CN109506044A - 一种海底输油管道施工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底输油管道施工工艺，其包括如下步骤：陆上分段预制海管，将分段海管横向滑移下水；海上拖航分段海管至安装区域；安装区域内通过沿海管铺设路线分布的定位钢桩进行定位；在海上对分段海管依次进行干式对接；采用至少两次配重下沉方式对海管进行海底沉放。本方案具有施工方便、施工成本低和质量可控等特点，同时能够在没有专业的施工船舶和设备的情况下，完成海底输油管道的快速铺设。
Description
技术领域
本发明涉及管道施工工艺，具体涉及海底输油管道施工技术。
背景技术
海底管道是通过密闭的管道在海底连续地输送大量油(气)的管道，是海上油(气)田开发生产系统的主要组成部分，也是目前最快捷、最安全和经济可靠的海上油气运输方式。
众所周知，输油管道的海底铺设是难度很大的海洋工程，因为它要面对作业条件比较恶劣的海况和气象变化，如作业海面还具有一定的洋流，一些区域气候变化显著，每天基本有雷暴雨，引起的风浪给海上作业带来难度。由此，进行海底铺设输油管道时，一般都需要比较专业的施工船舶和设备，并且整个施工方案比较的复杂，施工成本较高。
由此可见，现有的海底铺设输油管道铺设工艺，将无法适用于设备资源条件匮乏(没有专业的施工船舶和设备)的情况。
再者，现有的海底输油管道铺设方案，一般都是针对单管型式输油管道，对于多管并列的输油管道，现有的海底输油管道铺设方案将无法适用。
由此可见，提供一种施工方便，施工成本的海底输油管道铺设方案为本领域亟需解决的问题。
发明内容
针对现有海底输油管道铺设方案复杂，施工成本较高的问题，需要一种施工方便，施工成本低的海底输油管道铺设方案。
为此，本发明的目的在于提供一种海底输油管道施工工艺，以克服现有技术所存在的问题。
为了达到上述目的，本发明提供的海底输油管道施工工艺，包括：
陆上分段预制海管，将分段海管横向滑移下水；
海上拖航分段海管至安装区域；
安装区域内通过沿海管铺设路线分布的定位钢桩进行定位；
在海上对分段海管依次进行干式对接；
采用至少两次配重下沉方式对海管进行海底沉放。
进一步的，所述陆上分段预制海管包括：
陆上预制海管节段；
将海管节段拼接成多列的海管分段。
进一步的，拖航分段海管时，分段海管的的头尾部设置海管拖拽装置，对分段海管两端进行密封。
进一步的，所述定位钢桩沿海管铺设路线等距单排设置；同时，定位钢桩设置在海管水流的上游方向。
进一步的，在对分段海管进行干式对接时，通过在分段对接处的定位钢桩上设置干式工作平台，用于将相邻海管分段端部吊出水面后，在平台上实施分段对接。
进一步的，所述分段海管干式对接过程包括：
(1)海管提升
将分段海管接头处法兰提升出水面，并且使此处的海管呈水平状态，待对接的分段海管上的法兰中心线处于同一水平线；在提升分段海管时，进行逐根海管提升，每根海管提升时，采用分阶段提升，每阶段提升时，依次从两头到中间进行提升操作；
(2)分段海管对接；
通过螺接完成分段海管的对接，每对法兰在螺栓穿入前必须至少用两根定位销先进行打入，然后才依次将螺栓穿入，替代定位销；在完成螺栓固定，并进行3PE包敷后，再进行法兰罩壳的安装；
(3)海管的下降
海管分段对接工作完成，并经检查合格后，应尽快将海管下放至海面。
进一步的，所述海管进行海底沉放时，包括：
第一次用吊挂配重将分段海管下沉到水中，使分段海管处于半悬浮状态；
第二次用锚碇配重沿铺设方向依次将分段海管压沉海底。
进一步的，进行吊挂配重时，沿海管长度方向，每隔一段距离设置一组海管配重，且配重的重心应低于钢管中心线不小于30cm，使浮心位置高于重心位置。
进一步的，每组海管配重之间的横向间距大于分段海管的横向总宽度。
进一步的，锚碇配重呈马鞍型，由起重机直接从驳船甲板上配重吊入水中，并且直接骑在沉底的分段海管上。
本发明提供的方案具有施工方便、施工成本低和质量可控等特点，同时能够在没有专业的施工船舶和设备的情况下，完成海底输油管道的快速铺设。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明实例中海底输油管断面示意图；
图2为本发明实例中的施工总流程图；
图3为本发明实例中预制胎架的结构示意图；
图4为本发明实例中海管滑道的结构示意图；
图5为本发明实例中管卡断面结构示意图；
图6为本发明实例中海管拖拽装置的结构示意图；
图7为本发明实例中海上工作平台的结构示意图；
图8为图7在A-A方向的剖视图；
图9为图7在B-B方向的剖视图；
图10为图7在C-C方向的剖视图；
图11为本发明实例中悬挂配重的布设示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本实例以某海底输油管线工程为例。本输油管道为输送汽油、柴油和航空煤油之用，其结构型式为三根并列管道，管道之间由镀锌钢抱箍连接。铺设区域水深不超过10m。输油管道铺设在海底后的断面型式见图1所示。
考虑海管在水底侧向稳定性，图中钢筋混凝土配重10的重量为780kg(空气中)，海管20布设间距为10m。
同时，该海底输油管线工程还面临如下问题：
(1)工期紧，基于成本的考虑无法使用专业的施工船舶和设备；
(2)海管的结构型式为并列三管，与常规单管型式显著不同，这对陆上预制、海上拼接特别是海底沉管带来很大困难。
针对该问题，本实例给出了一种海底输油管道施工工艺，其能够在专业施工船舶和设备的辅助下，高效的完成海底输油管道的预制、铺设、防腐补口、阴极保护、稳管配重、管卡和弯头安装等工作。
本海底输油管道施工工艺的总体流程如下：
首先，采用分段陆上预制；
接着，分段海上拖航；
接着，分段钢桩定位；
接着，分段对接；
最后，分段海底沉放。
由此，可以大幅度减轻海管专用船舶设备的需用压力。
在具体实施时，本实例在海管路线上，振打间距为70m的单排定位用钢管桩，使得分段海管浮拖到安装区域后用绳索绑扎在定位桩上，定位桩设置在海管水流的上游方向，防止海管受侧流作用后与定位桩相碰受损。
再者，与海管铺设时常用的海管纵向滑移下水方法不同，本实例采用横向滑移方法。具体做法是：选择与海管分段拖航方向大致平行的海岸线，设置能拼装相应长度的海管分段的陆上总装(兼滑移)胎架。滑移胎架上一次可布置数组海管分段，由此可以提高海管陆上预制效率，为加快工程进度创造有利条件。另外，胎架焊接区还设置了防风和防雨移动棚，以确保焊口质量。
再者，本实例租用45m×13m×2.9m满载排水量1000t甲板驳，其稳性和甲板强度满足本工程要求。设置本工程作业用的锚机，锚和锚缆。安放打桩用的50t吊机、打桩架、液压振动锤和发电机。
再者，本实例在海管分段海上对接时，采用干式施工方法，即在分段对接处的定位桩上设置干式工作平台，用于手拉葫芦将相邻海管分段端部吊出水面后，操作人员在平台上实施分段对接，大大提高了对接精度和质量，安全也得到保证。
再者，本实例在海管沉底采用两次配重下沉方法，第一次用吊挂配重方法将海管下沉到水中，使海管处于半悬浮状态，并保证不侧翻和改善海管纵向弯曲曲率半径；第二次用马鞍型配重沿铺设方向依次将海管分段压沉海底。
据此施工方案，本实例实施上述海底输油管线铺设工程的流程如下(参见图2)。
一、海管的陆上拼装及横向滑移
1.1海管分段长度选择
本实例中的海管总长度约为3123m×3列，为尽量减少海上接头数量，根据钢管出厂每节长度、海沉、拖航难度和陆上预制海岸线长度等综合因素考虑，决定陆上拼接后海管下水长度为424.8m×3列(纵向为11.8m×36节)。
1.2陆上预制胎架和总拼装(兼滑移)胎架的场地布置
为了使总拼装后的海管分段顺利下水，在现场新填陆域西侧的海岸线选择长度436m、横向宽度为28m区域设置海管预制和总拼装(兼滑移)区。预制区即为把3根11.8m的钢管拼接成35.4m长的节段区，总拼装(兼滑移)区即为把9根35.4m的节段总装成424.8m×3列的分段区。
由此，本实例在陆侧海管预制区在6m宽的总长度内，共设置长度为36m的预拼装胎架9个，胎架之间距离为11.25m。每侧海管滑移区在12m宽的总长度内，共设置间距为23m的滑道(兼总装胎架)19根。
1.3陆上海管节段的预制
1.3.1预制胎架
参见图3，本实例中的陆侧海管预制区胎架90为了防止海管涂层的损坏，胎架上表面铺以木方91，在每根长6m木方之下垫以充填由砂和水泥拌合而成的水泥砂袋92，其上表面应用木方搁置，并进行密实和找平。再用水淋湿并凝固后组成一条简易胎架。每个预制胎架下共设置上述胎架6条，其间距布置根据拼装时挠度的控制要求而定。
再者，本始终进行设置胎架时，每条木方上表面标高应用水平仪找平，其偏差不应大于±3mm。
1.3.2海管节段的预制
海管节段在海岸预制区进行初次拼接，由此可以充分拓展工作面，减轻钢管时焊接难度，缩短海管分段在滑移胎架上总装时间，加快工程进度。
本实例中的海管节段预制的主要工作是：将3根11.8m钢管对接成35.4m。海管焊接时，焊接位置应采用平焊，以提高焊接质量。为此施焊过程中应将海管节段在其周向不断的在木方上进行滚动。管节焊接采用氩弧焊，为保证焊接质量需要采用抗风防雨的移动式防护棚。
1.4陆上海管的总拼装
1.4.1总拼装(兼滑移)胎架的设置
海管分段的总拼装即是将陆上预制成的长度为35.4m海管节段在海陆交界处的总装(兼滑移)胎架上拼接成424.8m×3列的海管分段。
本实例中通过设置相应的海管滑道来作为总拼装(兼滑移)胎架。参见图4，该海管滑道30有总装、滑移两大功能，其长度约为12m，其上布置了3～4组长424.8m的海管分段(视潮位高度而定)，滑道坡度略大于1:8，滑道混凝土基础31支承于经过压实处理后的填筑土(陆上部分)或经抛石碾压后的石床(水上部分)上，混凝土基础上表面铺设长为12m的P50钢轨32，钢轨上面复贴一根倒扣的12#槽钢，槽钢上面最后再敷上枕木。为降低海管下水时的摩擦阻力，在槽钢和钢轨之间敷涂了油脂。在结构的斜上方，各设置了一个滑移下水的快速脱钩装置33。
为防止海管分段下水时速度过快，或发生滑道速度不均造成滑道卡死现象，在滑道基础近陆侧端底部位置预设一根水平系留柱，露出长度约为40cm，在系留柱上缠绕绳索或设置手拉葫芦，可以比较方便地处理好上述问题。
1.4.2陆上海管的初拼及总拼装
(1)预制节段的吊装
预制海管节段完成并经检验合格后，应用履带吊将预制区海管吊上海侧区滑移胎架上进行总拼装。吊装采用尼龙带三点吊，最外侧的两根吊带距离约为24m，其水平夹角为60°，中部吊带用手拉葫芦控制海管在中部的下挠度。
(2)海管分段的总拼装
陆上海管的总拼装在横向滑道上进行，为防止搁置后中部有明显的下挠度，造成管口焊接应力的增加，在两组滑道之间，采用垫木两组进行支撑(支撑应离开焊接区以不影响焊接)，垫木上表面应与滑道上搁置点的上表面齐平。35.4m节段在胎架上定位时，应在分段全长424.8m范围内用经纬仪进行直线度找正，最大直线度偏移量不得大于50mm。焊接仍采用氩弧焊，应使用全位置焊接的优秀焊工进行焊接以确保质量。焊接完成后按设计要求分别进行超声波和射线探伤。
(3)管卡安装
陆上钢管分段焊接和防腐工作结束并经检验合格后，在长度方向每隔30m,用型钢制成的管卡将3根钢管连接成整体，如图5所示。
1.5海管分段的横向滑移入水
海管分段横向滑移下水，正式下水时，海平面能淹没横向滑道下端的钢轨。海管分段滑移时，在重力作用下海管徐徐下滑。此过程中要保证海管分段不超速下滑，直至海管分段完全进入水中。
二、海管定位桩的打设
2.1海管定位方法
由于本工程所处的海湾水深较浅最大潮差不超过1m，并有一定的侧向海流，为了使拖到施工现场的海管能在预定位置顺利定位，所以考虑在海管路由线上打设海管定位桩。定位桩直径取为800mm,定位桩间距定为70m,每处打入深度约为该处水深的1/2，钢管顶部在最大潮位时露出水面尺寸不小于1.5m。
2.2定位桩打设方法
本实例中采用在方驳上用履带吊配液压震动锤吊打的施工方法。
三、海管的拖航
海管横移下水后，应迅速从滑移区拖往安装位置进行与定位桩的绑扎固定。由于拖航作业对海况和天气要求高，所以海管横移下水和拖航作业应基本处于高平潮时间段，以减轻横向海流的影响，确保安全。
海管拖航时头尾部设置有海管拖拽装置，用于与拖轮拖索连接，拖拽装置必须在海管陆上下水前安装完毕。
参见图6，本海管拖拽装置40主要包括盲板41，密封垫，连接槽钢42配合构成。
其中，海管端头的法兰板21与盲板41之间通过连接螺栓41和密封垫进行密封连接。法兰板与盲板连接螺栓按一定顺序分批紧固，确保海管拖航过程中不产生漏水现象。
拖航结束后，盲板连接螺栓和密封垫应严加保管，以便后续海管拖航时使用。
四、海管分段的水上对接
海管浮拖到现场后，需进行海上对接，对接方式根据设计要求采用法兰连接方式，为此必须选择干式施工方法。由于对接场所位于海上，因受到风浪影响，接头不可避免会发生摇摆和窜动，从而造成对接困难，对安全也极为不利。在分析各种方案的利弊，再结合现场水深较浅的特点后，本实例采用在定位桩上设挂架式可拆卸平台的施工方法。
4.1海上工作平台的搭设
参见图7-10，本实例在海管接头两侧各51.5m范围内，共打设6组定位桩50，每组定位桩共2根。这6组定位桩的作用是用于悬挂法兰对接时施工平台用，中间2组用于悬挂法兰对接用大操作平台60，旁边各2组用于悬挂海管端部提升出海平面手拉葫芦72小操作平台70。为了方便法兰对接操作，要求5个悬挂平台中心线处于同一直线上，其偏差不能大于5cm。
本实例在近悬挂平台的定位桩顶部应开缺口让悬挂横梁71嵌入，远离悬挂平台的定位桩壁板两侧应开孔让悬挂横梁71穿入，以确保横梁和平台安全。
横梁上吊2个挂架，上面铺设厚度为5cm木板61，组成一个工作平台，工作平台为两层，底层距水面约0.5m，上层距底层约1m。木板与挂架采用粗铁绳丝或尼龙绳进行绑扎，平台四周用尼龙绳进行围护。
4.2海管分段的对接操作
海管对接操作必须选择具有良好作业环境和时间的平潮时段。另外，为了进一步降低海管在水面上的振动和侧向位移，必须用尼龙绳将海管绑稳在定位桩上(但可以上下滑动)后方可施工。
(1)海管的提升
海管法兰对接时，需将接头处法兰提升出水面，并且使此处的钢管呈水平状态。由于钢管具有一定的刚性，所以除接头处提升点外，必须在接头的两端各应增设2个提升点，才能达到目的。海管的提升，采用逐根钢管提升的方法。此时操作人员站在上层工作平台上，利用悬挂在门型架上的手拉葫芦，分别将法兰对接处两端海管逐根吊离至下层平台以上某高度处，然后将上层平台木铺板转移至下层平台。操作人员再从上层转移至下层，再分别用手拉葫芦调整各根钢管高度，使法兰两侧的钢管对接齐平。海管提升的手拉葫芦在长度方向共有6组，为不使手拉葫芦和海管弯曲应力超载，每根海管提升时，应采用分阶段提升方法。每阶段提升，手拉葫芦的加载应从两头到中间。只要达到左右两个法兰中心线处于同一水平线，并在下层平台以上高度0.5m时提升，工作即告完成。
(2)海管分段的对接
海管分段正式对接前，必须将3根海管全部用以上方法提升至下层平台以上0.5m处后，才能同时将3根海管法兰实施对接。当两海管法兰间隙尺寸过大时，因螺栓长度不足，将导致两法兰无法合拢的情况出现。为此，必须用预先准备的张紧器，手拉葫芦或长螺杆将法兰间隙调小后才能穿入正式螺栓。螺栓紧固时，每对法兰在螺栓穿入前必须至少用两根定位销先进行打入，然后才依次将螺栓穿入，最后替代定位销。严禁将螺栓强行穿入损坏螺纹。螺栓穿入的方向应一致，并注意垫圈倒角的方向。
在海管法兰对接符合要求，并进行3PE包敷后，再进行法兰罩壳的安装。
(3)海管的下降
海管分段对接工作完成，并经检查合格后，应尽快将海管下放至海面。下放前，应将下层平台的木板转移至上层，人员上爬至上层平台后再进行手拉葫芦的操作。手拉葫芦操作顺序正好与海管提升顺序相反，操作时应注意各相邻平台一致性和协调性，确保提升段内海管曲线不出现突变和手拉葫芦超载现象发生。
五、海管沉放
5.1海管沉放方式
每两组海管分段对接后应尽早将前一段海管分段沉入海底，以抵御海上风浪和水流作用和确保船舶航行安全。海管沉放不能采用固体或液体负载一次性从头向另一头方向以逐步延伸加载方式使海管沉底，因为这样做，海管在水中的曲率半径极难控制，从而造成材料的破坏。
本实例中采用固体压载方法，并分两次实施海底沉放，第一次为悬挂配重即每隔一定间距在浮管上悬挂混凝土配重，每个配重的重量与该长度内海管浮力大致相同，使海管在尽可能大的长度范围内均匀下沉至悬浮状态。第二次为锚定配重，应在第一次配重加载后尽快进行，其压载亦采用每隔一定间距加马鞍型混凝土配重的方法，这二次加载目的主要是使海管在沉底后有足够的锚碇力，确保海管在以后使用过程中不产生由于海流等因素造成的侧向偏移。
5.2悬挂配重布设
参见图11，本实例沿管道长度方向每隔30m长度设置一组悬挂配重80。本实例中采用吊挂形式来悬挂配重80。
由于海管在沉入水中的过程中极易在海流、风浪影响下造成侧移或振荡，且此时浮心和重心共处一点，非常可能会发生海管的侧向扭转事故。因此采用了悬挂式配重的施工方法，即每隔30m设置一组海管配重80，悬挂绳索采用尼龙绳，配重的重心应低于钢管中心线不小于30cm,使浮心位置高于重心位置，以确保安全。每组配重的质量根据计算取为850Kg(空气中)。配重悬挂时为使一组三根海管均匀受力并保证第二次海管加载沉底时海管不骑在此组配重上，因此在海管悬挂处的上方加设了一根扁担81，使每组两个沉底配重80间的横向间距大于三根海管20的横向总宽度。
悬挂配重的加载采用用方驳改制的起重船，加载时在起重机吊钩下配置了具有自动脱钩功能的一副吊具，操作时起重机从驳船甲板上吊起配重至浮于水面的海管压载处，由于可自动脱钩，水上操作人员不需要通过交通船爬上海管上方进行松扣动作。
沉底配重最终还将成为锚固配重，不过这个功能只有在锚碇配重加载后才能实现。预先将沉底配重在长度方向设计成马鞍型，锚碇配重加载结束后，在吊车的配合下，操作人员在水下很方便地将沉底配重水平旋转90°，将沉底配重骑跨在海管上，最终亦作为锚碇配重。
5.3锚碇配重布设
本实例沿管道长度方向每隔10m设置一组锚碇配重。本实例中根据海管断面结构型式，采用呈马鞍型的锚碇配重，将直接骑在沉底的海管上。
锚碇配重也采用简易起重船布设，安装时起重机直接从驳船甲板上配重吊入水中。
六、定位桩拔除
在海管沉放完成后，依次将定位桩拔除，并完成沉放海管的试压和冲洗，以实现交付。
由上实例可知，本施工方案可以突破近海浅水区海底输油管道受制于施工专业船舶的技术难题，能大幅度降低工程成本，有着良好的经济效益和社会效益。本施工技术具有施工方便、新颖实用、质量可控和安全可靠的优点，可在类似的工程中推广使用。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.海底输油管道施工工艺，其特征在于，包括：
陆上分段预制海管，将分段海管横向滑移下水；
海上拖航分段海管至安装区域；
安装区域内通过沿海管铺设路线分布的定位钢桩进行定位；
在海上对分段海管依次进行干式对接；
采用至少两次配重下沉方式对海管进行海底沉放。
2.根据权利要求1所述的海底输油管道施工工艺，其特征在于，所述陆上分段预制海管包括：
陆上预制海管节段；
将海管节段拼接成多列的海管分段。
3.根据权利要求1所述的海底输油管道施工工艺，其特征在于，拖航分段海管时，分段海管的的头尾部设置海管拖拽装置，对分段海管两端进行密封。
4.根据权利要求1所述的海底输油管道施工工艺，其特征在于，所述定位钢桩沿海管铺设路线等距单排设置；同时，定位钢桩设置在海管水流的上游方向。
5.根据权利要求1所述的海底输油管道施工工艺，其特征在于，在对分段海管进行干式对接时，通过在分段对接处的定位钢桩上设置干式工作平台，用于将相邻海管分段端部吊出水面后，在平台上实施分段对接。
6.根据权利要求1所述的海底输油管道施工工艺，其特征在于，所述分段海管干式对接过程包括：
(1)海管提升
将分段海管接头处法兰提升出水面，并且使此处的海管呈水平状态，待对接的分段海管上的法兰中心线处于同一水平线；在提升分段海管时，进行逐根海管提升，每根海管提升时，采用分阶段提升，每阶段提升时，依次从两头到中间进行提升操作；
(2)分段海管对接；
通过螺接完成分段海管的对接，每对法兰在螺栓穿入前必须至少用两根定位销先进行打入，然后才依次将螺栓穿入，替代定位销；在完成螺栓固定，并进行3PE包敷后，再进行法兰罩壳的安装；
(3)海管的下降
海管分段对接工作完成，并经检查合格后，应尽快将海管下放至海面。
7.根据权利要求1所述的海底输油管道施工工艺，其特征在于，所述海管进行海底沉放时，包括：
第一次用吊挂配重将分段海管下沉到水中，使分段海管处于半悬浮状态；
第二次用锚碇配重沿铺设方向依次将分段海管压沉海底。
8.根据权利要求7所述的海底输油管道施工工艺，其特征在于，进行吊挂配重时，沿海管长度方向，每隔一段距离设置一组海管配重，且配重的重心应低于钢管中心线不小于30cm，使浮心位置高于重心位置。
9.根据权利要求8所述的海底输油管道施工工艺，其特征在于，每组海管配重之间的横向间距大于分段海管的横向总宽度。
10.根据权利要求7所述的海底输油管道施工工艺，其特征在于，锚碇配重呈马鞍型，由起重机直接从驳船甲板上配重吊入水中，并且直接骑在沉底的分段海管上。
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