埕岛油田海管立管悬空治理的常用方法

摘 要：根据目前埕岛油田海管出现悬空的实际情况，对海管立管悬空形成机理进行了分析，重点介绍了水下支撑桩、仿生水草和铺设土工布加抛填砂袋三种治理方案原理进行了分析，并对海管立管悬空治理的不同方案应用进行了综合评价。

关键词：立管悬空治理 水下支撑桩 仿生水草 土工布

一、海底管线悬空原因

1.建筑物（平台）存在形成的局部冲刷

这种冲刷形成的原因是由于建筑物（平台）的存在而在局部范围内发生强化的水流或高速旋转的旋涡，这些水流或旋涡具有较高的冲刷（挟带泥沙）能力，从而在局部范围内形成冲刷坑。冲刷坑范围与深度往往与建筑物尺度有直接关系。

2.海床侵蚀引起的大面积冲刷

由于埕岛油田特殊的海洋及海底地质条件，本海区处于不稳定的冲淤状态，根据相关资料，海床调整的冲淤平衡点大致在12m到15m水深处，在平衡点以上为侵蚀区，在平衡点以下为淤积区，这种剖面调整状态目前尚未有转缓的迹象。对于10m水深处，在海管设计寿命15年内，海床整体冲刷深度可达0.7m。

3.海底不稳定性引起的冲刷

海底表层土壤在大浪作用下发生滑移坍塌，当表层土为粉砂时，在暴风浪作用下，土壤发生液化而使土壤抗剪强度降低，从而可能造成海床一定范围内的下降。

4.其它因素

如立管支撑结构的周期性振动，施工时由于受到设备、平台位置等的限制，管道在平台附近的埋深于小设计所要求的埋深等因素也是引起立管悬空的一个因素。

二、水下支撑桩施工方案

为了防止立管悬空段在水流作用下产生的涡激振动，引起管线断裂，在悬空段设置支承支架，以减小横向和纵向振动幅度。根据缩短立管悬空长度的思路，该方案采用沿悬空立管设水下短桩支撑的方法。钢管桩沿悬空管道两侧交替设置，间距根据应根据立管的疲劳分析、极端静态及动态荷载分析结果确定。

在每一钢管桩靠近立管附近位置，设有H型钢悬臂梁，悬臂梁上设有2套Ф30高强U型螺栓将悬空的立管固定，从而实现减小立管悬空长度的目的。钢管桩可采用打水下桩的方法实现。固定悬臂梁可在钢管桩上预先焊接一管托，钢管桩打完后，由潜水员现场测量管托与悬空立管的相对位置，确定要预制管卡的高度。再将根据实际测量尺寸预制一体的悬臂梁及管卡从钢管桩顶套入或水下管卡固定支撑于管托上。最后再由潜水员用U型螺栓将悬空立管固定于悬臂梁上。在该方案考虑了海上方便施工，采用悬臂梁及仅在海管一侧设钢管桩的支撑方法，施工精度要求相对不高，容易实施。

三、仿生水草施工方案

仿生海底防冲刷技术，是由采用耐海水浸泡、抗长期冲刷的新型高分子材料加工、且符合海洋抗冲刷流体力学原理的仿生海草、仿生海草安装基垫、特殊设计的海底锚固装置，以及水下安装专用水下液压工具等组成的。从作用机理来看，当仿生草垫被可靠地锚固在海底需要防止或控制冲刷的预定位置之后，海底水流经过这一片防生草垫时，由于受到仿生海草的柔性粘滞阻尼作用，流速得以降低，减缓了水流对海床的冲刷能力；同时，由于流速的降低和仿生草的阻碍，促使水流中夹杂的泥沙在重力的作用下不断地沉积到仿生海草安装基垫上，逐渐形成一个被海草加强了的海底沙洲，从而控制了海底结构物附近海床冲刷的形成。

四、铺设土工布加抛填砂袋施工方案

首先在悬空立管及其周围一定范围内（主要指立管周围明显的海底冲刷坑）铺设土工布。两个潜水员在水下配合，一个潜水员负责操作锚固枪，一个潜水员负责土工布的锚和锚带的放送，指挥操作液压枪的潜水员进行锚固；潜水员解开拴置浮漂的加长锚，将土工布主筋与绑扎在海管的加长锚带固定。加长锚带与土工布主筋之间的固定，采用特制钢化塑胶倒扣，施工简便、操作时间短、原理与绑扎带相似。锚固一组锚后，拆除土工布固定装置，按规定方向滚动土工布滚轴，到达下一个锚固点时重复上述动作。然后抛填砂袋，每个砂浆袋重约60kg。投砂分三部进行，根据立管的悬空高度及投砂要求计算出所需投砂量后，第一部投砂大约为所需投砂量的1/3后，潜水员进行水下探摸，并且调整水下砂袋，保证管线正下方砂袋一定要填实，否则不准继续投砂。第二部沿管线两侧投砂，当投砂量达到规定的2/3后潜水员重新进行探摸，并且进行水下调整，保证管线两侧砂袋均匀堆放，高度与海底管线上表面平齐，第三步水下检验补投。投砂时砂袋应在海底管线两侧均匀堆放，砂袋底面根据管线悬空高度应适当增宽，保证砂袋的稳定性，砂袋之间应尽量增大接触面积，不得留有较大空隙，防止水流冲刷。

五、应用情况

1.水下支撑桩方案

2009年以前应用，优点是施工相对简单，便于实施；可以在管线不停产的情况下实施，不影响生产；该方案可靠性较高。由于水下钢管桩截面较小，对管道悬空长度进一步发展影响不大。而且，由于桩打入冲刷泥面以下一定深度，即使冲刷深度进一步加大，钢管桩仍然是稳定的。

但在应用过程发现以下问题：①定位误差大、保护范围小；②打桩施工的定位误差大；③对小管径且悬空较长的管线投资较高；④无促淤作用；⑤加快了冲刷范围的扩展速度；⑥施工费用高：控制有效长度5万元/M。

2.仿生水草方案

2009-2012年应用，仿生草垫原理先进但结构简单，从而使海上施工所需的辅助船舶和装备尽可能少，而且水下施工作业的时间相对的短。仿生草垫安装到位后，几乎立刻便能起作用，抑制海底冲刷。水中淤积的泥沙通过软质基垫与海底结构物接触，不会出现硬性碰撞或损伤。水中泥沙在沉积的过程中，通过柔性仿生草端部的自然摆动，形成相当密实的泥沙层。随着时间的延续，在海底逐渐形成由高分子材料加强且完全与海床融合为一体的沙洲，这种海底沙洲的存在不会影响海洋生物的生长，符合海洋环境保护要求。海上施工费用远低于传统防冲刷措施。

在使用中也发现了以下问题：①由于海床的不均匀沉降，可能造成砂袋的相对移动，在与锚的相互作用下，可导致砂袋或仿生草的损坏。②砂袋在抛填过程中，特别对于悬空高度大的部位，难以实现足够密实、稳固，在遇到暴风潮等恶劣气象时，海流冲刷作用可能导致堆积的砂袋失稳。③对于治理前管线悬空高度大于锚带长度的，锚片只能固定在沙袋内部，无法固定在海床上，经过长期冲刷造成沙袋流失，导致仿生草被冲掉。④水下结构物的影响。由于受水下结构物的影响，立管处水流流速大，方向多变，冲刷力强，难以依靠仿生草形成有效淤积，使仿生草在持续强冲刷作用下损坏，并导致沙袋流失严重。

3.铺设土工布加抛填砂袋施工方案

2013年开始应用，优点是施工工艺及取材简单，便于实施；不需要进行防腐处理；可以在管线不停产的情况下实施，不影响生产；保护的范围广，对同一平台周围的海底管线均可产生保护。①具有足够的抗冲性能，抵御水流的冲刷；②具有适宜的变形性能，适应冲刷引起的泥面变化；③具有合理的耐久性能，保证足够的使用年限；④具有方便的施工性能，便于施工制作、运输、沉放。

缺点是受不确定因素的影响较多，抛填的砂袋有进一步被冲刷淘走的可能，造成立管的再度悬空。