绥中港海底管道下卧改造项目施工可行性研究

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　　摘要：由于航运的逐渐发展，船舶需要加深航运深度，导致海底管道的设计埋深需要重新调整，一般采取挖沟下卧的方式增加敷设深度。文章介绍了海底管道挖沟系统，并分析了常见的挖沟技术与挖沟施工流程。在此基础上，结合绥中煤码头港区进港主航道适应发展实例，以双向10万吨级航道标准开展扩建工程，实现航道加宽、航道深度加深的目标。该航道与三条为中国海油绥中36-1陆地终端提供原油的海底管道存在交互影响，因此为了确保在航道交互区域管道的安全稳定运行，需要进一步加深交互区域的管道敷设深度。通过可行性分析，基于是否改变原海管路由提出两种下卧改造方案，综合评估两方案的优缺点后，推荐采用改变原海底管道路由方案完成施工。

　　关键词：海底管道；下卧改造；路由

　　0引言

　　随着能源需求量日益增加，人们进入大面积开发海洋资源的时代，沿海石油工程开发建设工程量日趋增多，随之而来的海底能源管道铺设量也日益增加。海底管道具有能源输送、水源岛际输送以及污水排放等功能，其中最为重要的功能是能源输送，随着能源供给需求的日益增加，海底管道的输送长度也随之增加。目前中国海上油气管道总长度已经超过6 000 km，这些管道在近海岸线附近密集分布，导致大多数管线与现有航道存在交叉情况。但随着航运的逐渐发展，越来越多的船舶需要加深航运深度，这种情况的出现导致海管的设计埋深需要重新调整。因此为了使船舶吃水深度进一步加深，打破吃水深度限制，海底管道需要采取下卧方式增加敷设深度。

　　本文以某海底管道路由调整需求为例，充分考虑航道交叉以及周边管缆分布情况，确定管道下卧深度需求，对比两种不同下卧方案后，在不停止运行的条件下采取改变原海底管道路由的下卧方式将管道下卧。

　　1海底管道挖沟技术

　　1.1海底管道挖沟方式

　　根据海底管道铺设的先后顺序，海管铺设方式可以分为预挖沟铺设和后挖沟铺设两种方法。另外根据挖泥船的种类不同，又可分为抓斗开挖、吸扬开挖、链斗开挖、水下铲斗开挖和爆破开挖。目前所采用的挖沟机设备大多数是针对后挖沟施工设计，后挖沟作业的施工技术相对成熟、操控简单、安全系数较高，并且对环境的破坏性较小。

　　1.2海底管道挖沟施工原理

　　以水力喷射挖沟机运行为例，其工作原理是喷射泵形成的高压水流经过喷射臂喷出后，将海底管道下部的海床土打散，使其充分液化后，利用挖沟机上的抽吸臂通过射流原理将液化后的土体喷移至海沟外部，在管道下方形成管沟，海底管道会在自身重力的作用下逐渐下沉到管沟内。

　　1.3挖沟机系统组成

　　水面支持系统、挖沟机本体以及脐带电缆是构成挖沟机系统的重要组成部分：水面支持系统由发电机、脐带电缆绞车、动力源、液压站以及监控室等构成；挖沟机本体的核心为主体结构，此外在主体结构上会布置喷冲、液压、抽吸、水下传感以及电控等功能的辅助系统；脐带电缆主要指连通水上与水下的脐带电缆，其主要功能是完成动力与信号的传输。

　　2常见的海底管道挖沟方法

　　2.1机械挖沟法

　　机械挖沟主要通过铰刀在海床表面直接开沟或采用开沟机在海床上直接挖出海沟。采用开沟犁的机械挖沟能够实现在海床上挖出较为整齐的管沟，并且不会对周围土壤的抗剪强度造成影响，在挖出管沟的同时可以形成边坡，挖出的土体短时间不会进入管沟。水下开沟犁根据其功能可分为管道敷设前开沟、边铺管边挖沟和管道铺设后挖沟。

　　2.2水利挖沟法

　　水利挖沟法主要采用射排的方式形成海沟，通过高压泵形成高压水流，并将水流从高压喷头射出，高压喷头可以根据需求随时改变水流方向。高压水流能够快速液化海底的土体，并利用排泥泵形成的高压射流将液化后的土体快速排净，形成完整的海沟。水利挖沟法与机械挖沟法对挖沟装置的牵引方式是相同的，但水利挖沟法的动力源在船舶上，因此，这种方法更适合海底管道地质条件较为复杂的施工环境。

　　2.3机械与水利结合挖沟法

　　一般在遇到海底土体坚硬的情况时，会选择机械与水利相结合的方法，即利用机械挖沟法的铰刀部件的同时利用射水泵和排泥泵完成管沟的成型。

　　2.4不挖沟进行海底管道埋设法

　　不挖沟进行海底管道埋设法的工作原理是在管道上方设置一个阻流板，当海底管道受到水流阻挡时，水流经过管道的阻挡会产生一部分向下的流动，形成涡旋流动并不断冲刷管道底部的土壤，进而挖动管道底部的淤泥，并将淤泥带走。这样在管道底部就可以形成一定深度的管沟，在管道自重的作用下原管道可以下降1.0～1.5倍管径的深度。

　　3后挖沟施工流程

　　3.1预调查阶段

　　在预调查阶段，调查船需要利用海洋调查、钻孔等对计划开展施工的海域进行调查并提取土壤样本，这些样本参数是后期重要的设计依据。同时，研究人员也要通过这些信息深入了解埋设海域海底土壤的实际条件，并根据提取的土壤样本进行深入分析，确定海底管道的铺设深度、采用的挖沟方式以及相应的挖沟船和挖沟机型号。

　　3.2挖沟船就位

　　挖沟船舶行驶至施工位置，在船舶周围设置8个锚完成船位固定，并利用船舶上的卫星定位系统和海管路由记录位置信息，将船舶准确地定位在挖沟位置处。为了保证管道安全，在进行锚固定时，抛锚位置与海底管线的距离要大于200 m，若锚缆存在跨越管线的情况，那么抛锚位置与管线的距离要大于250 m。完成抛锚工作后要对锚缆进行拉拔测试，保证每一个锚均实现稳定固定。

　　3.3挖沟机下水

　　确保完成所有设备连接工作后，便可将挖沟机放入水中，同时将脐带电缆和液压软管放入水中。开启水下泵，对喷冲压力和抽吸真空度进行测试，对泵的姿态和信号传输情况进行检测，对喷冲臂与抽吸臂的运转情况进行检查，在完成对水下泵的全部检测工作后便可以关闭水下泵。将挖沟机继续下放至海床附近，完成挖沟机的定位工作，并利用对中机将挖沟机与待敷设的海管对正。

　　3.4挖沟施工

　　挖沟机开始在起始点进行挖沟，同时船舶也开始移动沿海管铺设线路挖沟，下放喷冲臂和抽吸臂开始造坡工作。在挖沟过程中采用声纳设备对挖沟的深度与宽度进行监测，利用卫星定位系统监测船舶与挖沟机的路线与位置，并不断调整船位位置，确保挖沟机的线路未发生偏移。挖沟结束后，利用声呐系统扫描管沟形成图像，从而确定管沟深度等参数。

　　3.5挖沟机回收

　　当挖沟施工完成或遇到极端海况时，需要暂停挖沟作业，要将挖沟机提升出水面，吊至甲板处稳定固定，并关闭水下泵，同时将脐带电缆与液压软管收回。

　　3.6后调查阶段

　　挖沟工作结束后，需要采用调查船对海底管道进行扫描，一般利用双频管道剖面仪完成扫描工作，获得海底管道的真实埋深，最终检验挖沟效果。在检测过程中，要将海管两侧10 m范围内未受到影响的海床平面视为基准面完成对海管实际深度的测试。

　　4海底管道下卧改造项目介绍

　　根据2015年葫芦岛港总体规划，规划港区进港主航道与三条为中国海油绥中36-1陆地终端提供原油的海底管道存在相互影响。为此，对15万吨级航道与JZ25-1S CEP至SZ36-1陆地终端、SZ36-1CEP至陆地终端、LD10-1CEP至陆地终端三条海管的交叉区域进行了海管下卧改造施工的可行性研究，三条外输管线的参数如表1所示，本项目所涉及的绥中港区15万吨级航道参数如表2所示。

　　综合考虑15万吨航道底标高和海管的回填保护高度，确定了三条海管在航道影响区域的下卧深度，即管底标高。

　　JZ25-1S和LD10-1的管底标高为：

　　-(19.7+3.5+0.5)=-23.7 m           (1)

　　SZ36-1管线航道影响区域的预挖沟标高为：

　　-(19.7+3.7+0.5)=-23.9 m             (2)

　　5海底管道下卧改造方案

　　5.1改变原海底管道路由方案

　　考虑三条海管均为钢套钢保温管，为避免管线保温层失效，需要寻找最接近锚固件的管线作为换管切割处，确定打点坐标，并以预选的切割处为基准、平行管线方向开展挖沟作业，达到管线下卧标高位置。三条海管与航道交叉区域开挖参数如表3所示。挖沟施工检测合格后，在沟底铺设新的管道，新管道铺设后要对其进行清管、测径和试压等一系列后续工作。

　　新管线试压合格后，完成对三条海底管线的整体清洗。对新铺平管段进行后挖沟、膨胀弯处放置水泥压块，与航道交叉的区域范围内抛3.5 m厚碎石，对管线进行回填保护。管线投产，回收废弃管线，施工复原。

　　5.2不改变原海底管道路由方案

　　先对外输管线进行停产清洗工作，清洗合格后在航道两端的锚固件附近位置切割海管，并回收切割掉的旧海管，在断管的一端管头焊接法兰，另一端焊接弃管封头，之后放置管线到海床。以管线与航道交叉点中心为基准，沿着管线原路由、方向向两端进行预挖沟，达到管线下卧标高位置，放坡比按1比40考虑。调查确认挖沟合格后，铺管船回收带有弃管封头端的管线，之后沿海管路由向另一端进行铺管，在靠近另一端时，焊接法兰、连接弃管封头之后弃管。水下测量两管端的相对距离、调整角度，用短节或膨胀弯连接管线，对管线进行整体检测合格后复产。连接短节或膨胀弯处放置水泥压块，管线与航道交叉的区域范围内抛碎石，对管线进行回填保护。

　　6结论与建议

　　两个方案均采用交叉段管道重新铺设，开挖总量和回填总量都较大，依据环评相关要求必须有指定倾废区域和回填取砂区，两个方案都存在环境污染的风险。改变原海管路由停产周期短，经济影响稍小；不改变原海管路由停产周期较长，经济影响面较大，两种方案都会给整个相关产业链造成严重的负面影响。

　　不改变原海管路由的部分路由超出了原管线路由范围，需重新做地质调查，并须向国家有关主管部门申请海域使用证等证件。外输油管线存在管壁结蜡，增加了清管的难度，且管线投入时间较长，管线出现老化，平管起吊可行性及海管试压值选取需要进一步评估。综合考虑两个方案的优缺点，在目前情况下，推荐采用改变原海底管道路由方案。同时建议从国家发展战略的高度进行综合性评估，扩大评估范围，选择能够使企业和地方经济共同发展、达到双赢的可行性措施。

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