钢质海洋放流管沉放工艺研究及应用

麦研，赵健，吴凯，王勇

（中交四航局第八工程有限公司，广东 惠州 516003）

0 引言

目前，国际上大部分海底管道的安装工程是服务于海洋石油领域，都是采用专用海洋管道铺管船。海洋放流管多应用于沿海排污工程，属于输水管道，通过敷设于陆地和海底的管道，离岸输送污水到一定的水下深度，再利用水下多孔扩散器稀释污水，达到环保排放要求。受到水深和管道长度、曲率的限制，专用铺管船无法适用于近岸或接岸的海底放流管安装。近岸或接岸的海底放流管安装主要有：水面拖带、离底拖带和海底拖带3 大类。离底拖带对浮力控制要求高、工艺复杂，难以控制；海底拖带会损伤管道涂层、易于陷入淤泥。水面拖带便于直观控制，但是对海况的要求很高，故一般选择在浪涌较小和没有季风的季节进行钢质放流管沉放。放流管多为大口径薄壁钢管，两端封堵后能漂浮在水面上，管道海上浮运到达预定位置进行灌水沉放安装。

管道灌水沉放是典型的大变形过程，灌水过程中，管道轴线发生大变形，具有极强的非线性，同时管道自身应力需小于许用应力，以满足管道安装质量要求。李成凯等[1]基于油气管道，建立工程船提吊沉放管道的模型，对不同管道沉放方案的弯矩应力进行分析。唐志坚[2]利用应变计监测过江管道灌水下沉过程中的实时变化情况，实时指导起重船下放吊缆。林森[3]基于油气管道，对管道下放过程进行数值仿真和分析，指出随着安装水深的加大，管道在竖直平面的应力应变不可忽视。肖扬洋等[4]基于U 形过江管道，分析在气囊和吊缆辅助下，过江管道沉放的应力分布及吊缆张力。孙国民等[5]基于油气管道，利用OFFPIPE 软件对管道的沉放和提吊进行分析。陈猛等[6]采用气囊和吊带辅助HDPE 管道沉放，研究气囊数量的配置方法和原则。曲杨[7]结合海底油气管道，对管道在提吊和下放的过程进行受力分析，研究管道在提吊和沉放过程中的变形和应力分布状态。林富等[8]对排海压力管道沉放施工进行研究，通过合理布置管道吊点，使用起重船控制管道灌水沉放。谢遵哲等[9]以排海管道施工为例，配合3 艘起重船作业，通过起重船吊缆控制管道的曲率半径和应力，成功完成管道的沉放施工。童小飞[10]以海底输油管道工程为例，阐述了悬挂配重的方式进行管道海上沉放的施工工艺及相关措施。目前，对于海底管道的沉放工艺主要分为3 类，即起重船控制吊缆辅助沉放、气囊辅助沉放和吊缆+气囊共同辅助沉放。起重船控制吊缆辅助沉放主要应用于海底油气管道，气囊辅助沉放主要应用于海底HDPE 管道沉放，吊缆+气囊辅助沉放主要用于过江曲线管道的沉放。而针对钢质海洋放流管的沉放工艺研究较少。

本文以钢质海洋放流管为对象，从沉放姿态、临界沉放水深和沉放深度控制等方面进行工艺研究，探讨近岸钢质海洋放流管沉放工艺。

1 工程概况

海洋放流管工程是广东揭阳大南海石化工业园区配套辅助设施工程之一，建设排海规模为3.4万m3/d 的尾水排放管道。作为第一阶段的尾水排放设施，放流管是处理达标污水的主要排放管道，项目总布置如图1 所示。海洋放流管总长约4.1 km，材质为Q235 钢管，管内径为1 000 mm，壁厚16 mm。

常规的海上吊装施工工艺，受限于驳船装载能力和起重船起重能力，单段管道仅能做到100 m长，需安装和对接41 次，工期压力巨大。本研究安装工艺采用分节水下安装，先在陆上焊接数百米的钢管，再拖管下水，下水后使用拖轮拖带浮运管道，就位后灌水沉放，管节之间的连接采用水下法兰对接。

工程所处粤东地区海上环境恶劣，受到台湾海峡的影响，海浪中涌浪成分占比居中；每年的11 月—次年4 月受到季风的影响，且频发海雾，基本没有作业时间；直至每年的5—11 月有效作业时间增至约10 d/月。

2 工艺沉放研究

管道在沉放过程中，水深是影响管道沉放应力的关键参数。随着沉放水深的增加，管轴的等效应力也随之增大；当超过临界深度时，管道沉放应力大于自身许用应力，此时采用气囊+吊带辅助管道沉放[6]，根据沉放深度和次数配置不同长度的吊带并封锁吊带的一部分长度，实现管道水下多次下沉，每次下沉深度小于临界深度。管道沉放工艺分析流程如图2 所示。

图2 工艺分析流程Fig.2 Process analysis process

2.1 管道沉放临界深度分析

1）放流管主要参数

以500 m 长度的管节为研究对象，为了探究其沉放的临界深度，分析该管节在不同水深沉放下的等效应力，放流管的主要参数见表1。

表1 放流管主要参数Table 1 Main parameters of outfall pipeline

2）管道直接沉放分析

采用Midas Civil 建立500 m 长放流管模型，单元长度设为1 m，将海床面及海水浮力模拟为非线性弹簧，灌水荷载模拟为竖向均布荷载，管道两端采用铰支约束，采用牛顿迭代法进行求解，分别模拟1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m和8 m 等8 种不同的水深，模型及分析结果如图3 和图4 所示。图4 中等效应力变化结果表明，管道最大等效应力随着沉放深度的增加而增加；当沉放深度为5 m 时，管道最大等效应力接近许用应力170 MPa；对于内径为1 m、壁厚16 mm 的Q235 钢质放流管，临界沉放深度为5 m。

图3 放流管有限元模型Fig.3 Finite element model of marine outfall pipeline

图4 管道沉放深度-应力分析Fig.4 Analysis of depth-stress for pipeline sinking

2.2 气囊辅助管道灌水沉放受力分析

1）助浮气囊配置

气囊数量由助浮安全系数和管段负浮力共同确定。管段的助浮安全系数是指气囊总浮力与管道负浮力的比值。为了确保灌水完成后，在气囊的助浮作用下，管段可以稳定地悬浮于水中，以便进行管段的对接等操作，一般助浮安全系数不小于1.4[6]。考虑助浮安全系数后，进行不同浮力气囊的配置分析，500 m 管长的助浮气囊配置结果见表2。表2 结果可知，不同浮力规格的助浮气囊所需的气囊数量和间距各不相同，对于500 m 长度的放流管管节，综合考虑经济性和施工便利性，选择5 t 助浮气囊效果最优。助浮气囊示意图见图5。

表2 气囊配置Table 2 Buoy configuration

图5 助浮气囊示意图Fig.5 Schematic diagram of buoyancy aid

2）气囊辅助管道沉放有限元分析

基于2.1 节中直接沉放的有限元管道模型及临界沉放深度5 m，将助浮气囊和海水浮力模拟为非线性弹簧，灌水荷载模拟为竖向均布荷载，管道两端采用铰支约束，采用牛顿迭代法进行求解，分析结果如图6、图7 所示。图6—图7 的结果表明，管道灌水初期，管道线形呈现J 形，当100 m 长管道灌水后，气囊开始发挥作用；管道开始呈现S 形，灌水100～400 m 范围内，管道轴线始终保持为S 形轴线，过程中最大等效应力为142 MPa；当灌水长度超过400 m 时，管道轴线又呈现J 形，随着灌水长度增加，直至灌水沉放结束。

图6 管道竖直平面变形图Fig.6 Deformation of pipeline in vertical plane

图7 管道灌水沉放250 m 长度时应力云图Fig.7 Stress nephogram of pipeline sinking with 250 m length for water filling

2.3 水下多次沉放工艺

管道沉放过程，管轴线呈现S 形状，根据管道沉放时水深条件的不同，确定气囊辅助管道沉放的次数，即是所谓水下多次沉放，典型的水下多次沉放吊带封锁示意如图8 所示。管道初次沉放为灌水沉放，灌水沉放后管道的负浮力由气囊平衡，此时分析管道剩余沉放的深度，若大于临界沉放深度，则管道进行水下再次沉放，每次沉放深度小于临界沉放深度，直至管道剩余沉放的深度小于临界沉放深度。水下多次沉放采用吊带封锁的工艺，根据沉放的次数选择合适长度的吊带，使用绳索（牺牲绳）将吊带长度临时封锁，每次在水下沉放时割除一段绳索，释放一部分长度吊带，使得管道能够在水下多次沉放。

图8 水下多次沉放吊带示意图Fig.8 Diagram of multiple underwater sinking

3 施工方案设计

工前需检查气囊的充气程度，确保连接吊带的绑扎正确。同时，需额外准备1/5 的备用气囊和吊带，海上气囊失效后能及时补位。

3.1 灌水沉放

1）水深小于临界水深

此时无需气囊吊带辅助沉放，直接进行管道灌水沉放，打开管道一端盲板上的阀门，灌水端管头明显下沉后，开启管道另一端盲板上的阀门，一端灌水、一端放气；同时，起重机抬起放气端的管头，保证放气端始终在水面以上，海上从灌水端逐渐向放气端流入，管道也逐渐下沉坐底；放气端即将下沉时，松开起重机，使得放气端坐底沉放。灌水沉放示意如图9 所示。

图9 气囊吊带辅助放流管灌水沉放Fig.9 Buoy sling assisted outfall pipeline sinking

2）水深大于临界水深

当管道沉放水深＞临界水深时，此时采用气囊+吊带辅助沉放，沉放步骤同上；灌水沉放时气囊发挥其浮力作用，并且控制管道沉放的深度，气囊由进水端至放气端逐渐发挥其浮力作用；直至放气端也全部没水，气囊发挥全部浮力的作用，如同起重机般将满水的管道整体抬吊于海上。

3.2 水下再次沉放

1）水下再次沉放

当管道距离管槽底部的深度＞临界沉放深度时，通过割除封锁吊带绳索，进行管道水下再次沉放。潜水员在水下从一端到另外一端，依次将封锁吊带长度的绳索割除。随着吊带长度的变化，管道将继续向下沉放，直至所有的绳索割除完毕，管道完成水下再次沉放。

若水下二次沉放后，管道距离管槽底部的深度仍然大于临界沉放深度时，则继续进行管道水下沉放，工艺同上。根据沉放次数的不同，提前设置多个封锁吊带的缆绳。水下多次沉放时，每次水下沉放割除一个封锁缆绳，直至管道距离管槽底部的深度＜临界沉放深度。再次沉放示意如图10 所示。

图10 放流管水下再次沉放Fig.10 Outfall pipeline underwater re-sinking

2）管道坐底沉放

当管道距离管槽底部的深度＜临界沉放深度时，进行管道坐底沉放。潜水员在水下从一端到另外一端，依次割除与管道连接的气囊吊带。随着气囊吊带的割除，管道逐渐下沉坐底至挂管槽中，直至所有气囊吊带割除完毕，完成管道的最终坐底沉放。

4 应用效果分析

现场沉放如图11 所示，其中近处为漂浮于水面的管道，远处已经完成一次沉放，中间段为过渡的S 形管道。在依托工程的施工中，采用本研究所用的沉放工艺，最终提前1 个月完成了工程项目。采用潜水测深表以及超声波测深仪检测管道安装标高，标高误差小于±50 cm；采用GPS 等测量仪器检测管道安装轴向偏差，轴向误差小于±50 cm；采用2 mm 塞尺检测法兰接头缝隙，缝隙小于2 mm；各参数检测合格，满足验收要求。

图11 放流管海上沉放Fig.11 Marine sinking of outfall pipeline

5 结语

本文以长500 m、内径1 m 的钢质放流管为研究对象，采用数值分析方法，以S 形管段的等效应力为限制条件，确定管道沉放的临界深度；以助浮安全系数和管段负浮力共同确定气囊的浮力、气囊数和间距等配置；以水下多次沉放的方式最终实现放流管的沉放，并在依托工程中应用效果良好。工艺总结如下：

1）管道灌水沉放时，随着沉放深度的增加，管道等效应力也随着变大，在管道安装前需分析管道沉放的临界深度，并在安装过程中严格控制管道单次沉放的深度；

2）通过在水下割除临时封锁吊带长度的绳索，实现控制沉放深度和水下多次下沉，保证了沉放过程的安全性；

3）气囊+吊带辅助管道沉放工艺，对船机设备要求低，设备种类和数量少，同时也能适应各种不同的水深，施工便利性和经济性较好。