長距離海底管線預挖溝后鋪管施工方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及海底管道鋪設的技術領域，具體涉及一種長距離海底管線預挖溝后鋪 管施工方法。
【背景技術】
[0002] 隨著海上油氣田開發不斷向深層和新領域擴展，海上平臺工藝處理流程越來越簡 化，越來越多的海底管線被采用，管線鋪設過程中不可避免的會出現穿越繁忙的航道、港口 等交通密集段海域的現象，因此為保護管線而加大埋深。埋設的深度是傳統的后挖溝機無 法實現的，因此需要長距離預挖溝后鋪管。
[0003] 目前，國內外規范對長距離海底管線預挖溝后鋪管施工技術，只有在DNV-0S-F101 中對管溝的要求為"sufficiently smooth"，即"足夠平滑"的定性規定（the trench shallbe excavated to a sufficiently smooth profile to minimise thepossibility of damages to the pipeline, coating and anodes)，但在實際施工中可操作性很差，很難 判斷管道的穩定情況。國內外沒有長距離海底管線預挖溝后鋪管的施工先例。
【發明內容】
[0004] 針對以上情況，本申請的發明人在查閱國內外資料的基礎上，通過大量分析和試 驗，開發出一套滿足長距離海底管線預挖溝后鋪管施工的方法。該方法基于有限元模型 而分析出長距離海底管線預挖溝溝底平整度，實現了對長距離預挖溝后鋪管的安裝應力控 制，解決了長距離海底管線預挖溝后鋪管的施工難題。該方法首次提出了長距離海底管線 預挖溝后鋪管施工的解決方法，保障了新鋪設管道的安全。該方法綜合考慮控制投資、縮短 工期、方便現場施工等方面因素，首次突破了傳統的先鋪管后挖溝方式，形成適用于長距離 海底管線預挖溝后鋪管施工的技術方案，將長距離海底管線預挖溝后鋪管施工技術成功應 用在西氣東輸二線香港支線海底管道國家重點項目中。
[0005] 該方法具有經濟、高效、無污染、操作性強等特點，滿足施工要求。
[0006] 根據本發明的實施例，提供了一種長距離海底管線預挖溝后鋪管施工方法，其包 括如下步驟：步驟1、對欲鋪設管線的海底位置進行預挖溝，形成管道溝槽；步驟2、計算欲 鋪設管線在管道溝槽的各個軸向位置處的預應力值；步驟3、將計算出的各個軸向位置處 的預應力值分別與預應力標準閾值進行比較；步驟4、根據比較結果，確定管道溝槽中的預 應力值超過預應力標準閾值的軸向位置，并進行整改施工。
[0007] 本發明具有以下有益效果：
[0008] 1、為國內首次長距離海底管線預挖溝后鋪管施工，管道規范沒有推薦做法，且長 距離海底管線預挖溝后鋪管施工，在國內外都沒有先例；
[0009] 2、經濟、高效、操作性強。可有效解決工程所在海域功能區劃復雜、船舶活動頻繁、 項目投資控制嚴、計劃實施工期緊的要求。
[0010] 3、長距離海底管線預挖溝后鋪管施工，挖溝中溝底平整度控制不當，極易造成新 建管線局部應力過大，導致變形甚至損壞，產生不可估量的后果。該方案能夠滿足該工程項 目投資控制嚴、計劃實施工期緊的特點，滿足現場工程要求。
[0011] 4、長距離海底管線預挖溝后鋪管施工方法，在工程中取得了良好的效果，可解決 長距離海底管線預挖溝后鋪管施工和工期緊張的實際問題，產生明顯的經濟效益。
[0012] 5、長距離海底管線預挖溝后鋪管施工，在國內外都沒有先例，首次在西氣東輸二 線香港支線海底管道工程中應用，成功解決了近20公里預挖溝后鋪管的難題。因此，該項 技術的突破，對填補國內空白、解決我國海底管線預挖溝后鋪管施工的技術難題等具有重 要的意義。為同行業海底管道的施工提供有力的借鑒參考價值。
【附圖說明】
[0013] 圖1為根據本發明的實施例的管溝開挖斷面圖；
[0014] 圖2為根據本發明的實施例的分段及分條挖溝圖；
[0015] 圖3為根據本發明的實施例的分層階梯開挖圖；
[0016] 圖4為根據本發明的實施例的抓斗挖泥船挖泥圖。
【具體實施方式】
[0017] 長距離海底管線預挖溝后鋪管施工方案：
[0018] 本申請提供了以下技術方案：
[0019] (1)管溝設計圖及鋪管環境分析
[0020] 圖1為根據本發明的實施例的管溝開挖斷面圖。通過對管溝設計圖及鋪管海域的 水深、地質、風、浪、流情況的分析，研究確定抓斗式挖泥船適合設計管溝的開挖。
[0021] (2)預挖溝后鋪管風險點分析
[0022] 施工作業中最大的風險來源于管溝平整度對管線的在位穩定性的影響。與海洋工 程中常見的先鋪管后挖溝不同，海管預挖溝工藝類似于疏浚工程中的基床開挖，截面小，長 度大，溝底平整度是預挖溝后鋪管施工的主要風險點，直接影響著管線的平穩安全入溝。 [0023] (3)管溝開挖方法分析
[0024] 通過對管溝開挖機具自身系統的研究，明確配合鋪管施工的管溝開挖方法。圖4 為根據本發明的實施例的抓斗挖泥船挖泥圖。抓斗式挖泥船是挖泥船中一種適應性較強的 船型，適用于管溝的挖泥作業。如圖4所示，抓斗式挖泥船的主要構造包括抓斗機和抓斗兩 部分。其中抓斗機配備傳動系統和控制系統。傳動系統由內設的柴油機及傳動裝置組成， 用于驅動抓斗的升降和開閉；控制系統由升降斗滾筒、開閉斗滾筒和變幅滾筒組成，滾筒均 設有離合器和剎車，采用液壓控制方式，能自動控制斗速和挖深，自動減緩下落速度，平穩 著底，并保證抓斗全部張開。所述變幅滾筒通過鋼纜與起重吊桿連接，用于控制起重吊桿的 長度。工作時，將抓斗升至挖泥位置的水面上方，通過控制開閉斗滾筒將抓斗完全打開，再 依靠抓斗自重沖入水中，將抓斗插入泥層一定深度，然后提升鋼纜，閉合抓斗以挖掘和抓取 泥沙，最后，控制升降斗滾筒和開閉斗滾筒，將裝滿泥沙的抓斗提升出水面一定高度，并旋 轉吊桿，將挖掘的泥沙卸入靠駁挖泥船舷旁的泥駁，抓斗返回至挖泥點上方，完成一個作業 循環。
[0025] 圖2為根據本發明的實施例的分段及分條挖溝圖，圖3為根據本發明的實施例的 分層階梯開挖圖。如圖2、3所示，管道頂面以上采用大型抓斗挖泥船進行粗挖，底層0. 5m~ Im采用具有定深功能的小型抓斗挖泥船進行精挖。挖泥方式采用分區、分段、分條進行，每 層開挖2m厚泥層，抓斗式挖泥船每IOOm左右為一分段長度，每12m為一分條寬度。香港支 線挖泥邊坡為1:4與1:7,需進行分層階梯開挖，按照"下超上欠，超欠平衡"的原則，粗挖后 邊坡形成鋸齒狀，未挖泥層已在開挖過程中受到擾動，擾動土在重力作用下自然坍塌成1:1 邊坡，后局部找坡，最后形成1:4與1:7的邊坡。
[0026] (4)確定海管鋪設合格的控制標準（即，管道所能承受的預應力的上限）
[0027] 根據DNV1981規范對海底管道在位強度進行分析，分別計算出環向應力、軸向應 力（包括熱膨脹應力和路由彎曲應力），然后進行等效應力計算，最后得出海管鋪設合格的 控制標準。
[0028] 環向應力：
[0030] 其中，P1為管道內壓，p 靜水壓力（海域的水壓），D為管道公稱直徑，t為鋼管 最小壁厚。
[0031] 熱膨脹應力：包含溫度應力和內壓作用生成的軸向應力
[0032] 溫度應力：
[0033] σ1τ= aEAt (2)
[0034] 其中，α為管材線膨脹系數，E為鋼材彈性模量，△ t為最大或最小運行溫度與安 裝溫度之間的溫度差。
[0035] 根據以下公式計算內壓作用生成的應力：
[0037] 其中，υ為泊松比，山為鋼管內徑，
[0038] 路由彎曲應力：
[0039] Q1r= DE/2R (4)
[0040] 其中，D為管道外徑，E為鋼材彈性模量，R為路由彎曲半徑。
[0041] 根據熱膨脹應力和路由彎曲應力，得到軸向應力：
[0042] O1=O 1τ+ σ ρ+ σ 1RO
[0043] 接下來，等效應力按下式計算：
[0045] 其中，τ x