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海洋管道工程

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  在海底铺设输送石油和天然气管道的工程。海洋管道包括海底油、气集输管道,干线管道和附属的增压平台,以及管道与平台连接的主管等部分。其作用是将海上油、气田所开采出来的石油或天然气汇集起来,输往系泊油船的单点系泊或输往陆上油、气库站。海洋油、气管道的输送工艺与陆上管道相同。海洋管道工程在海域中进行,工程施工的方法则与陆上管道线路工程不同。

  20世纪50年代初期,人们开始在浅海水域中寻找石油和天然气。随着海洋油气田的开发,首先出现了海洋输气管道。天然气必须依靠海洋管道外输,浅海中采出来的原油则可由生产平台直接装入油船。在深海中采出来的原油,大型油船停靠生产平台会威胁到平台安全,因此出现了海中专用于停靠大型油船的单点系泊。这样,就要有连接各生产平台与单点系泊之间的输油管道。70年代,在海域中开发了大型油气田以后,开始建设了大型海洋油气管道,把开采的油气直接输往陆上油气库站。

  主要特点是:①施工投资大。在一般海域中铺设一条中等口径的海洋管道需要一支由铺管船、开沟船和10余只辅助作业的拖船组成庞大的专业船队。此外,还需要供应材料、设备和燃料的船只等。租用专业船队的费用是海洋管道施工中的主要费用,由于这一费用较高,致使海洋管道施工费用比陆上同类管道要高1~2倍。②施工质量要求高。不论是在施工期间或投产以后,海洋管道若发生事故,其维修比陆上管道维修困难得多,因此,海洋管道施工要确保质量。③施工环境多变。海况变化剧烈而迅速,如风浪过大,施工船队难以保持稳定。在这种情况下,往往须将施工的管道下放到海底,待风浪过后再恢复施工。④施工组织复杂。海洋管道施工中,管道的预制,船队的配件、燃料和淡水的供应等,都需要依靠岸上的基地;船队位置和移动方向的确定,也是依靠岸上基地的电台给予紧密配合。因此海洋管道施工具有海陆联合组织施工的特点。

  路由选择和勘测 寻找一条较平坦、地质条件又稳定的海下走廊是保证管道长期稳定的基础。首先是在详细的海图上选出几条走向。其次沿着各条走向用声纳测深仪实测海底地形;用覆盖层探测仪和侧向声纳扫描仪,描绘出几十米深的纵断面工程地质图,探明海底泥层的构成、岩性、断层位置以及有无埋设其他管道等。然后将所取得的几条走向资料进行对比,以确定最优的路由。路由确定后,沿着确定的路由从海底中取出土样,测定土壤的抗剪切力、致密度和比重等,以便用这些数据来确定管道施工方案。

  海洋管道施工受到海浪的直接干扰,因此,必须详细勘察施工海域内不同季节海浪的发生周期、持续时间、方向、浪高、波长以及频率等;并须取得多年的资料作为选择施工用的船型、安排施工季节和进度的依据。海浪勘测可采用海浪记录仪。

  水流会影响管道施工时的安全和管道投产后的稳定性。施工前应沿着路由实测海水流速的垂直分布和流向等,并收集多年各季度的实测资料,从而对管道的稳定性、振动进行核算。管道在水下承受多种作用力,尤其是水流的作用力,其中包括水平推力和上举力。在垂直方向上,只有管道的重量大于上举力和浮力时,管道才能稳定。当管道裸露铺设在起伏不平的海床上,水流流过管道的悬空段时,管道容易产生振动,甚至导致断裂。测出海底处海水流速,就可以计算出最大允许悬空段的长度。增加管道重量仍难克服水流对管道的作用力时,应采取开沟埋设或其他稳管措施。

  指导铺管船沿着路由方向移动和确定在海域中施工船队位置的作业。海上定位的方法是在岸上设置两座以上已知其经纬度的定向电台,定向电台发射微波定向信号。作业船上安装有无线电定向仪,可以精确地测定船与岸上各电台间的夹角,从而准确地测出船所在的位置。在近海作业时可以用微波发射信号;在远海作业时一般用 200米的无线电长波发射信号。这两种方法均能达到铺管作业定位所需要的精度。

  海洋管道铺设作业是由陆上管道穿越河流、湖泊水域的施工方法发展起来的。铺管作业主要有三种方法:铺管船铺设、牵引法铺设和用卷筒船铺设。作业过程中选择何种方法是根据管径大小、海水深浅、海况和距岸远近等条件确定的。近年来海洋油气田探勘接近千米深的海域,海洋管道施工技术正向这一深度发展。70年代末期已能在600米深的海域中铺设管道。

  ①铺管船铺设。这种方法最为常用。50年代在开发浅海区油气田时,多采用人工开出一条能通行浅水船的河道,并在一种用浮箱拼装而成的铺管驳船上,把管子组装起来,当驳船向后移动时,焊接好的管段即滑入水中。这种铺管驳船逐步发展成为大型铺管船。1956年第一艘较大型的铺管船投入使用。船上可以堆放管材,设有吊运管子的起重设备和管段的组装线,还有托管架作为管段下海的滑道。这种铺管船锚定技术较完善,可在30米深的海域作业。此后,铺管船不断地发展,出现了具有自航能力,可铺设更大口径的管道,能在较深的海域作业的自航式铺管船。1965年在开发大西洋的北海油气田时,这种类型的铺管船因抗风浪能力差,不能适应北海区的海况,作业经常被中断,经过改革船体结构,制成半潜式铺管船,加强了抗风浪能力。70年代初期“乔克陶Ⅰ”号半潜式铺管船在澳大利亚的巴斯海峡投入使用,证明半潜式铺管船稳定性好,并能在120~180米深海中进行铺管作业。1979年半潜式“卡斯特罗”号铺管船,在建设由非洲阿尔及利亚经突尼斯穿过突尼斯海峡通向欧洲意大利的输气管道时,成功地在608米深的海域中铺设了500毫米管径的管道。

  铺管作业过程是将管子经陆上预制厂加上水泥加重层后,用船运到铺管船上,将管子逐段组装焊接,焊好的管段在铺管船向前移动时,从船尾部的托管架上滑入海中。整个铺管作业的过程中,管段下滑的长度必须与船的位移量同步,同时,铺管船必须处于较稳定的状态。为此,在铺管船的前后左右布置有4~6个船锚,调节锚缆的松紧可稳定船只;调节锚缆的长短可移动船位。管段自托管架的尾部滑向海底时,悬吊在海水中形成一个由上拱弯转为下弯曲的S形,使管段受到复杂的弯曲应力的作用,此外,还受到浪涌和水流的冲击力的作用。为了使管段不产生永久变形,须用托管架保持上拱弯尽可能大的弯曲半径,并使下弯曲处处于容许弯曲应力的范围以内。因此船上有能力足够的张力机夹住管段,使之不能自由滑动,并且使管段下滑同船的位移距离一致。

  ②牵引法铺设。先在海岸上将管子组装成1~2公里长的管段,然后用拖船将管段牵引下海,一段段地拖到预定地点,在海中对接,形成一整条的管道。在较平静的海域中,管段可在水面上或水面下漂浮拖曳;风浪大的海域,可以在海底拖曳。近年来牵引法在浅海海域中铺设管道,应用较多。这种方法无须使用铺管船和开沟船,并可减少很多辅助船只,费用较省。但是采用这种方法必须注意确保施工质量。施工过程中如发生故障,仍需大型船只来排除。

  ③卷筒船铺设。管子卷绕在船上直径很大的卷筒上,铺设时将管子从卷筒上退绕下来沉入海底。这种方法多用于铺设管径较小的管道,其优点是进度快和连续性好。正在研究用这种方法铺设管径为400毫米的管子。

  卷筒铺设曾在第二次世界大战中应用。1944年在快速铺设穿越英吉利海峡的战时输油管道时,就曾采用这种方法。当时用铜锡铅合金制成铠装的柔性管材,卷绕在船上的卷筒上,就像敷设海底电缆一样,将管道铺设在海底,共铺设了管径77毫米的管道12条。

  开沟作业 在海底开一条沟,将管道埋入沟内,这是对不宜裸露铺设的管道的一项重要安全措施。为了准确地将管沟开在管子所在位置上和尽可能减少开挖的土方量,一般都采取先铺管后开沟的办法。70年代中期在修建自北海埃科菲斯克油田至联邦德国的埃姆登的输气管道时,曾用这种方法铺设。这条管道全长442公里,管径为920毫米,其中约有150公里的管道是开沟埋设的。管道铺设在海底以后,将一台撬式开沟机“骑”在管道上,由开沟船牵引移动,并从开沟船经软管向撬式开沟机供给高压水和压缩空气。根据所需的沟形和深度,在开沟机上布置多组喷嘴,喷嘴射出的高速水流冲击管道下面和两侧的泥土,使之成泥浆,同时打入空气将泥浆冲挤出沟外。管沟开出后,管道靠自重作用沉入沟底。开沟船可开挖较硬质的海底,开沟深度可达2.1~4.6米,可在100米深的水下作业。

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