需要可能配 置運送浮筒。這種形式制造相對簡單，但管線容易遭到破壞。另一種稱為封 閉式，如圖1 1 b 所示。封閉式管束是將諸多的出油管線、注水管線、加熱管 線和電纜等匯集在一根大口徑的運送管內(nèi)，該運送管對內(nèi)置的眾管線形成機 械和腐蝕保護。這種類別的管束，盡管制造復(fù)雜，但優(yōu)點更突出，故應(yīng)用較 多，技術(shù)發(fā)展也更快 4 】。本論文主要針對封閉式管束系統(tǒng)。 圖l1 a 開放式集束管道實例圖1 1 b 封閉式集束管道實例 12 2 集束管道技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展 集束管道技術(shù)在世界上的應(yīng)用己超過2 0 年，應(yīng)用晟多的是在北海和墨西 2 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 哥灣。1 9 8 0 年在北海設(shè)計安裝了第一個集束管道系統(tǒng)，其海上安裝采用控制 深度拖管法( c d t m ) ，運送管( c a r r i e rp i p e ) 夕b 徑為1 2 7 5 英寸，總長度為8 0 0 米。 隨后，在北海和墨西哥灣以及世界各地設(shè)計和安裝了許多不同尺度的集束管 道系統(tǒng)，其復(fù)雜度、總長度和內(nèi)置管線( 含電纜) 數(shù)量以及水深都迅速增大， 到目前己超過1 0 0 個。在2 0 0 0 年設(shè)計安裝的最大尺度集束管道，其運送管外徑 達到5 0 英寸，總長度達到1 4 千米1 4 】。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于淺水平臺間的短 距離油氣輸送、注水、及動力或控制電纜，但隨著全世界深水油氣田的開發(fā)， 集束管道技術(shù)也開始應(yīng)用于深水，如在水深1 4 0 0 米的西非z o m b a 油田就 采用了集束管道技術(shù)。國外主要有三家公司從事集束管道工程：b r o w n & r o o t e n e r g ys e r v i e e s ( r o c k w a t e r ) 、r jb r o w n 以及s m i t hl a n dm a r i n e 。 1 2 3 集束管道技術(shù)特有優(yōu)勢 目前，國外對集束管道技術(shù)開展的研究比較多，相關(guān)的專利申請不少1 】【2 1 3 1 ，集束管道技術(shù)在國外( 特別是北海) 也得到了很廣泛的應(yīng)用。相對于普 通海底管道，集束管道主要具有以下特有優(yōu)判4 】【5 】： 1 集束管道技術(shù)的最大優(yōu)勢是海上施工不需要租金昂貴的鋪管船和大 型浮吊，數(shù)根管道和電纜能夠一次性拖航就位，從而最大限度地降低海上施 工作業(yè)費用及作業(yè)時間。 2 集束管道具有優(yōu)異的保溫性能，可以滿足深水開發(fā)的要求。集束管道 的外部運送管能夠給內(nèi)部的油、氣、水管線提供良好的熱絕緣，另外，運送 管內(nèi)部還可以填充保溫材料。國外專利【6 】還提出了通過在集束管道內(nèi)部布置 加熱管線來提高其保溫性能的新方法。 3 集束管道由于其自身特點非常適合采用拖航法進行安裝。而相對于常 用的鋪管船法，拖航法安裝海底管道具有經(jīng)濟、安全的特點。另外，拖管法 還擁有適應(yīng)水深范圍大( 復(fù)合式拖管法) ，能進行深水海底管道安裝( 懸鏈 式拖管法) 等優(yōu)勢。 4 集束管道可以在岸上預(yù)制，焊接質(zhì)量高，成本也比在海上連接低很多。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 我國近海海上油田生產(chǎn)的原油多具有高黏、高凝、高蠟特性，在高壓、 低溫的情況下容易在管道內(nèi)形成結(jié)蠟，這給石油生產(chǎn)帶來很多麻煩。另外， 國內(nèi)現(xiàn)有油、氣、水海底管線和電纜都是分別制造、施工、安裝，所需費用 比較高。集束管道由于具有良好的保溫性能，同時還能通過多根管道、電纜 一起安裝來減少安裝費用等優(yōu)勢，相信其在我國海上油田( 尤其是邊際油田) 的開發(fā)中將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。 1 3 海底管道安裝方法 常用的海底管道安裝方法包括：鋪管船法、卷筒法和拖管法。 1 3 1 鋪管船法 s 型鋪管法是目前鋪設(shè)海底管道最為常用的方法。這種方法一般需要安排 一艘或者多艘起拋錨拖輪來支持鋪管作業(yè)。在開始作業(yè)前，需要將一個錨定 位在海床上，然后將錨纜引過托管架并系到第一根管子的端部。管道在托管 架的支撐下，自然地彎曲成s 型曲線 7 1 。 j 型鋪管法是從2 0 世紀(jì)8 0 年代以來為了適應(yīng)鋪管水深的不斷增加而發(fā)展 起來的一種鋪管船法。這種鋪管法實質(zhì)上是張力鋪管法中的一種，在鋪設(shè)過 程中借助于調(diào)節(jié)托管架的傾角和管道承受的張力來改善管道的受力狀態(tài)，達 到安全作業(yè)的目的【7 1 。 1 3 2 卷筒法 卷筒式鋪管法是2 0 世紀(jì)末開始發(fā)展起來的一種新型的鋪管方法，這種鋪 管方法先將管道在陸地預(yù)制場地上接長，然后卷在專用滾筒上，最后送到海 上進行鋪設(shè)施工【7 1 。 1 3 3 拖管法 拖管法又可分為以下幾種方法：浮拖法( s u r f a c et o w ) 、水面下拖法( b e l o w s u r f a c et o w ) 、離底拖法( o f f - b o t t o mt o w ) 、底拖法( b o t t o mt o w ) 、控制深度拖法 ( c d t m ) 以及復(fù)合式拖法( c o m b i n e dt o w ) 。 4 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 底拖法：管道緊貼著海底，由拖船通過拖纜將管道拖航前進，其需要 的拖力最大，但疲勞損傷最小。 圖12 底拖法示意圖 2 離底拖法：利用浮筒和壓載鏈將管道懸浮在距海床一定高度上，再由 拖輪拖航。這種方法適用于海底地形已知情況，需要的拖力很小，疲勞損傷 也較小。 圖1 3 離底拖法示意圖 3 浮拖法：管道漂浮在水面。首部由首拖輪通過拖纜拖航，尾部用尾拖 船通過拖纜控制管道在水中的搖擺。這種方法適用于海面平靜、風(fēng)浪較小的 海域，拖航速度較快，但波浪引起的管道疲勞損傷較大。 圖1 4 浮拖法示意圖 4 控制深度拖法：管道被控制在水面以下一定深度懸浮著，由水面拖輪 牽引。拖航時水對壓載鏈的拖曳力產(chǎn)生一種升力，減小了管道水下重量。拖 速越大，拖纜與垂直方向夾角也越大。這種方法在國外應(yīng)用最多，研究也最 廣泛。 芝 一一 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 。墨爭、，盛，。妊r 7 圖1 5 控制深度拖法示意圖 5 水面下拖法：此方法與浮拖法相似，只是為了避免波浪對管道的影響， 利用浮簡將管道懸浮在距海面一定深度下。相對于浮拖法，此方法可使管道 的運動和疲勞損傷都大大減小。 ，嘏、_ 9 卜lf ，函 圖i6 水面下拖法示意圖 6 復(fù)合式拖法：復(fù)合式拖法是幾種拖航方法的組合，根據(jù)離海岸距離及 水深的不同，綜合采用多種拖管法，從而充分發(fā)揮各種拖管法的優(yōu)勢。文獻 【8 】所采用的復(fù)合式拖法為：從制造場地到近海遮蔽水域采用離底拖法，從近 海遮蔽水域到解脫浮筒的臨時停泊處用控制深度拖法，最后采用懸鏈?zhǔn)酵戏?完成在深水的拖航。文獻 9 】所采用的復(fù)合式拖法為：從制造場地到近海遮蔽 水域采用浮拖法，從近海遮蔽水域到解脫浮筒的臨時停泊處用控制深度拖法， 最后采用離底拖法完成在油田內(nèi)部的拖航。 選擇拖管方法時的主要考慮因素有：管道負(fù)浮力大小、管道長度、拖航 水深、海床及海洋環(huán)境等。 1 3 4 拖管法優(yōu)勢 相對于常用的鋪管船法，拖航安裝海底管道具有以下明顯優(yōu)勢： l 拖管法由于不需要鋪管船等專用設(shè)各，費用較低。在北海，使用拖管 法安裝海底管道的費用約比使用鋪管船法少一半【l 川。 2 拖管法可分為好幾種，這使其適應(yīng)水深范圍很大，最新發(fā)明的懸鏈?zhǔn)?拖法還能完成深水海底管道的安裝。 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 3 油田內(nèi)部往往存在各種管線和其它設(shè)施，從而限制了鋪管船錨泊系統(tǒng) 的使用。 4 集束管道一般直徑很大，無法進行鋪管安裝，只能選用拖航安裝。 5 拖管法比較不受天氣條件的影響，并且拖航過程中管道應(yīng)力遠較鋪管 為低，約為鋪管船的1 3 1 0 】。 1 4 國內(nèi)及國外相關(guān)研究現(xiàn)狀 1 4 1 拖管的新方法及新工藝 s u b s e a 7 公司最新發(fā)明了一種深水海底管道拖航方法一懸鏈?zhǔn)酵戏?( e a t e n a r yt o w ) ，并為此申請了專利。該方法是c d t m 的改進，相比于c d t m ， 其要求的拖纜很短，管道基本上直接與拖船相連。深水海底管道由于需要抵 抗外部靜水壓力，其壁厚很厚，這使其水下重量很大，而依靠現(xiàn)有技術(shù)卻很 難制造出能抵抗深水靜水壓力的浮筒。懸鏈?zhǔn)酵戏榱诉m應(yīng)深水環(huán)境，設(shè)計 為不需要浮筒提供浮力，使管道在水下重力作用下在兩拖船之間呈懸鏈線狀。 懸鏈?zhǔn)酵戏ú贿m合進行淺水拖航，因為淺水時需要很大的拖船張力使管道保 持在海床面以上【8 】。 a c e r g y 公司最近也發(fā)明了一種最新的海底管道拖航方法一波浪形拖管法 ( w a v ec o n f i g u r a t i o n t o w ) ，并為此申請了專利。該方法通過在管道中部使用拖 船提升管道或通過控制浮筒的配置使管道上間隔形成正、負(fù)浮力段，從而使 管道在水面下呈波浪形狀。此方法的適用水深范圍較大，另外，由于沒有張 力作用，管線呈波浪狀，其最大拖管長度可達1 0 千米【1 1 1 。 法國天然氣公司申請了一種稱為r a t ( r e m o r q u a g e 拖、a b o u t a g e 連接、 t e n s i o n 張力) 的管道安裝方法專利。該方法是一種綜合方法，用一條鋪管駁將 管子鋪設(shè)到海床，而用浮拖法或水面下拖法將長段管子供應(yīng)給鋪管駁。該方 法還采用浮力可變的浮筒替代常規(guī)鋪管駁上的托管架及張力器來支承管道并 使其沉到海床。這種方法可使海上工作量減為最小，而且也可減小鋪管船的 尺寸和復(fù)雜程度【1 2 】。 7 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 深水拖管的一個重要方面是浮力裝置的設(shè)計和回收。為了能在不增加壁 厚的條件下避免浮筒在靜水壓力作用下的壓潰破壞，s u b s e a 7 公司發(fā)明了一種 新型浮筒，其內(nèi)部可以充滿氮氣來抵抗外部靜水壓力，從而避免壓潰破壞， 并可采用水下機器人( r o v ) 進行浮筒的回收【8 】。 1 4 2 拖航管道的靜力分析 目前，國內(nèi)針對拖航管道進行過一些較為初步的靜力分析，但存在過于 簡化以及與實際狀況相差較大等問題。彭興黔、白鵬飛利用有限元法求解了 控制深度拖法管線的三維大撓度靜態(tài)問題，得到了拖航速度、張力對管線撓 度和彎距的影響【1 3 1 。該論文沒有考慮到海流對壓載鏈的升力與曳力作用，與 實際不太相符，同時也沒有針對拖纜進行分析。梁政提出了一個浮拖時管道 所受浮筒力的計算公式，并采用加權(quán)殘值法求解管道浮拖時的非線性微分一 積分方程【1 4 】。該論文所提出的浮簡力計算公式?jīng)]能考慮自由表面帶來的浮筒 浮力變化，同時還忽略了管道所受的波、流力，這些都對結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來 很大影響。李金成進行了海底管道底拖、浮拖和離底拖的施工分析【l5 1 。該論 文對于底拖，只進行了牽引力計算；對于浮拖，該論文沒有考慮到自由表面 帶來的浮筒浮力變化，也沒有考慮波浪相位角變化而將波浪力視為沿管道長 度方向均布，同時也沒有考慮到拖航速度的影響，這些都使得結(jié)果不夠準(zhǔn)確； 對于離底拖，該論文沒有考慮海流對壓載鏈的曳力與升力作用，也沒有進行 管道離底拖時的穩(wěn)定性計算。該論文將離底拖時壓載鏈所受摩擦力考慮為管 軸法向與切向兩個方向，事實上，壓載鏈所受摩擦力方向應(yīng)為與拖航速度方 向相反。 國外針對拖航管道進行的靜力分析較少，更多的是進行拖航管道的動力 與疲勞分析。v s l l o t 矛s 用o r c a f l e x 軟件對采用波浪形拖管法的管道進行了數(shù)值 模擬，并對關(guān)鍵施工參數(shù)進行了敏感性分析【l 。y o u n gs i kj a n g 提出了管道在 控制深度拖時的改進靜力平衡方程，其通過采用加強懸鏈線理論得到管道初 始形態(tài)來改善非線性分析時的收斂性，同時采用了一種改進的直接迭代方法 8 哈爾濱t 程大學(xué)碩士學(xué)位論文 來考慮管道變形后所受到的海流力【l6 j 。 1 4 3 拖航管道的動力及疲勞分析 在最近的一次拖航中，s u b s e a 7 公司的集束管道發(fā)生了”h o c k e y s t i c k ”扭 曲，帶來了幾百萬英鎊的損失，促使人們更多地研究管道在拖航過程中的動 力問題。 m e n d e sp l f l l 較了拖船與管道耦合和非耦合兩種情況下，不同周期波 浪對控制深度拖管道動應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：拖船運動對管道的影響很小 【1 7 】。x i a oq i n gl i u 研究了大尺度浮拖管道在規(guī)則波和不規(guī)則波作用下的動力響 應(yīng)，結(jié)果表明：當(dāng)波浪周期很大時，二階漂移力有可能引起管道的共振【l 引。 g a r r e t t ，d l 采用時域動力模型研究了浮拖和近表面拖管道在規(guī)則波和不 規(guī)則波作用下的動態(tài)響應(yīng)和共振問題，同時還研究了富裕浮力大小對管道動 態(tài)特性的影響。結(jié)果表明：浮拖時，自由表面引起的浮力變化將抑制管道的 動力放大，因此，浮拖管道動態(tài)響應(yīng)比近表面拖管道動態(tài)響應(yīng)小【1 9 】。l a n g l e y ， r s 線性化波浪力后對拖航管道進行了頻域內(nèi)的隨機動力分析【2 0 1 。a l b e r t u s d e r c k s e n 利用集中質(zhì)量法對c d t m 拖管道進行了時域動力分析，并模擬了前、 后拖纜斷裂時管道形態(tài)的動態(tài)變化【2 l j 。 i c ：s m i t l l a 研究了立管拖航安裝全過程的動力響應(yīng)問題，結(jié)果表明：對 于接近立管固有周期的低波峰長破碎波，采用水面下拖航方法時，管道上會 產(chǎn)生很高的動應(yīng)力。其還分別對規(guī)則波和不規(guī)則波作用下的拖航立管進行了 動力分析，并比較了采用瑞利分布法和雨流計數(shù)法得到的立管拖航疲勞損傷 【2 2 】 o a l fr o g e rh e l l e s t o 研究了離底拖和懸鏈?zhǔn)酵辖M合時，不同方向和周期波 浪對管道動態(tài)和疲勞的影響，結(jié)果表明：當(dāng)浪向為4 5 0 時管道的動應(yīng)力和疲勞 損傷最大嗍。i c p d ac r u z 研究了管道在拖航過程中的波浪疲勞和v i v 疲勞， 結(jié)果表明：采用懸鏈?zhǔn)酵虾綍r，如果張力較小，v i v 疲勞將較大【2 3 】。r d i s i l v e s t r o 研究了不同波浪周期、浪向、張力以及拖航速度對浮拖管道疲勞損傷 9 哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文 的影響，并比較了極端海況下采用水面下拖航、翹起式拖航( s t a n d b yt o w ) 和 浮拖三種拖航方法時的疲勞損傷【2 鍆。 1 4 4 管道的拖航實驗 總體而言，管道拖航的實驗分析非常有限，很多管道拖航問題尚有待通 過實驗的方法來證明和解決。t a t s u t a 和k i m u r a 對采用水面下拖法管道進行了3 種模型實驗。第一個是小剛度管道，管道上附有浮體。第二個是大剛度管道， 管道上附有浮體。第三個是大剛度管道，但上面沒有浮體。在他們的實驗中， 波浪為沿管道軸向，不考慮拖航速度。結(jié)果表明：大剛度管道的響應(yīng)與波高 呈線形，而小剛度管道的響應(yīng)與波高呈非線形。1 9 7 5 年，法國的p i p ea c i e r p r o f o u d 公司在北海對浮拖和近表面拖管道進行了實測試驗，目的是驗證 在波高4 米、拖速為6 節(jié)的極端條件下管道拖航的可行性，并將所得到的彎矩、 加速度和拖力數(shù)據(jù)與計算值進行了比較】。馬良等對海底管道牽引鋪設(shè)過程 中的管壁與基土間的摩擦阻力進行了試驗研究，確定了三種典型土的摩擦阻 力系數(shù)，并得到了摩阻力的計算公式【2 5 1 。 1 4 5 國內(nèi)拖管技術(shù)應(yīng)用及存在問題 1 9 8 5 年，在渤海埕北油田，由日本新日鐵公司( n s c ) 和我國渤海石油 公司( b o c ) 合作，采用浮拖法成功地鋪設(shè)了一條1 6 千米的海底管線【l3 1 。勝 利油建公司至今已進行過很多次的管道浮拖與底拖施工，浮拖法由于很適合 于埕島海域水文和氣象特點，是目前埕島油田海底管道工程建設(shè)中的主要施 工方法【2 6 1 。國內(nèi)另一主要海工施工單位曾擬采用浮拖法進行4 0 0 米長海底管 道鋪設(shè)，后因技術(shù)不成熟、風(fēng)險大而放棄。 勝利油建公司申報的“淺海油田海底管道浮拖法施工工法”獲得 2 0 0 1 2 0 0 2 年度國家級工法( y j g f 7 0 2 0 0 2 ) ，但其只適用于水深在1 1 8 米，距 預(yù)制現(xiàn)場小于3 0 海里的勝利埕島油田海域。從中也可看出，國內(nèi)目前拖航管 道長度較短，且僅限于在灘海水域進行。另外，目前國內(nèi)針對拖航管道開展 的相關(guān)分析研究較少，尚不足以指導(dǎo)遠距離、大長度管道的拖航。此外，除 1 0 哈爾濱t 程大學(xué)碩士學(xué)位論文 浮拖和底拖外國內(nèi)尚無其它拖管法應(yīng)用實例。 2 0 0 6 年度國家8 6 3 申報項目中包括有“深海管道安裝施工技術(shù)”，雖然其中 提到“優(yōu)先提出2 0 0 0 米水深條件下j 型鋪管法和s 型鋪管法施工工藝指南”，但 是有理由相信通過針對集束管道拖航技術(shù)開展深入研究，將來利用拖管法完 全可以實現(xiàn)在2 0 0 0 米水深條件下安裝海底管道。 綜上所述，開展對大長度、深水拖管法管道的分析與研究，對我國海底 管道施工具有重要意義，也非常必要。 1 5 本文的主要研究內(nèi)容 目前國內(nèi)針對集束管道以及拖管技術(shù)的相關(guān)研究很少，已有的也做了較 多簡化。鑒于此，本文將開展對集束管道拖航安裝的設(shè)計與分析，主要內(nèi)容 如下： 1 介紹集束管道技術(shù)以及拖管技術(shù)的最新進展，綜述有關(guān)拖航管道的主 要研究方向。 2 進行集束管道復(fù)合式拖航施工方案設(shè)計，并對集束管道進行等效簡 化。 。 3 對浮拖管道進行共振分析，研究不同波浪周期、浪向?qū)Ω⊥瞎艿拦舱?的影響。 4 對控制深度拖管法( c d t m ) 管道進行力學(xué)分析，并對主要施工參數(shù)進 行敏感性分析。 5 對離底拖管道進行水下穩(wěn)定性分析。 6 對提吊對接、充水下沉及挖溝埋設(shè)階段管道進行力學(xué)分析。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章集束管道復(fù)合式拖航方案設(shè)計 國外介紹管道拖航的相關(guān)文獻不少，但是涉及拖航施工方案設(shè)計的卻極 少，即使某些文獻中對拖航方案有所介紹，也非常簡單且不系統(tǒng)。國內(nèi)目前 的拖管技術(shù)應(yīng)用則僅限于灘海水域?；谝陨峡紤]，本章將主要按照d n v 規(guī) 范口刀( 以下簡稱規(guī)范) 關(guān)于管道拖航的相關(guān)規(guī)定進行集束管道復(fù)合式拖航方 案設(shè)計( 沒有進行規(guī)范要求的應(yīng)急預(yù)案編制) ，方案當(dāng)中較多地參考了國內(nèi)、 外相關(guān)技術(shù)。 2 1 復(fù)合式拖航方案概述 本方案主要研究在水深2 0 0 米內(nèi)拖航安裝3 0 0 0 米長集束管道，拖航距離 從管道預(yù)制場地到管道安裝水域總共為8 9 0 k m 。本方案中，集束管道拖航安 裝分為下水、拖航及油田內(nèi)部安裝三個階段。管道的拖航方法有很多種，每 種拖管法都有其相應(yīng)的適應(yīng)水深、海床及海洋環(huán)境。為了充分發(fā)揮各種拖航 方法的優(yōu)勢，提高拖航安裝過程的經(jīng)濟性和安全性，本方案中管道拖航選用 復(fù)合式拖管法，即先后采用浮拖、c d t m 和離底拖。圖21 為復(fù)合式拖航方 案示意圖，具體拖航方案如下： 采用浮拖法將管道從預(yù)制場地拖至近海遮蔽水域，拖航距離為4 0 k m ，設(shè)計拖航速度為2 r r s 。 采用c d t m 完成管道在外海的拖航，拖航距離為8 0 0k m ，設(shè)計拖航 速度為2 1 n d s 。 采用離底拖法完成管道在油田內(nèi)部的拖航，并最終拖至安裝水域，拖 航距離為4 0 k m ，設(shè)計拖航速度為l m s 。 。、= 。4 。 圖2 1 復(fù)合式拖航方案示意圖 哈爾濱t 程大學(xué)碩士學(xué)位論文 表2 1 給出了復(fù)合式拖航各個拖航階段的水深和拖航距離。 表2 1 各拖航方法拖航距離和水深 拖航方法 水深( m )拖航距離( k m ) 浮拖 0 - 5 04 0 c d t m5 0 1 5 08 0 0 離底拖 1 0 0 1 5 04 0 匯總 0 1 5 08 8 0 2 2 集束管道下水設(shè)計 集束管道的制造和裝配一般在岸上完成，為了進行管道的拖航作業(yè)，需 要先進行管道的下水作業(yè)，即把管道從岸上預(yù)制場地拖拉至離海岸約幾千米 的一定水深處。本節(jié)將進行集束管道下水過程及相關(guān)準(zhǔn)備工作的設(shè)計。 2 2 1 集束管道預(yù)制 根據(jù)規(guī)范要求，管道安裝方案中須包括管道制造方案。集束管道的預(yù)制 可分為以下兩種：與海岸線垂直的垂直預(yù)制；與海岸線平行的平行預(yù)制。這 兩種預(yù)制方法各有優(yōu)缺點，最大的區(qū)別在于：垂直預(yù)制時，由于預(yù)制場地一 般較短，在下水時需要進行管段的對接以達到預(yù)定長度；平行預(yù)制時，管道 可以一次性制造完成，并且進行水壓試驗。管道垂直預(yù)制國內(nèi)采用得比較多， 考慮到本例集束管道比較長，很難找到合適的垂直預(yù)制場地，本方案中集束 管道預(yù)制采用平行預(yù)制。 集束管道制造時，一般是先完成外部運送管和內(nèi)部各管的制造，能后對 各管進行總體集束。集束管道制造技術(shù)較為復(fù)雜，這主要體現(xiàn)在各管的總體 集束上。根據(jù)國外相關(guān)介紹，集束管道總體集束的具體步驟如下 6 1 2 8 】： 將焊接好的完整運送管放在支撐座上，用楔子墊來防止滑動 將分段建造好的油氣管、注水管及電纜用間隔塊按照設(shè)計好的間隔捆 綁在一起，然后放在支撐座上 啥爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 將安裝拖線用清管器從輸送管的另外一端發(fā)送過來 將安裝拖線連接到綁好的內(nèi)管拖耳上，然后開始拖拉內(nèi)管，由于每個 間隔塊上都設(shè)有兩個滾輪，因此內(nèi)管在運送管內(nèi)部運動時的阻力較小 當(dāng)拖拉的內(nèi)管到位后，進行隔艙壁的焊接連接 在集束管道的兩端安裝拖頭 在首拖頭上焊接拖航使用的小拖頭 對匯總完畢的集束管道系統(tǒng)進行晟后的水壓試驗 - 對集束管道進行最后的檢查，準(zhǔn)備下水 圖2 2 a 集束管道平行預(yù)制圖圖2 2 b 集柬管道垂直預(yù)制圖 2 2 2 集束管道下水準(zhǔn)備 規(guī)范規(guī)定：管道拖航方案須包括拖航船舶以及其它拖航必需設(shè)備的清單。 這里根據(jù)集束管道復(fù)合式拖航的實際需要，確定本方案所需主要設(shè)備如下： 吊管機4 5 臺，用于管道下水 絞車2 臺，用于管道下水 索具及拖纜 5 3 0 0 h p ( 根據(jù)4 2 22 節(jié)計算得到) 首部主拖輪1 條 2 6 0 0 h p ( 根據(jù)432 節(jié)計算得到) 尾部輔助拖輪1 條 8 0 0 h p i 作船( 根據(jù)規(guī)范規(guī)定用來防止第三方船舶干擾) i 條 g p s 定位系統(tǒng) 哈爾濱丁程大學(xué)碩十學(xué)位論文 按照規(guī)范要求，本方案將集束管道下水作業(yè)的環(huán)境要求定為：風(fēng)力不大 于4 級，流速不超過lm s ，波高不大于3 米。 2 2 3 集束管道下水步驟 國內(nèi)管道預(yù)制一般都采用垂直預(yù)制，因此，管道下水時也都利用專門的 下水滑道進行垂直下水，這方面國內(nèi)應(yīng)用較多2 9 】【3 0 1 。本方案由于管道采用平 行預(yù)制，且預(yù)制場地離海岸線較短，管道下水可以采用無需下水滑道的平行 下水方法，平行下水的具體步驟如下【2 8 】： 將預(yù)制完畢的集束管道移下支撐座 用吊管機將集束管道移動到下水線位置 將首拖輪的拖纜連接到集束管道的拖頭上 用吊管機將集束管道移動到水中 拖輪開始拖動集束管道 從尾部絞盤車上釋放拖拉控制纜，集束管道在拖輪拖力作用下開始 偏轉(zhuǎn) 集束管道在拖力作用下繼續(xù)偏轉(zhuǎn) 直到集束管道偏轉(zhuǎn)成一條直線，開始最后檢查，準(zhǔn)備拖航，下水完 畢 規(guī)范關(guān)于管道下水的相關(guān)規(guī)定有：須注意管道下水時的應(yīng)力，保證管道 保溫層和防腐層不受磨損。規(guī)范還特別規(guī)定：如果管道需要在水中長時間等 候拖航的話，須注意附著海洋生物對管道水下重量的影響。整個下水過程中， 管道的最小轉(zhuǎn)彎半徑為2 5 3 米，由公式( 2 1 ) 確定。如果由于未知的原因， 首拖輪無法拖動集束管道進行下水，可以等到高潮位時，集束管道部分浸沒 于海水中，再進行下水作業(yè)。 。器 ( 2 - 1 ) 2 1 e 11 0 8 6 4 2 3 5 8 e 6 = 2 5 3 ( m ) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 3 a 集束管道垂直下水圖圖2 3 b 集束管道平行下水圖 2 3 集束管道拖航設(shè)計 集束管道下水結(jié)束后，進行最后的拖航檢查，在獲得船級社的批準(zhǔn)拖航 證書后即可開始拖航。本節(jié)將進行集束管道復(fù)合式拖航的施工方案設(shè)計。 2 3 1 拖航準(zhǔn)備及浮力調(diào)整 進行管道拖航前，按照規(guī)范要求須進行拖航路由調(diào)查，并據(jù)此設(shè)計拖航 路線。規(guī)范規(guī)定選擇海上拖航路線時的主要考慮因素有： 盡量避免拖航路線中存在油氣生產(chǎn)設(shè)施 最大限度地避免商用船舶航線及捕魚作業(yè)區(qū) 在拖航路由中的轉(zhuǎn)彎處應(yīng)保持足夠大的轉(zhuǎn)彎半徑 提供必要的油田朝向角度以利于集束管道的最后定位 保證集束管道不接觸已建管線 集束管道拖航前還須進行相關(guān)準(zhǔn)備工作，主要包括： 在拖頭和浮筒內(nèi)充滿高壓氮氣 將拖纜連接到拖頭上，回收尾拖頭上的絞車?yán)|，在首、尾拖頭上施加 預(yù)張力以防止管道在海流作用下產(chǎn)生過大變形 檢查管道上的水下定位系統(tǒng)、水下監(jiān)控系統(tǒng) 檢查管道的拖頭、閥門、結(jié)構(gòu)完整性 調(diào)整首、尾拖纜長度 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 由4 2 2 3 節(jié)計算可知，集束管道的水下負(fù)浮力對c d t m 拖航時的管道撓 度有重要影響，每5 n m 的水下負(fù)浮力變化將引起管道最大撓度約1 0 米的變 化。此外，管道水下負(fù)浮力還對集束管道應(yīng)力、水下形態(tài)以及拖船拖力都有 重要影響。因此，為確保集束管道的負(fù)浮力在一定合適范圍內(nèi)，這里將按照 規(guī)范要求在管道下水完成后進行負(fù)浮力校核。本方案規(guī)定管道水下負(fù)浮力須 在5 1 6 w ：。b l l l 6 1 6 范圍內(nèi)，如果管道水下負(fù)浮力不在此范圍內(nèi)，須進行完 水下負(fù)浮力調(diào)整后才能開始拖航。水下負(fù)浮力調(diào)整通過增加或移除整條壓載 鏈來實現(xiàn)。 2 3 2 管道在近海的浮拖 浮拖法工藝簡單、拖航速度較大，但對海上氣象、風(fēng)浪等條件依賴性高， 容易因環(huán)境原因中斷作業(yè)造成較大損失。基于此，本方案選擇在風(fēng)浪較小的 近海水域采用浮拖。整個浮拖耗時約亂7 小時，平均拖航速度為1 5 2 0 m s ， 實際拖航速度取決于海況，最大拖航水深5 0 米。拖航過程中尾拖船保持最小 1 0 0k n 的張力，首拖船最大張力不超過1 0 0 0k n 。浮拖設(shè)計施工參數(shù)見表2 2 。 表2 2 浮拖設(shè)計施工參數(shù) 首拖船拖力首拖纜長度尾拖船拖力尾拖纜長度拖航速度 7 0 0 k n5 0 m 2 0 0 k n5 0 m 2 0 m s 當(dāng)管道浮拖至預(yù)定海域后，進行浮筒的解脫。當(dāng)所有浮筒都解脫后，首、 尾拖船放纜，管道下沉，直到拖頭下降到水下3 0 米深處。此時，浮拖結(jié)束， 接下來將進行c d t m 拖航。 2 3 3 管道在外海的c d t m 拖航 c d t m 拖航速度快，通過調(diào)整施工參數(shù)能使管道在海床面以上保持任意 需要的高度，從而能適應(yīng)不同的水深和海洋環(huán)境。基于以上考慮，本方案在 拖航距離占整個拖航距離大多數(shù)的外海選擇采用c d t m 拖航。規(guī)范關(guān)于 c d t m 拖航的規(guī)定有：拖纜張力和管道所處水深須保持在限度內(nèi)，當(dāng)不滿足 要求時須通過添加或移除壓載鏈來調(diào)整。 1 7 哈爾濱t 程大學(xué)碩士學(xué)位論文 c d t m 拖航施工的關(guān)鍵是：根據(jù)水深、海床形態(tài)和海況適時調(diào)整拖航參 數(shù)( 拖速、拖纜長度和尾拖船張力) ，使首、尾拖頭和管道中部都保持在合 適的水下深度。為了保證在c d t m 拖航時，首、尾拖頭至少在水下2 0 米， 管道離海床至少有2 0 米的凈空，拖航路線上的水深要求為不小于5 0 米。如 果在拖航過程中發(fā)現(xiàn)管道將要上浮至水面，應(yīng)每隔2 分鐘減小2 3 噸的首拖 船拖力，直到拖頭回到距水面3 0 米以下。如果管道中部低于水下8 0 米時， 應(yīng)每隔2 分鐘增加2 3 噸的首拖船拖力，直到管道中部保持在水下5 0 , - - 6 0 米。 為了防止管道上浮和過大撓度( 取為6 0 米) ，根據(jù)4 2 2 2 節(jié)分析結(jié)果，本 方案規(guī)定c d t m 拖航速度范圍為1 9 2 3 2 m s ，首拖船拖力范圍為 7 6 8 5 k n - 9 7 1 4k n 。由4 2 2 4 節(jié)計算可知，當(dāng)需要通過收、放纜改變拖頭水下 深度時，可以通過以下規(guī)律確定所需要的收、放纜長度：纜長每改變+ 1 0 米將 引起拖頭水下深度+ 3 - - - - & - _ 4 米的改變。由4 2 2 7 節(jié)計算可知，當(dāng)側(cè)向海流速度達 n o 3 m s 時，管道應(yīng)力將急劇增大，因此，本方案規(guī)定c d t m 拖航過程中側(cè) 向海流速度應(yīng)不大于0 2 m s 。當(dāng)側(cè)向海流速度超過0 2 m s 時，須改變拖航方向 為與海流速度方向相同。取平均拖航速度為2 0m s ，經(jīng)計算，整個c d t m 拖 航耗時約11 0 d , 時。表2 3 為由4 3 節(jié)計算結(jié)果得到的c d t m 拖航設(shè)計施工參數(shù)， 其中首、尾拖頭水深取為3 0 米。 表2 3c d t m 拖航設(shè)計施工參數(shù) 拖航速度 首拖船拖力首拖纜長度尾拖船拖力尾拖纜長度 管道最大 ( m s ) ( 1 洲) ( m )( k n )( m ) 撓度( m ) 1 97 6 8 54 4 83 0 04 0 96 1 3 2 o8 1 3 73 6 53 0 03 0 74 6 8 2 18 6 0 82 7 o3 0 02 0 73 2 4 2 29 0 9 81 5 83 0 01 0 81 7 6 1 8 啥爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 當(dāng)集束管道拖航至目的海域后，通過降低拖航速度和從拖船放纜的受控 方法將管道向下放置到海床。當(dāng)集柬管道的中部接觸到海床后首拖船放纜， 當(dāng)集束管道穩(wěn)定在距海床5 米左右時，所有拖船同時放纜，并將張力減到最小。 具體步驟如下1 9 1 ： 1 當(dāng)首拖船到達停泊水域后，開始減速 2 以l o 噸的步長減小首拖船拖力，以5 噸的步長增大尾拖船拖力 3 當(dāng)管道中部壓載鏈接觸海床時，從首、尾拖船放纜 4 管道穩(wěn)定并漂浮在海床5 巧米處時，減小拖船張力 5 讀取水下深度、靜水壓力和海床面流速等數(shù)據(jù) 6 為了增加管道在離底拖時的側(cè)向穩(wěn)定性，通過輔助船增加壓載鏈 此時管道呈離底式，集束管道準(zhǔn)備進行隨后的離底拖。 圖2 4 集束管道c d t m 拖示意圖 2 3 4 管道在油田內(nèi)部的離底拖 離底拖時，由于管道距離海床面很近，較容易實