海底輸油管線埕島油田懸空治理技術(shù)措施引言（1）根據(jù)目前埕島油田海底管線出現(xiàn)懸空的實(shí)際情況，對海管懸空形成機(jī)理進(jìn)行了分析，并對海管懸空治理的不同方案進(jìn)行了綜合評價，重點(diǎn)介紹了水下樁治理方案的制定和實(shí)施。埕島油田位于渤海灣南部的淺海海域，區(qū)域構(gòu)造位置位于埕寧隆起埕北凸起的東南端，是一個在潛山背景上發(fā)育起來的大型淺山披覆構(gòu)造。該區(qū)從1875年開始勘探，在先期資源評價、盆地分析模擬、區(qū)帶綜合評價的基礎(chǔ)上，于1988年鉆探了第1口控井——埕北12井，從而發(fā)現(xiàn)了埕島油田。截止目前，埕島油田已建成海底輸油管線54條，注水管線33條。海管懸空情況調(diào)查（2）目前，通過對61條海底管線的調(diào)查發(fā)現(xiàn)其中僅有5條管線未被沖刷懸空，僅占8％，管道懸空高度平均值為1.33m，最大值為2.5m。大于等于2m的有16根，占26％，大于等于1m的有48根，占79％，可見沖刷的普遍。從懸空長度來統(tǒng)計，平均懸空長度為15.1m，最大30m。大于等于20m的為22根，占36％；大于等于10m的有43根，占70％。如果按管道初始設(shè)計埋深為1.5考慮，則遭到最大沖深的管道從原海床面計算總計沖刷深度S＝e+D+h＝4.5m（其中e為埋深；D為管道直徑，近似取0.5m；h為沖刷后管道懸空高度）。這樣的沖刷深度對海底管道來說是少見的。除了管道處發(fā)生強(qiáng)烈沖刷以外，在采油平臺井場范圍內(nèi)也出現(xiàn)較嚴(yán)重的沖刷。海管懸空原因及模型試驗(yàn)（ 3）海底管線懸空原因造成場區(qū)內(nèi)平臺及管道周圍強(qiáng)烈沖刷的原因十分復(fù)雜，大致為以下幾方面：1.1建筑物存在形成的部沖刷這種沖刷形成的原因是由于建筑物的存在而在局部范圍內(nèi)發(fā)生強(qiáng)化的水流或高速旋轉(zhuǎn)的旋渦，這些水流或旋渦具有較高的沖刷（挾帶泥沙）能力，從而在局部范圍內(nèi)形成沖刷坑。沖刷坑范圍與深度往往與建筑物尺度有直接關(guān)系。1.2水平管道下面的沖刷放置在海床面上的管道沖刷開始于管道與海床面之間出現(xiàn)一水流隧道。對于部分埋置的管道來說，這種水流隧道可以因管道前后存在一定壓差形成管涌而發(fā)生。當(dāng)水流隧道形成后，管道前后的壓差使管道下的流速大于行近流速，從而引起管道下的沖刷。1.3海床侵蝕引起的大面積沖刷由于埕島油田特殊的海洋及海底地質(zhì)條件，本海區(qū)處于不穩(wěn)定的沖淤狀態(tài)，根據(jù)飛雁灘1976～2000年24年斷面測量，5m等深線平均蝕退距離達(dá)0.19km/a，海床蝕深12.6cm/a；10m等深線蝕退距離達(dá)0.10km/a，海床蝕深4.7cm/a。海床調(diào)整的沖淤平衡點(diǎn)大致在12m到15m水深處，在平衡點(diǎn)以上為侵蝕區(qū)，在平衡點(diǎn)以下為淤積區(qū)，這種剖面調(diào)整狀態(tài)目前尚未有轉(zhuǎn)緩的跡象。對于10m水深處，在海管設(shè)計壽命15年內(nèi)，海床整體沖刷深度可達(dá)0.7m。由于該原因引起的海管淘空體現(xiàn)在整條海底管線上。1.4海底不穩(wěn)定性引起的沖刷海底不穩(wěn)定性的表現(xiàn)是海底表層土壤在大浪作用下發(fā)生滑移坍塌，當(dāng)表層土為粉砂時，在暴風(fēng)浪作用下，土壤發(fā)生液化而使土壤抗剪強(qiáng)度降低，從而可能造成海床一定范圍內(nèi)的下降。1.5其它因素如立管支撐結(jié)構(gòu)的周期性振動，施工時由于受到設(shè)備、平臺位置等的限制，管道在平臺附近的埋深于小設(shè)計所要求的埋深等因素也是引起立管懸空的一個因素。沖刷物理模型試驗(yàn)實(shí)際上，立管底部的懸空高度是在以上因素的聯(lián)合作用下發(fā)生的，單從理論上很難確定出具體的數(shù)值，因此，根據(jù)埕島油田的條件及海管立管結(jié)構(gòu)我們進(jìn)行了沖刷物理模型試驗(yàn)。針對立管樁及平臺支撐條件分不同情況共進(jìn)行了17組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場探摸結(jié)果吻合；模型試驗(yàn)得出立管底部的懸空長度為10m，與現(xiàn)場探測情況存在較大的差別。原因分析及現(xiàn)場實(shí)測表明，立管底部的最大沖刷深度在3.0m基本達(dá)到不變，但懸空長度由于受多種條件的影響，將來如何變化，目前確定較為困難。因此，在針對輸油管線立管底懸空治理研究時，主要仍根據(jù)實(shí)測進(jìn)行。懸空治理方案分析（4）拋砂袋結(jié)合混凝土塊覆蓋1.1方案描述先在懸空管道及其周圍一定范圍內(nèi)（主要指立管周圍明顯的海底沖刷坑）拋填水泥砂漿袋，每個砂漿袋重約60kg。在拋填砂袋的過程中要由潛水員對砂袋進(jìn)行整理，保證懸空立管底部填滿砂袋。拋理砂袋完成后，再在管道上用混凝土覆蓋，混凝土覆蓋層可用小的混凝土預(yù)制塊串接成網(wǎng)狀，混凝土覆蓋層的密度初步確定為320kg/m2，這樣可提高覆蓋層抗沖刷的能力，又不至于對海底管道造成損壞。1.2方案優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是施工工藝及取材簡單，便于實(shí)施；不需要進(jìn)行防腐處理；可以在管線不停產(chǎn)的情況下實(shí)施，不影響生產(chǎn)；保護(hù)的范圍廣，對同一平臺周圍的海底管線均可產(chǎn)生保護(hù)。缺點(diǎn)是受不確定因素的影響較多，拋填的砂袋有進(jìn)一步被沖刷淘走的可能， 造成管道的再度懸嚓，因此，該方法的可*性不高；如果再次懸空，覆蓋的混凝土將對管道產(chǎn)生不利影響。撓性軟管跨接2.1方案描述將懸空立管拆除，根據(jù)目前沖刷后實(shí)際的海底現(xiàn)狀，重新設(shè)計及安裝立管。在立管與水平管之間跨接長度為60m的撓性軟管，撓性軟管的規(guī)格根據(jù)具體的海管規(guī)格確定。為提高其連接的可*性，撓性軟管與兩端鋼管仍采用水面以上的焊接方式，并在兩端設(shè)有撓性軟管保護(hù)結(jié)構(gòu)，用于海底輸油的撓性管道是由密封、保溫、加強(qiáng)等材料構(gòu)成的多層撓性管結(jié)構(gòu)。2.2方案優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是方案可*性高，由于軟管有撓性，在輔設(shè)時可隨地形的變化而變化，因此有很好的抵抗疲勞破壞的特性；立管結(jié)構(gòu)簡單，撓性軟管兼作海管的膨脹補(bǔ)償裝置；施工簡便，施工速度比常規(guī)立管要快許多倍；耐腐蝕，軟管系統(tǒng)可回收再利用。缺點(diǎn)是必須在管線停產(chǎn)的情況下方可實(shí)施；對于有的管線，如有海底注水管線或電纜壓在油管線上，則實(shí)施起來較為困難；海底輸油軟管比鋼質(zhì)管道有更強(qiáng)的“專營性”，世界上僅少數(shù)廠家設(shè)計和生產(chǎn)，因此用戶選擇的余地較小。水下支撐樁3.1方案描述為了防止水下管道懸空段在水流作用下產(chǎn)生的渦激振動，引起管線斷裂，在懸空段設(shè)置支承支架，以減小橫向和縱向振動幅度。根據(jù)縮短管道懸空長度的思路，該方案采用沿懸空管道設(shè)水下短樁支撐的方法。根據(jù)初步的分析及允許的懸空長度，對于不同管徑的海底管線采用不同樁徑的水下短樁，根據(jù)計算得出樁的入土深度。鋼管樁沿懸空管道兩側(cè)交替設(shè)置，間距根據(jù)第5節(jié)計算得到管道允許的懸空長度及實(shí)際的懸空長度確定，在詳細(xì)設(shè)計階段，該間距應(yīng)根據(jù)海底管道的疲勞分析、極端靜態(tài)及動態(tài)荷載分析結(jié)果確定。在每一鋼管樁*近海管附近位置，設(shè)有H型鋼懸臂梁，懸臂梁上設(shè)有2套Ф30高強(qiáng)U型螺栓將懸空的立管固定，從而實(shí)現(xiàn)減小立管懸空長度的目的。鋼管樁可采用打水下樁的方法實(shí)現(xiàn)。固定懸臂梁可在鋼管樁上預(yù)先焊接一管托，鋼管樁打完后，由潛水員現(xiàn)場測量管托與懸空立管的相對位置，確定要預(yù)制管卡的高度。再將根據(jù)實(shí)際測量尺寸預(yù)制一體的懸臂梁及管卡從鋼管樁頂套入或水下管卡固定支撐于管托止。最后再由潛水員用U型螺栓將懸空立管固定于懸臂梁上。鋼管樁的防腐可采用內(nèi)外涂層結(jié)合腐蝕余量的方法實(shí)施。在該方案研究時充分考慮了海上方便施工，采用懸臂梁及僅在海管一側(cè)設(shè)鋼管樁的支撐方法，施工精度要求相對不高，容易實(shí)施。3.2方案優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是施工相對簡單，便于實(shí)施；可以在管線不停產(chǎn)的情況下實(shí)施，不影響生產(chǎn)；該方案可*性較高，由于水下鋼管樁截面較小，對管道懸空長度進(jìn)一步發(fā)展影響不大。而且，由于樁打入沖刷泥