1、第六章：海洋管道的施工建工学院 海洋工程系 李英6.1 海洋管道施工概述1、管道轴线位置的测定2、管道的加工制作3、管道的铺设1、管道轴线位置的测定Production LineWater injectionFPSO1、管道轴线位置的测定1、管道轴线位置的测定根据设计确定的管道坐标位置，在现场用各种测量仪器确定出管道的轴线位置；并在定出的轴线上标出有关控制点：起点，转折点，终点等；用沉锤，浮标在海上标出。2、管道的加工制作将单节钢管焊接成长管段，再将管段组装成管道。每节钢管内外表面涂防腐层，加防腐绝缘层，隔热保温层和外加重层，各道工序进行质量检验，管段试压及各种试验等。管道加工制作的场地，根据
2、管道铺设方法而定：设在岸边；在驳船；在铺管船上。要建设加工制作场地，安装施工机具。3、管道的铺设管道铺设的通用规范：DNV-OS-F101(Det Norske Veritas)API-RP-1111(American Petroleum Institute)海洋管道的铺设有四种方法：漂浮法；牵引法；铺管船法；顶管法3、管道的铺设（1）漂浮法：管道在陆地加工制作，浮运到铺设位置。在焊接驳船上将管道焊接起来，使管道下沉。下沉的方法：支撑控制下沉 管内冲水下沉 浮筒控制下沉适用于海面平静，风浪较小的海域铺设35km的管道，较经济。3、管道的铺设（2）牵引法：近海牵引和远海牵引近海牵引：适用于铺管段
3、距离岸边几km，水深59m以内。具体方法：在陆上将管道制作成数百米长的管道，利用绞车，绞盘，拖轮等设备，沿海底或海面牵引管段，并随着牵引将管段接长，直到预定铺设位置。沿海面牵引时，还有管道沉放的过程。远海牵引底拖法：管道直接放置在海床上，由水面拖轮牵引近底拖法：利用浮子和平衡铁链将管道悬浮在距离海床一定高度上，再由水面拖轮牵引。表面拖法：用浮箱使管道漂浮在水面由拖轮牵引。潜拖法：管道被控制水面以下一定深度悬浮着，由水面拖轮牵引。3、管道的铺设3、管道的铺设3、管道的铺设3、管道的铺设（3）铺管船法铺管船：一种专门用于海上管道铺设的特种工程船舶，管道制造及铺放中的各种主要作业都能在船上进行。铺管
4、船的种类：漂浮式铺管船、带托管架铺管船、张力式铺管船、卷筒式铺管船和半潜式铺管船。铺管船的特点：适用于长距离外海管道或外海油田管道的铺设。铺管速度快，对海洋环境适应较强；可中断作业后继续；工程费用较高。3。管道的铺设-铺管船法3、管道的铺设3、管道的铺设-张力式（seven sea)ROV3、管道的铺设-带拖管架铺管船3、管道的铺设-带拖管架铺管船3、管道的铺设-带拖管架铺管船(Bigfoot1)3、管道的铺设-Reel Vessel3、管道的铺设-铺管船法铺管船法的常用方法:S-lay J-lay Reel lay3、管道的铺设-S-layS-lay的发展经历了四个阶段：第一代 S-lay
5、铺管船主要是平底驳船，应用于浅水和内陆水域第二代 S-lay 铺管船主要是平底驳船，但具有4-14个的锚链来定位。第三代 S-lay 铺管船是半潜式的，应用锚链定位。第四代 S-lay 铺管船是半潜式的，应用动力定位。3、管道的铺设-S-lay3、管道的铺设-S-lay由于S-Lay铺管法的铺管直径大、铺管速度快，因而得到了广泛的应用。目前，世界上最多的铺管船是S-lay铺管船。S-Lay的管线接长是水平位置施工的，因此，可同时进行多条焊缝的焊接，且不同连接段的焊接和防腐保温层混凝土重力层施工可同时进行。S-lay铺管船的关键设备是托管架和张紧器。3、管道的铺设-S-lay3、管道的铺设-S-
6、lay在安装期间，管道将经历载荷的组合。这些载荷是：张力、弯曲、压力、在托管架支撑处和海床上的垂直于管轴的接触力。管道的静态外形由下述参数控制：在铺设船上的张力、托管架的曲率半径、辊轮位置、离开托管架的入水角度、管体重量、管体抗弯刚度、水深。S-lay的局限性？3、管道的铺设-J-lay3、管道的铺设-J-layJ形铺管系统，其管线是在高耸的塔架上对中焊接，然后呈近乎垂直状态入海。这种铺管方式适合深海管线的铺设。J形铺管系统一般由管道预制线、管道存储系统、送管系统、张紧器、A/R绞车、J型铺管塔等组成。3、管道的铺设-J-lay与S形铺管船法相比，J形铺管船法有如下的优点：管道与海床的接触点和
7、铺管船的距离更短，因而便于动力定位；对铺管船由推进器提供的水平力需求大幅降低；消除了S型铺管中的拱弯段，从而消除了危险的残余应力，降低了水平拉应力，同时还取消了S型铺管法特有的长而脆弱的托管架；管道铺设完成后其应力也比S型铺设的更小。为适应多功能作业需求，大型深水半潜式起重船往往配备J形铺管系统，也就是说同时结合了铺管功能和起重吊运功能。3、管道的铺设-Reel LayReel-lay是在铺管船上安装有一个大卷筒的海上管道安装方法。管道在岸上焊接，并缠绕到上铺管船的大卷筒上。这种方法的第一次应用是在 D-Day，PLUTO工程中建造的一条天然气管道，该管道穿越英吉利海峡为法国北部的联军供应天然
8、气.商业应用始于1970s 当 Santa Fe Corporation 建立了第一艘卷筒船（reel vessel)。3、管道的铺设-Reel Lay根据卷筒 铺管船的设计和 水深，卷管可以 用 S-lay or J-lay 方法 来 安装.卷筒铺管船可以有垂直或者 水平 的 卷筒。水平的卷筒铺管船在浅水到中等水深使用托管架和S-lay铺设管道.使用动力定位系统，垂直的卷筒铺管船在中等水深到深水安装管道。对于深水，使用J-lay 构型不需要托管架。3、管道的铺设-Reel LayReel-lay 方法的缺点:需要大量时间反卷管道来消除屈曲；在靠近管道安装的地方建立一个卷轴基地；具有水泥涂层的
9、管道不适合用此方法；只有特别设计的PIP可以被卷；管道塑性变形后又被拉直，一些薄壁管道可能发生局部屈曲。3、管道的铺设-Reel Lay3、管道的铺设-Reel Lay3、管道的铺设-Reel Layreeling.aviinstallation.avi3、管道的铺设-顶管法顶管法：隧道或地下管道穿越铁路、道路、河流或建筑物等各种障碍物时采用的一种暗挖式施工方法。利用专门顶进设备的水平推力，克服土壤与管道的摩擦力，将管道按设计深度顶过水域。3、管道的铺设-顶管法适用于大型管道，上岸管道和河流的穿越工程，一般适用较好的土壤，海岸潮间带，窄平河面或地上悬河等两边水面相差不大的条件下。顶管方法的选用
10、由管径、穿越长度、地质、地下水情况及顶进设备等因素决定。顶管操作在工作坑内进行，顶进设备可选用千斤顶或通井机配合滑轮组，当顶力较大和整条管线组装后顶管，常常采用后者。3、管道的铺设-顶管法4、管道的试压和试运转管道的试压包括：在加工制作现场对组装的管段进行试压，检验焊口的质量；在管道铺设后，管沟回填前的全管道试压。试验压力一般为管道最大工作压力的1.251.5 倍。海底管道的试运转:按使用要求和设计标准逐项测试，以便制定管道工艺操作规程。1、对防腐层的基本要求与金属管壁的粘结性好，绝缘层要连续，完整电绝缘性能好，有足够的抗击穿电压能力和电阻率良好的防水性和化学稳定性，在海水和湿土壤中不发生化学
11、分解有足够的强度和韧性，在管道加工和铺设过程中不产生破损有一定塑性和耐老化性能防腐绝缘层通常包括防腐涂层和沥青涂层，总厚度约 58mm对于双层管结构的海底管道，内外管间设置保温层，泡沫塑料是较好的隔热保温材料。2、保温层、加重层保温层 对于双层管结构的海底管道，内外管间设置保温层，泡沫塑料是较好的隔热保温材料。有喷涂和浇注两种施工方法。加重层 为满足设计负浮力的配置和防止施工工程中对绝缘防护层的损伤，常在防腐绝缘层外包加重层。加重层一般是含钢筋的混凝土或水泥砂浆。制作方法：人工涂抹；立模浇筑；表面喷漆；离心旋制；预制安装。海底管道加重层的质量控制，主要指混凝土的强度、密实度、吸水率和加重层的尺
12、寸等。1、重力调节的类别及方法海底管道的重力调节有两类：单位长度管道的重力调节和浮力调节。单位长度管道重力调节的（4)方法：调节管体负浮力:负浮力即管道的下沉力。它等于管体在水下的重力。调节负浮力最常用的办法是调节管道的配重，即调节管道外加重层的厚度。增加钢管壁厚:增加壁厚，管道单位长度的重力增大，但管道的用钢量也增加，是很不经济的办法。加压快:用压块来调节管体重力。改变管内的充水程度:用此法调节管道的重力稍为省事。1、重力调节的类别及方法浮力调节 是在管道的某一管段或整个管道上临时系上，浮筒、悬链，借助增加、减少管道的浮力来调节管道重力，以适应管道牵引或下沉、起浮的需要(图 6-1）。2、实
13、际负浮力计算（1）当要求降低负 浮力时，可增设浮筒使管道漂浮：（2）当要求增加负 浮力时，即使管道下沉，可将浮筒卸开。卸开的浮筒数为：海洋管道的埋设海洋管道的埋设，主要是为了稳定、安全，有时是工艺上的要求。一般将管顶埋深为 1.01.5m.海底管道开沟的方法与设备有喷射、使砂液化、机械开挖或开沟犁，以及各种挖泥船和爆破等。海底管道的埋设有先挖沟法先挖沟法和后挖沟法后挖沟法。海洋管道的埋设后挖沟法：将铺设在海底的管道，利用水面的或水下的喷冲装置，随铺管过程冲开管下的海底土壤使管道埋至要求深度。后挖沟法：因粘性土不易冲动，坚硬土层则冲不动，故后挖沟法的使用受限制。液化的基床使一段管道处于市区支撑
14、状态，就像受力的长梁，其垂度与梁的跨度、载荷及断面特性有关。海洋管道的埋设应用挖沟法时，因为在管道不太长的L管段，一般在高差2m左右，将引起管道局部弯曲，造成应力集中，在该管段要承受较大的弯矩和切力。必要时再核算其局部弯曲应力。挖管沟时，管沟的轴线方位力求准确，尽量减少纵向起伏，保证管沟的设计断面，减少超挖。管沟挖好后,先用砂土或卵石将沟底找平后,经试压合格,进行回填.回填最好用洁净的砂料，以防管道腐蚀。1、基本理论方法铺管船铺管时的受力分析 拱弯段:从铺管船上的张紧器A点开始,沿托管架至架的近末端,管道与托管架脱离点B为拱弯段.过渡段:从管道脱离点B到反弯点C的管段.垂弯段:从反弯点C以下一
15、直到海底 （加强悬链线方法）.1、基本理论方法过弯段过弯段：主要发生在铺管船和托管架上。过弯的控制主要是通过控制辊轴来取得一个曲率。这个曲率和轴向拉力一起形成了管线上的整体应力。轴向弯曲应力 管线的曲率 1、基本理论方法下弯段基本理论方法 小挠度梁法 非线性梁法 自然悬链线法 加强悬链线法 有限元法1、基本理论方法-小挠度法最原始，最基本的方法，对浅水小挠度管道的铺设较为适用。把管道视为一根梁，管道任何方向上的变位皆视为小挠度，因此把管道当作一根线弹性的梁。1、基本理论方法-非线性梁将管道铺设时的垂向变位视为大位移，考虑管道的几何非线性，而管道内部的应变量是微小的，材料不出现塑性变形，属于大位
16、移小应变问题大位移小应变问题。这种方法对深水、浅水、大挠度或小挠度均适用。在浅水里，张力可以忽略在深水里，考虑张力 1、基本理论方法-悬链线方法自然悬链线法用于描述远离端部的管线悬跨构型。因为边界条件在管线悬跨上不能满足，这个方法局限于有非常小刚度的管线段。这个方法适用于在深水的管线或者张力非常大以至于张力相对于刚度部分占主导地位。将水面到海底这段管道变形后的形状用悬链线表示。当忽略流体力时，结构受力和构形方程为：1、基本理论方法-悬链线方法当管道直径较小或铺管张力较小时，相对刚度可忽略。令EI=0，即得此方程的解就是常见的悬链线方程：1、基本理论方法-悬链线方法例题1：管道的水中重量为52k
17、g/m,海床为水平。To=20kN,S=224m，忽略管道的刚度。求管道形成的悬链线与水平方向夹角？1、基本理论方法-加强悬链线方法加强悬链线法：在自然悬链线方法上发展而来，考虑管道的弯曲刚度，这样弯曲边界条件得到了满足。这个方法甚至在靠近端部的区域也能给出管线构型的准确结果，但其应用局限于管线刚度比较小的深水安装。2、受力状态分析受力状态典型分析概述：采用小变位梁法，分析一些较为重要的、有共性的受力状态。几种典型受力分析：牵引管道时的受力分析 管道冲水下沉时初始阶段受力分析 管道冲水下沉时中间阶段受力分析 铺管船铺管时的受力分析2、受力状态典型分析（二）牵引管道时的受力分析 管道的极限长度
18、牵引时最大牵引力（1）用水平车发送管道时，陆上管段的牵引力2、受力状态典型分析（二）牵引管道时的受力分析式中K-起动系数，K=l.52.0；小平车车轮与钢轨的摩擦阻力kN;小平车轴承内的摩擦阻力，kN;小平车轮缘与钢轨间的摩擦阻力，kN;拖管头滑轮与地面的摩擦阻力(kN)，甩提绳提起拖管头离开地面时，P4=0；牵引钢缆与地面的摩擦阻力，kN；2、受力状态典型分析（二）牵引管道时的受力分析 G管段与小平车的总重力；小平车车轮半径；r 小平车车轴的半径；Q拖管头重，有滑轮组时包括滑轮组重；每米牵引缆绳重力；l拖地牵引缆长；小平车车轮与钢轨的滚摩擦系数，取0.12；小平车轮轴滑动摩擦系数取0.350
19、.1（钢与铸铁取0.35）拖管头与地的摩擦系数取为0.350.5；缆与地的摩擦系数，=1.0 2、受力状态典型分析（二）牵引管道时的受力分析（2）管道在海底沟内的牵引力2、受力状态典型分析（七）管道充水下沉初始阶段受力分析边界条件 x=L管轴线的弯曲微分方程充水段水平长度一般最大弯矩在B段，求得最大弯矩管道最大应力管线允许沉放深度x=0,y=0,x=a,2、受力状态典型分析2、受力状态典型分析例题 2管道直径为OD=325mm,壁厚为10mm进行管道充水下沉安装。其中钢材的弹性模量为E=210GPa，密度为7800kg/m3,允许应力为320MPa，海水密度为1025kg/m3。求管道充水下沉
20、允许的最大水深?2、受力状态典型分析（八）管道充水下沉中间阶段受力分析 边界条件 管道弯曲微分方程若x 在a 段内若x 在b 段内 支撑反力 R 充水段长度 a2、受力状态典型分析 把求得的和代入段内最大弯矩 a段内最大应力 b段内最大弯矩 b段内最大应力 最大允沉深度2、受力状态典型分析管道充水自由下沉时，当管材及沉没深度相同时，管壁应力的大小取决于径厚比。径厚比愈小，即壁厚愈大，管壁应力愈小；反之亦然。最大允许沉没深度与容许应力的平方成正比，因此，在沉放深度较大时，应采用较高强度的钢管。2、受力状态典型分析例题 3管道直径为OD=325mm,壁厚为10mm进行管道充水下沉安装。其中钢材的弹
21、性模量为E=210GPa，密度为7800kg/m3,允许应力为320MPa，海水密度为1025kg/m3。求充水下沉允许的最大水深?3、管道安装分析软件OffpipePipelayOcralayOrcaflex3、管道安装分析软件-OFFPIPEOFFPIPE软件是海上石油工业使用的强大的设计计算分析软件。软件特别加强了在海上管道的安装和操作过程中遇到的非线性问题的分析能力。OFFPIPE分析功能包括：对铺管驳船和铺管托架配置进行静态和动态布管分析，包括常规和J-LAY；铺管开始、放弃及恢复的分析；计算不规则海底情况下静态管道压力，跨距和位移；对常规吊装和海底管道的静态吊架式起吊分析；3、管道
22、安装分析软件-OrcaflexOrcaflex 因为它的技术覆盖面广和用户界面友好而闻名，而且它是工作在Windows下的软件，并且很容易和第三方软件兼容。从具体技术层面讲，它广泛应用在立管的静态和动态分析中；应用在锚链的静态和动态分析中；而且也应用于深海管线和立管安装过程的动态分析。除了进行管道管线的分析，它也是开展浮式结构分析的很好的工具。最近几年，Orcaflex 也被应用于海底稳定性分析以及应用于新能源开发分析中。4、受力状态典型分析-Orcaflex4、受力状态典型分析-Orcaflex4、受力状态典型分析-Orcaflex4、受力状态典型分析-Orcaflex4、受力状态典型分析-
23、Orcaflex5、安装应力控制在浅水中安装管道时，管道受到的动态应力小于静态应力的30%。随着油气开采向深水延伸，动态应力是越来越重要。详细的动态应力分析对于确定管到安装天气窗口的确定十分必要，进而防止管道过载或者疲劳破坏。管道安装应力包括：铺设应力(lay stresses)；过弯应力（overbend stress）；下垂应力(sagbend stress)；和水平弯曲应力(and horizontal bending stress）.5、安装应力控制管道安装的规范主要有API RP 1111，和DnV OS F101，给出了决定管道铺设分析的允许弯曲应力和应变的公式。一些公式是基于在极
24、端外部压强和弯曲的经验测试。对于在外部压强和弯曲的情况，API 有如下的反应公式：是管线里的应变；是在纯弯曲情况下的临界应变，=t/2D；是外部静水压；是内压；是压溃压强。5、安装应力控制管线弹性压溃时的压强；压溃时的屈服压强。是压溃缩减系数：，分别是同一横截面中的最大和最小直径。在管线中的应变可以写为：在安装时，允许应变应有一个安全系数限制5、安装应力控制上式中的 是最大安装应变。API RP 1111推荐API公式局限于管线的不大于50的情况。一般来说，在深水中管线壁厚的计算是假定最大弯曲应变为0.2%。在许多种情况下，如果知道其它的参数，允许应变可以计算出来。在一些情况下，应变超过了0.2%仍然满足不等式。5、安装应力控制对于管线受到径向弯曲应变和外部静水压，DNV(2012)有相似的公式，由下式给出 是外压；是临界压强；是设计挤压应变；是临界挤压应变；，分别是应变、安全级别和材料的抵抗系数。
