海管悬跨防治工程试验
雷震名 熊海荣 苏冠瑜 张万里 夏宝宏
摘 要：本文对国内外海底管线悬跨防治措施进行了介绍，以一种新型人工水草悬跨抑制装置为研究对象设计并实施对比工程试验，验证了新型人工水草悬跨抑制装置对悬跨的防治效果，对海底管道悬跨处理和抑制装置研发及施工具有一定的指导意义。
关键词：海底管道；悬跨防治；人工水草；对比试验
中图分类号：TE5 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0069-05
1引言
海底管线是海洋石油生产设施的重要组成部分，是整个海上油田生产系统的联系枢纽，海底管线的正常运行是海上原油生产的重要保障。海底管道悬跨是指出现在海底管道上且与海床表面不直接接触的悬空段[1]。
悬跨的形成对海底管道有两种不利影响：①由于管道自重及波浪、流此类环境荷载等因素会使悬跨段管道产生过大的弯矩，可能直接造成管道的破坏；②当海水流经悬跨管道时，在一定流速条件下，悬跨管道两侧会出现漩涡，并以一定的频率交替泄放，从而在结构表面形成周期荷载，使悬跨管道在顺流方向及横流方向上发生振动，即涡激振动，很可能对海底管道造成疲劳损伤乃至破坏[2]。
2悬跨治理措施
目前海管悬跨治理措施按照原理可分为主动支撑法、吹泥沉降法、加重法和降流促淤法等。
2.1主动支撑法
主动支撑法是在海管悬跨段下方，放置支架或某种填充物，对海管悬跨段起到支撑作用[3]。按照支撑和填充物的种类可分为以下几种方法：沙袋填充法、砾石抛放法、水下支撑桩法、灌浆法等。
2.2吹泥沉降法
吹泥沉降法就是利用水流的冲刷力将悬跨两肩逐渐削短，使海管沉降，以达到消除悬跨要求。该种方法通过悬浮式喷射挖沟机对悬跨高点进行削坡，从而使地貌平整，即通过高压水喷射将海底管道下面的土壤冲开形成沟槽的方法，海底管道沉入沟槽后，通过海流或波浪的运动将位于沟槽旁的扰动土壤回填。喷射式挖沟机适用于沙土和剪切强度低于50kPa的软粘土，它能将海管埋设到海底泥面以下，可有效防止海底管道的外部损伤，但是工程费用较高，施工风险高，需要对管道进行挖沟应力分析，且受天气影响较大。悬浮式喷射挖沟机见图2。
2.3加重法
加重法是指在悬空管道上加压载块，该方法适用于悬跨段比较长，悬空量较小的管道。现在应用的主要方法包括沥青沉床、混凝土沉床和混凝土拱座等[4]。
2.4降流促淤法
海底管道被铺设到由松散沉积物（如沙）构成的海底时，管道附近就会发生侵蚀，侵蚀是一种自然现象。水流碰到海管时局部流场改变，流速加大，并产生涡流，这些特性都将造成海底表面剪应力加大，从而使海底沉积物被抬升、悬浮，从海管附近冲向下游，侵蚀逐渐积累，形成悬跨。
由于海底被冲刷是由流速过大引起的，所以要从根本上解决冲刷侵蚀问题，就必须降低流速且降低与流速相关的沉积物搬运率，即降流促淤[5]。
降流促淤法的主要措施是种植人工海草。将人工海草缝合到加重的垫子上，或者用锚桩将人工海草垫固定在海底，利用它来降低管线附近的局部流速和湍流，不仅可阻止侵蚀作用，还可使人工合成的海草叶之间的沙质沉积物不断堆积下来。
海草吸附悬移物质并阻碍其再悬浮，伴随海流而至的细粒悬移物质，很容易海草带及其邻近的低流速区发生沉积。海草的叶、茎对于细粒物质也有一定的吸附作用，沉落在其上的细粒物质也比较难以重新悬浮起来而被潮水搬运走。
人工海草的降流促淤方法具有以下几点优势：①一次性安装，永久解决海底侵蚀问题，不需要重复维护；②安装后可立即降低甚至停止海底冲刷；③逐渐形成由纤维加固的永久性沙坝，不影响海洋生物的生长和渔业活动；④适用性强，适用于深水和浅水；⑤加强海底承载力，人工海草的自然搅动可以加强泥沙的压实作用，从而提高海底承载力。
3工程试验
为了验证一种新型人工水草悬跨抑制装置对海管悬跨的治理效果，本文设计并进行了相关的海上工程试验，试验方案流程如下图所示。
3.1试验海域选择
考虑本次工程试验周期较长， 而在大型港口或码头，容易受到船舶进港、停靠及航道的影响，不适合本次试验。因此选定海床局部冲刷的某河流入海区域A作为海上工程试验地点。
A海域的环境及地质条件调查结果如下。
3.2安放海管
预制两根相同规格的海管（Φ273×10mm裸管，长度为36m），平行铺设并锚固到选定的试验海域泥面上。
首先进行试验海管（第一段海管）安放，在海管适当位置绑扎晃绳，吊机起吊按图示位置放置在海床上，海管与码头边沿夹角约为45度，海管管头距离码头边沿最近距离约为3～5米，海管管头距离码头边沿最远距离约为30米，海管放置海床后由潜水员下水解除晃绳。对比海管（第二段海管）与试验海管距离30～40m，并保持平行，安裝程序相同。
对比海管安装到位后，在两管段两端安装6个抓力锚，防止因海底流速过大冲击海管造成路由严重偏移。每个抓力锚干重约0.1吨，由吊机起吊并下放，潜水员水下协助通过Φ14钢丝缆将其与管口焊接的耳板连接。
3.3预制悬跨
两段海管安装到位后，在悬浮式挖沟机两侧绑扎稳绳，通过260吨汽车吊起吊下放至水下。通过声呐监控，调整吊机角度或位置完成挖沟机水下就位，就位完毕后，开启液压站，利用挖沟机产生的大流量喷射水流，对管底海床进行冲刷，从而对管底海床土壤进行液化，液化土壤随水流冲走，形成管沟。最终完成两条管线沿管道方向跨距6米、跨高0.4米悬跨段的预制作业。并由潜水员下水进行试验管悬跨预制位置探摸确认，并报告记录，悬跨长度、跨高等沟型情况内容。
3.4安放悬跨抑制装置
新型人工水草压块单块规格为3米*2米*0.6米，单重3.4吨。装置在试验海管附近入水着床后，通知潜水员下水进行压块摆放，若装置安装位置偏移试验管路由，潜水员水下通知电话员调整吊机吊钩角度或位置，待潜水员出水后，吊机再起吊调整至潜水员指定位置；抑制装置就位后，潜水员通知电话员要求吊机保持位置不变，潜水员使用潜水刀割断抑制装置与吊架挂钩的尼龙缆，完成一块的安装；完成一块装置安装后，潜水员出水吊机再起吊吊架，重复以上步骤；陆地人员记录抑制装置摆放位置。
4数据监测与记录
4.1监测时间
试验周期为六个月，海管与抑制装置安装完成后共进行三次数据监测，每次监测时间为五天，监测内容包括旁扫监测抑制装置与管道状态、浅剖监测管道覆土情况、潜水员水下探摸、流速监测等。
扫测、浅剖及流速监测设备如下图所示。
4.2第一次监测数据
4.2.1多波束扫测
本次扫测区域大小为125m×184m，水深分布在-1.7至-7.8米，由两侧码头岸线向航道中间逐渐变深。试验海管所在位置水深由-2.7米逐渐加深到-5.99米， 对比海管所在位置水深由-2.5米逐渐加深到-6.4米。
4.2.2海管状态
本次扫测通过多波束水深点生成的水深地域图可以清楚地查看海管的状态，下表为第一段管线在观测段处的详细信息表，距离的起算点为靠近码头壁近端的管线位置。
4.2.4潜水探摸
探摸显示试验管线状态良好，未见其他异常，管线最大悬空高度为0.7m，跨长约8m。
探摸显示对比管线状态良好，未见其他异常，管线最大悬空高度为0.6m，跨长约10m。
4.3第二次监测数据
4.3.1海管状态
本次扫测通过多波束水深点生成的水深地域图可以清楚地查看海管的状态，下表为第一段管线在观测段处的详细信息表，距离的起算点为靠近码头壁近端的管线位置。
4.3.3潜水探摸
探摸显示试验管线及压块状态良好，未见其他异常，管线最大悬空高度为0.2m，跨长约8m。
探摸显示对比管线状态良好，未见其他异常，管线最大悬空高度为0.15m，跨长约13m。
4.4.3潜水探摸
探摸显示试验管线及压块状态良好，未见其他异常，管线悬跨基本消失。
探摸显示对比管线状态良好，未见其他异常，管线最大悬空高度为35cm，跨长約16m。
5结论
为验证新型人工水草悬跨抑制装置的效果，本文设计并实施了为期六个月的对比工程试验，试验结论如下。
（1）流速监测结果表明：所选海域底流速不小于0.4m/s，为冲刷海域，自然回淤少。
（2）三次旁扫和潜水探摸数据汇总如表12所示：试验海管（安装新型抑制装置）跨长基本没有变化，但是跨高明显减小；对比海管跨长逐渐增长，跨高增大。
工程试验监测数据表明，新型人工水草海管悬跨抑制装置可以有效地滞缓海流流速，抑制海流对悬跨的侵蚀，同时促进悬移物在悬跨处的沉积，对海底管线悬跨的治理效果明显。
参考文献：
[1] 唐晓旭，胡国后.海底石油管道悬跨的综合治理[J]. 油气田地面工程，2011， 30 （ 7 ） ： 38-39.
[2] 马坤明. 结构支撑设计在海底管道悬跨治理方面的应用[J]. 石油和化工设备，2017， 20（2）：47-50。
[3] 绍怀海，胡洪勤，徐政峰.滩海油田海底管道悬空治理[J].石油规划设计，2003，14 （11）：27-28.
[4] 张剑波，袁超红.海底管道检测与维修技术[J].石油矿场机械，2005，34 （5）：6-10.
[5] 魏中格，齐雅茹.海底管道维修技术[J].石油工程建设，2002，28 （4）：30-32.
摘 要：本文对国内外海底管线悬跨防治措施进行了介绍，以一种新型人工水草悬跨抑制装置为研究对象设计并实施对比工程试验，验证了新型人工水草悬跨抑制装置对悬跨的防治效果，对海底管道悬跨处理和抑制装置研发及施工具有一定的指导意义。
关键词：海底管道；悬跨防治；人工水草；对比试验
中图分类号：TE5 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0069-05
1引言
海底管线是海洋石油生产设施的重要组成部分，是整个海上油田生产系统的联系枢纽，海底管线的正常运行是海上原油生产的重要保障。海底管道悬跨是指出现在海底管道上且与海床表面不直接接触的悬空段[1]。
悬跨的形成对海底管道有两种不利影响：①由于管道自重及波浪、流此类环境荷载等因素会使悬跨段管道产生过大的弯矩，可能直接造成管道的破坏；②当海水流经悬跨管道时，在一定流速条件下，悬跨管道两侧会出现漩涡，并以一定的频率交替泄放，从而在结构表面形成周期荷载，使悬跨管道在顺流方向及横流方向上发生振动，即涡激振动，很可能对海底管道造成疲劳损伤乃至破坏[2]。
2悬跨治理措施
目前海管悬跨治理措施按照原理可分为主动支撑法、吹泥沉降法、加重法和降流促淤法等。
2.1主动支撑法
主动支撑法是在海管悬跨段下方，放置支架或某种填充物，对海管悬跨段起到支撑作用[3]。按照支撑和填充物的种类可分为以下几种方法：沙袋填充法、砾石抛放法、水下支撑桩法、灌浆法等。
2.2吹泥沉降法
吹泥沉降法就是利用水流的冲刷力将悬跨两肩逐渐削短，使海管沉降，以达到消除悬跨要求。该种方法通过悬浮式喷射挖沟机对悬跨高点进行削坡，从而使地貌平整，即通过高压水喷射将海底管道下面的土壤冲开形成沟槽的方法，海底管道沉入沟槽后，通过海流或波浪的运动将位于沟槽旁的扰动土壤回填。喷射式挖沟机适用于沙土和剪切强度低于50kPa的软粘土，它能将海管埋设到海底泥面以下，可有效防止海底管道的外部损伤，但是工程费用较高，施工风险高，需要对管道进行挖沟应力分析，且受天气影响较大。悬浮式喷射挖沟机见图2。
2.3加重法
加重法是指在悬空管道上加压载块，该方法适用于悬跨段比较长，悬空量较小的管道。现在应用的主要方法包括沥青沉床、混凝土沉床和混凝土拱座等[4]。
2.4降流促淤法
海底管道被铺设到由松散沉积物（如沙）构成的海底时，管道附近就会发生侵蚀，侵蚀是一种自然现象。水流碰到海管时局部流场改变，流速加大，并产生涡流，这些特性都将造成海底表面剪应力加大，从而使海底沉积物被抬升、悬浮，从海管附近冲向下游，侵蚀逐渐积累，形成悬跨。
由于海底被冲刷是由流速过大引起的，所以要从根本上解决冲刷侵蚀问题，就必须降低流速且降低与流速相关的沉积物搬运率，即降流促淤[5]。
降流促淤法的主要措施是种植人工海草。将人工海草缝合到加重的垫子上，或者用锚桩将人工海草垫固定在海底，利用它来降低管线附近的局部流速和湍流，不仅可阻止侵蚀作用，还可使人工合成的海草叶之间的沙质沉积物不断堆积下来。
海草吸附悬移物质并阻碍其再悬浮，伴随海流而至的细粒悬移物质，很容易海草带及其邻近的低流速区发生沉积。海草的叶、茎对于细粒物质也有一定的吸附作用，沉落在其上的细粒物质也比较难以重新悬浮起来而被潮水搬运走。
人工海草的降流促淤方法具有以下几点优势：①一次性安装，永久解决海底侵蚀问题，不需要重复维护；②安装后可立即降低甚至停止海底冲刷；③逐渐形成由纤维加固的永久性沙坝，不影响海洋生物的生长和渔业活动；④适用性强，适用于深水和浅水；⑤加强海底承载力，人工海草的自然搅动可以加强泥沙的压实作用，从而提高海底承载力。
3工程试验
为了验证一种新型人工水草悬跨抑制装置对海管悬跨的治理效果，本文设计并进行了相关的海上工程试验，试验方案流程如下图所示。
3.1试验海域选择
考虑本次工程试验周期较长， 而在大型港口或码头，容易受到船舶进港、停靠及航道的影响，不适合本次试验。因此选定海床局部冲刷的某河流入海区域A作为海上工程试验地点。
A海域的环境及地质条件调查结果如下。
3.2安放海管
预制两根相同规格的海管（Φ273×10mm裸管，长度为36m），平行铺设并锚固到选定的试验海域泥面上。
首先进行试验海管（第一段海管）安放，在海管适当位置绑扎晃绳，吊机起吊按图示位置放置在海床上，海管与码头边沿夹角约为45度，海管管头距离码头边沿最近距离约为3～5米，海管管头距离码头边沿最远距离约为30米，海管放置海床后由潜水员下水解除晃绳。对比海管（第二段海管）与试验海管距离30～40m，并保持平行，安裝程序相同。
对比海管安装到位后，在两管段两端安装6个抓力锚，防止因海底流速过大冲击海管造成路由严重偏移。每个抓力锚干重约0.1吨，由吊机起吊并下放，潜水员水下协助通过Φ14钢丝缆将其与管口焊接的耳板连接。
3.3预制悬跨
两段海管安装到位后，在悬浮式挖沟机两侧绑扎稳绳，通过260吨汽车吊起吊下放至水下。通过声呐监控，调整吊机角度或位置完成挖沟机水下就位，就位完毕后，开启液压站，利用挖沟机产生的大流量喷射水流，对管底海床进行冲刷，从而对管底海床土壤进行液化，液化土壤随水流冲走，形成管沟。最终完成两条管线沿管道方向跨距6米、跨高0.4米悬跨段的预制作业。并由潜水员下水进行试验管悬跨预制位置探摸确认，并报告记录，悬跨长度、跨高等沟型情况内容。
3.4安放悬跨抑制装置
新型人工水草压块单块规格为3米*2米*0.6米，单重3.4吨。装置在试验海管附近入水着床后，通知潜水员下水进行压块摆放，若装置安装位置偏移试验管路由，潜水员水下通知电话员调整吊机吊钩角度或位置，待潜水员出水后，吊机再起吊调整至潜水员指定位置；抑制装置就位后，潜水员通知电话员要求吊机保持位置不变，潜水员使用潜水刀割断抑制装置与吊架挂钩的尼龙缆，完成一块的安装；完成一块装置安装后，潜水员出水吊机再起吊吊架，重复以上步骤；陆地人员记录抑制装置摆放位置。
4数据监测与记录
4.1监测时间
试验周期为六个月，海管与抑制装置安装完成后共进行三次数据监测，每次监测时间为五天，监测内容包括旁扫监测抑制装置与管道状态、浅剖监测管道覆土情况、潜水员水下探摸、流速监测等。
扫测、浅剖及流速监测设备如下图所示。
4.2第一次监测数据
4.2.1多波束扫测
本次扫测区域大小为125m×184m，水深分布在-1.7至-7.8米，由两侧码头岸线向航道中间逐渐变深。试验海管所在位置水深由-2.7米逐渐加深到-5.99米， 对比海管所在位置水深由-2.5米逐渐加深到-6.4米。
4.2.2海管状态
本次扫测通过多波束水深点生成的水深地域图可以清楚地查看海管的状态，下表为第一段管线在观测段处的详细信息表，距离的起算点为靠近码头壁近端的管线位置。
4.2.4潜水探摸
探摸显示试验管线状态良好，未见其他异常，管线最大悬空高度为0.7m，跨长约8m。
探摸显示对比管线状态良好，未见其他异常，管线最大悬空高度为0.6m，跨长约10m。
4.3第二次监测数据
4.3.1海管状态
本次扫测通过多波束水深点生成的水深地域图可以清楚地查看海管的状态，下表为第一段管线在观测段处的详细信息表，距离的起算点为靠近码头壁近端的管线位置。
4.3.3潜水探摸
探摸显示试验管线及压块状态良好，未见其他异常，管线最大悬空高度为0.2m，跨长约8m。
探摸显示对比管线状态良好，未见其他异常，管线最大悬空高度为0.15m，跨长约13m。
4.4.3潜水探摸
探摸显示试验管线及压块状态良好，未见其他异常，管线悬跨基本消失。
探摸显示对比管线状态良好，未见其他异常，管线最大悬空高度为35cm，跨长約16m。
5结论
为验证新型人工水草悬跨抑制装置的效果，本文设计并实施了为期六个月的对比工程试验，试验结论如下。
（1）流速监测结果表明：所选海域底流速不小于0.4m/s，为冲刷海域，自然回淤少。
（2）三次旁扫和潜水探摸数据汇总如表12所示：试验海管（安装新型抑制装置）跨长基本没有变化，但是跨高明显减小；对比海管跨长逐渐增长，跨高增大。
工程试验监测数据表明，新型人工水草海管悬跨抑制装置可以有效地滞缓海流流速，抑制海流对悬跨的侵蚀，同时促进悬移物在悬跨处的沉积，对海底管线悬跨的治理效果明显。
参考文献：
[1] 唐晓旭，胡国后.海底石油管道悬跨的综合治理[J]. 油气田地面工程，2011， 30 （ 7 ） ： 38-39.
[2] 马坤明. 结构支撑设计在海底管道悬跨治理方面的应用[J]. 石油和化工设备，2017， 20（2）：47-50。
[3] 绍怀海，胡洪勤，徐政峰.滩海油田海底管道悬空治理[J].石油规划设计，2003，14 （11）：27-28.
[4] 张剑波，袁超红.海底管道检测与维修技术[J].石油矿场机械，2005，34 （5）：6-10.
[5] 魏中格，齐雅茹.海底管道维修技术[J].石油工程建设，2002，28 （4）：30-32.
