CN103411028B - 一种海底油气管线航道不封航铺管施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底油气管线航道不封航铺管施工方法，包括航道环境分析、锚系统铺管船海管铺设时的受力来源分析、锚泊系统分析技术、锚泊方案制定、锚泊方案校核分析和现场实施技术。本发明目的是基于对铺管船自身锚泊系统，研究出了海底油气管线航道不封航铺管施工方法，实现了对铺管施工布锚的控制，解决了海底油气管线航道不封航铺管施工的难题。该方法首次提出了海底油气管线航道不封航铺管施工的解决方法，保障了穿越航道铺管过程中航道不断航营运。综合考虑控制投资、缩短工期、方便现场施工等方面因素，形成适用于海底油气管线航道不封航铺管施工的技术方案。

Description

一种海底油气管线航道不封航铺管施工方法

技术领域

本发明涉及海底管道铺设的技术领域，为具体涉及一种海底油气管线航道不封航铺管施工方法。

背景技术

随着海上油气田开发不断向深层和新领域扩展，海上平台工艺处理流程越来越简化，越来越多的海底管线被采用，管线铺设过程中不可避免的会出现铺管作业穿越航道现象，本发明为此问题提供了简单实用的操作方法。目前，国内外规范对海底油气管线航道不封航铺管施工技术没有相应的规范，国内没有海底油气管线航道不封航铺管施工先例。

针对以上情况，我们在查阅国内外资料的基础上，通过大量分析，开发出一套满足海底油气管线航道不封航铺管施工方法，该方法基于对铺管船自身锚泊系统，研究出了海底油气管线航道不封航铺管施工方法，实现了对铺管施工布锚的控制，解决了海底油气管线航道不封航铺管施工的难题。该方法首次提出了海底油气管线航道不封航铺管施工的解决方法，保障了穿越航道铺管过程中航道正常营运。首次突破了传统的底拖等施工方法，避免了航道内底拖带来的风险，将海底油气管线航道不封航铺管施工技术成功应用在西气东输二线香港支线海底管道国家重点项目中。

该方法具有经济、高效、无污染、操作性强等特点，满足施工要求。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明目的是基于对铺管船自身锚泊系统，研究出了海底油气管线航道不封航铺管施工方法，实现了对铺管施工布锚的控制，解决了海底油气管线航道不封航铺管施工的难题。该方法首次提出了海底油气管线航道不封航铺管施工的解决方法，保障了穿越航道铺管过程中航道不断航营运。综合考虑控制投资、缩短工期、方便现场施工等方面因素，形成适用于海底油气管线航道不封航铺管施工的技术方案。

为了实现上述发明目的，本申请提供了以下技术方案：

（1）航道环境分析

针对施工航道的通航情况，航道的水深，地质，风、浪、流等环境参数进行系统研究，综合分析。

（2）锚系统铺管船海管铺设时的受力来源分析

锚泊系统形成的平衡力系里包含管线制动力、牵引力、垂向力和滚轮承托力。

轴向偏转力:来自船舶摇荡形成的冲击负荷。这是海管在铺设时主要的受力来源，对海管造成的冲击效果也最大。作用在管道上的纵向制动力和牵引力。制动力来自作业船舶的张紧器；牵引力来自作业船舶的收放绞车。垂向力：受力部位在托管架尾后部，管道二次曲率转换位置，即管道入水的弯段区域，垂向力来自管道自身重力及船舶随波浪上下浮动形成的叠加载荷。船舶后移时作用在管线上的后置载荷，容易造成海管弯折。作业线滚轮、托管架滚轮对管线产生的承托力。

（3）锚泊分析技术

通过对施工作业铺管船自身锚泊系统研究，明确锚泊系统各参数。包括锚重量、锚缆型号、锚缆长度及锚机最大拉力等。

锚系统工程船布锚技术主要解决轴向偏转力对海管造成的破坏性影响，保障海管安全施工。

采用锚泊分析技术，校核布锚方案是否符合力学平衡要求；明确每个布锚方案的力学突出点，正确指导实际施工的布锚工作，从而避免错误的布锚方案形成的力学结构给海管造成的破坏作用。

八锚系力学平衡原则研究

依据海管曲率参数，结合铺管船铺管时稳船、纠偏、防止后置载荷的实际需要，确定了海管铺设时的布锚原则

①以船艏艉线为对称轴，左右舷对应角度工作锚与艏艉线形成的角度相同、抛锚方向一致、抛锚长度相同的原则；达到左右舷力学平衡。

②以船舶艏向布锚预留静态张力总和要大于艉向布锚张力总和的原则。

依据八锚系力学平衡原则建立八锚系铺管船船基础布锚图

依据布锚原则分析布锚图形成八锚系铺管工程船锚系力学平衡表:

表1

定位锚编号	抛锚方向	抛锚长度	对称关系
				1#	与艏向一致	依工程需要而定	1#和4#为左右对称
2#	与艏向一致	依工程需要而定	2#和3#为左右对称
				3#	与艏向一致	依工程需要而定	3#和2#为左右对称
4#	与艏向一致	依工程需要而定	4#和1#为左右对称
				5#	与艏向一致	依工程需要而定	5#和8#为左右对称
6#	与艏向一致	依工程需要而定	6#和7#为左右对称
				7#	与艉向一致	依工程需要而定	7#和6#为左右对称
8#	与艉向一致	依工程需要而定	8#和5#为左右对称

设：1#锚静态拉力为L1；2#锚静态拉力为L2；3#锚静态拉力为L3；4#锚静态拉力为L4；5#锚静态拉力为L5；6#锚静态拉力为L6；7#锚静态拉力为L7；8#锚静态拉力为L8；

依据布锚原则得：

L1+L2+L3+L4+L5+L8>L6+L7

依据铺管船基础布锚图建立的抛锚原则

抛锚或移锚需考虑常年风向及船的受风情况、海流情况，并考虑上线及撤离，在应急情况下，具备可操作性。

（4）锚泊方案校核技术

基于航道环境分析，确定航道铺管施工期间允许占用的范围，根据工程船舶布锚理论，绘制布锚图。重点考虑铺管船在中间位置，让开后面封航航道，占用前面通航航道这一锚位转换点。

（5）锚泊方案校核技术

通过锚泊分析，基于布锚理论，绘制航道段施工布锚图，基于三维绕辐射势流理论，对铺管船航道段布锚，进行水动力分析，得到船舶运动RAO、质量矩阵、势流阻尼矩阵等；建立锚泊系统模型，考虑船舶影响，施加载荷，进行静力分析和动力分析。

坐标系

锚泊系统模型坐标系坐标原点设置在吃水平面内，环境力的方向为X轴正方向与其的夹角，逆时针旋转为正。

风浪流的方向指的是其传播方向，风浪流方向角是指风浪流传播方向与x轴逆时针方向的夹角。由此可知，随浪方向为0°，迎浪方向为180°。

计算模型

湿表面模型为船体与外部海水接触的外表面，即定位接受外部水动力压力的表面。

质量模型属性的计算依据铺管船装载手册，考虑吃水铺管状态下所有空船结构、设备、舱室压载、燃油和淡水等重量分布情况。

模拟方法

进行船舶系泊系统的时域全耦合分析。一般程序由船舶的水动力性能分析得到船舶运动RAO、质量矩阵、附加质量矩阵、势流阻尼矩阵、静水刚度矩阵、波频载荷RAO和平均漂移力载荷RAO，建立整个系泊系统模型，施加系泊缆的水动力系数、风流环境载荷受力系数、环境条件和其它外部载荷受力。

根据以上各参数进行求解时域受力运动方程，得到船舶的位移和系泊缆张力的时历曲线。整个分析过程分为静力分析和动力分析。静力分析考虑作用在船舶/系泊缆上的风、流和漂移力的平均力载荷以及外部载荷，通常可求得船舶系泊系统的平均偏移位置和系泊缆张力情况，并作为下一步动力分析的运动起始位置。动力分析考虑了船舶、系泊缆和外部载荷的动态效应，计算得到船舶的位移和系泊缆的张力的时域分析结果。

风力系数和流力系数

船舶规范中载荷确定章节中关于风载荷的定义式

F＝0.5·ρAC_F·C_D·v²

M＝0.5·ρABC_F·C_D·v²

式中：F—风力(N)；M—风力矩(N·M)；ρ—空气密度(kg/m³)

A—受风面积(m²)；B—风作用点与重心的距离(m)

C_F—风力高度系数；C_D—为风力形状系数；v—平均风速(m/s)

利用铺管船总布置图和装载手册等详细资料信息，获得折减后各个风向上风力作用有效投影面积。进而转化为软件计算中所需要的x轴和y轴以及绕z轴的风力系数，

（6）现场实施技术

基于铺管船自身锚泊能力，施工指挥者要充分考虑航道通航情况，航道海流方向转换，过往船只避让问题，起抛锚作业等。施工过程中，航道涨潮、落潮时，海流方向呈现相反方向，起抛锚作业要充分考虑海流方向，尽量在平流期进行起抛锚作业。铺管船锚缆对过往船只存在威胁，需要在各锚点设置监护船，警示过往船只进行避让。

表2静态分析

表3动态分析

有益效果：

1、为国内首次。海底油气管线航道航铺管施工，管道规范无明确规定和推荐做法，且穿越航道铺管作业航道不封航施工，在国内外都没有先例；

2、经济、高效、操作性强可有效解决工程所在海域功能区划复杂、船舶活动频繁、项目投资控制严、计划实施工期紧的要求。

3、海底油气管线航道不封航铺管施工，施工对航道正常运营造成危险，施工中由于航道不封航，铺管船锚缆对过往船只造成潜在威胁。极易对过往船只造成危害，产生不可估量的后果。该方案能够满足该工程项目投资控制严、计划实施工期紧的特点，满足现场工程要求。

4、海底油气管线航道不封航铺管施工方法，能在工程中取得了良好的效果，可解决航道不封航铺管施工和工期紧张的实际情况。相比常规的方案，节省投资，产生明显的经济效益。

5、海底油气管线航道不封航铺管施工方法，在国内外都没有先例，该方法首次在西气东输二线香港支线海底管道工程中应用，在龙鼓航道不封航情况下，顺利实现龙鼓航道铺管作业，保证了深圳港区正常的货运运营。因此，该项技术的突破，对填补国内空白、解决我国铺管穿越航道不封航施工的技术难题等具有重要的意义。为同行业海底管道的施工提供有力的借鉴参考价值。

附图说明

图1基础布锚图

图2铺管船模型坐标系图

图3铺管船湿表面模型图

图4起始锚位图

图5中间最危险状态锚位图

具体实施方式

海底油气管线航道不封航铺管施工方案：

以航道900米为例，航道需时刻预留300米为安全通航宽度，在这种状态下，需要将铺管船常规1.5公里的布锚区域收缩到600米内，而且在航道中间位置锚位转换时，铺管船将艉部锚让收起，布锚区域将收缩到300米内，让出已铺管段航道300米，然后将艏部锚向前抛过航道，完成航道通航位置转换，制定详细的布锚图，通过锚泊分析进行校核，确定其可做操作性。

针对制定的锚位图制定各种锚泊方案，选取不同极端工况组合分析；计算时考虑管子沿管线的作用力（张紧器力）；校核船舶锚泊系统在各种载荷综合作用下的安全性能。作业工况：有义波高选取8种：0.15m、0.3m、0.45m、0.6m、0.75m、0.9、1.05m、1.2m；风浪流方向选取：0°、斜对角线方向夹角、90°、105°、斜对角线方向夹角+90°、180°；通过不同风浪流的组合工况，确定适用工作环境。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种海底油气管线航道不封航铺管施工方法，其特征在于，包括如下步骤

步骤一航道环境分析

针对施工航道的通航情况，航道的通航安全宽度要求，航道的水深，地质，风、浪、流进行研究，综合分析，通过预留通航安全宽度，确定施工期间占用航道的范围；

步骤二锚泊系统铺管船海管铺设时的管线受力来源分析

锚泊系统形成的平衡力系里包含管线制动力、牵引力、垂向力和滚轮承托力；

步骤三锚泊系统分析技术

通过对施工作业铺管船自身锚泊系统研究，明确锚泊系统各参数，包括锚重量、锚缆型号、锚缆长度及锚机最大拉力；

所述步骤三中的铺管船锚泊系统分析，对铺管船锚、锚缆和位移绞车进行研究，明确铺管船锚重量、锚缆型号、绞车性能参数，确定铺管船的锚泊能力；

步骤四锚泊方案制定

通过对航道环境分析，确定施工期间航道占用范围，根据工程船舶布锚理论，绘制施工布锚图，保证施工船锚缆收缩在允许占用范围内；

步骤五锚泊方案校核分析

通过相关软件核算铺管船锚泊方案各锚缆受力情况；所述相关软件的核算，包括通过锚泊分析，基于布锚理论，绘制航道段施工布锚图，基于三维绕辐射势流理论，对铺管船航道段布锚，进行水动力分析，得到船舶运动RAO、质量矩阵、势流阻尼矩阵；建立锚泊系统模型，考虑船舶影响，施加载荷，进行静力分析和动力分析；

坐标系

锚泊系统模型坐标系坐标原点设置在吃水平面内，环境力的方向为X轴正方向与其的夹角，逆时针旋转为正；

风浪流的方向指的是其传播方向，风浪流方向角是指风浪流传播方向与x轴逆时针方向的夹角,由此可知，随浪方向为0°，迎浪方向为180°；

计算模型

湿表面模型为船体与外部海水接触的外表面，即定位接受外部水动力压力的表面；

质量模型属性的计算考虑吃水铺管状态下空船结构、设备、舱室压载、燃油和淡水重量分布情况；

模拟方法

进行船舶锚泊系统的时域全耦合分析，由船舶的水动力性能分析得到船舶运动RAO、质量矩阵、附加质量矩阵、势流阻尼矩阵、静水刚度矩阵、波频载荷RAO和平均漂移力载荷RAO，建立整个锚泊系统模型，施加锚缆的水动力系数、风流环境载荷受力系数、环境条件和其它外部载荷受力；

根据以上各参数进行求解时域受力运动方程，得到船舶的位移和锚缆张力的时历曲线,整个分析过程分为静力分析和动力分析，静力分析考虑作用在船舶/系缆上的风、流和漂移力的平均力载荷以及外部载荷，可求得船舶锚泊系统的平均偏移位置和锚缆张力情况，并作为下一步动力分析的运动起始位置，动力分析考虑了船舶、锚缆和外部载荷的动态效应，计算得到船舶的位移和锚缆的张力的时域分析结果；风力系数和流力系数

风载荷的定义式

F＝0.5·ρAC_F·C_D·v²

M＝0.5·ρABC_F·C_D·v²

式中：F—风力(N)；M—风力矩(N·M)；ρ—空气密度(kg/m³)

A—受风面积(m²)；B—风作用点与重心的距离(m)

C_F—风力高度系数；C_D—为风力形状系数；v—平均风速(m/s)

获得折减后各个风向上风力作用有效投影面积，进而转化为软件计算中所需要的x轴和y轴以及绕z轴的风力系数；

步骤六现场实施技术

施工过程要基于铺管船自身锚泊能力，航道通航情况，过往船只避让，航道海流方向转换；所述基于铺管船自身锚泊能力，施工指挥者要充分考虑航道通航情况，航道海流方向转换，过往船只避让问题，起抛锚作业，施工过程中，航道涨潮、落潮时，海流方向呈现相反方向，起抛锚作业要考虑海流方向，在平流期进行起抛锚作业，铺管船锚缆对过往船只存在威胁，需要在各锚点设置监护船，警示过往船只进行避让；

所述步骤二的锚泊系统铺管船海管铺设时的受力来源分析，包括

轴向偏转力分析；

来自船舶摇荡形成的冲击负荷，这是海管在铺设时主要的受力来源，对海管造成的冲击效果也最大；

作用在管道上的纵向制动力和牵引力分析，

制动力来自作业船舶的张紧器；牵引力来自作业船舶的收放绞车；

垂向力分析

受力部位在托管架尾后部，管道二次曲率转换位置，即管道入水的弯段区域，垂向力来自管道自身重力及船舶随波浪上下浮动形成的叠加载荷，船舶后移时作用在管线上的后置载荷，容易造成海管弯折；作业线滚轮、托管架滚轮对管线产生的承托力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤四基于航道环境分析，确定航道铺管施工期间允许占用的范围，根据工程船舶布锚理论，绘制布锚图，考虑铺管船在中间位置，让开后面封航航道，占用前面通航航道这一锚位转换点。