本发明涉及一种长距离海底管线预挖沟后铺管施工方法，其包括如下步骤：步骤1、对欲铺设管线的海底位置进行预挖沟，形成管道沟槽；步骤2、计算欲铺设管线在管道沟槽的各个轴向位置处的预应力值；步骤3、将计算出的各个轴向位置处的预应力值分别与预应力标准阈值进行比较；步骤4、根据比较结果，确定管道沟槽中的预应力值超过预应力标准阈值的轴向位置，并进行整改施工。
1.一种长距离海底管线预挖沟后铺管施工方法，包括如下步骤：步骤1、对欲铺设管线的海底位置进行预挖沟，形成管道沟槽；
步骤2、计算欲铺设管线在管道沟槽的各个轴向位置处的预应力值；
步骤3、将计算出的各个轴向位置处的预应力值分别与预应力标准阈值进行比较；以及步骤4、根据比较结果，确定管道沟槽中的预应力值超过预应力标准阈值的轴向位置，并进行整改施工，其中，在所述步骤1中，管道顶面以上采用大型抓斗挖泥船进行粗挖，在粗挖后边坡形成锯齿状，底层采用具有定深功能的小型抓斗挖泥船进行精挖，其中，每层开挖一定厚度的厚泥层，按照每分段长度、每分条宽度进行挖掘，其中，抓斗挖泥船在每分条进行挖掘时，挖掘宽度大于分条宽度，相邻分条的挖掘宽度有重叠。
2.根据权利要求1所述的长距离海底管线预挖沟后铺管施工方法，其中，在所述步骤1中，底层0.5至1米采用具有定深功能的小型抓斗挖泥船进行精挖，挖泥方式采用分区、分段、分条进行，每层开挖2米厚泥层，抓斗挖泥船每100米为一分段长度，每12米为一分条宽度。
3.根据权利要求1所述的长距离海底管线预挖沟后铺管施工方法，其中，在所述步骤2中，通过OFFPIPE软件，建立沟底平整度分析数值计算模型，将海床土壤的垂向硬度的边界条件设为0，将海床的相对深度边界条件设为0，将管道张力边界条件设为20kN，以测量的管道沟槽的沟底标高为输入条件，获得欲铺设管线在管道沟槽的各个轴向位置处的预应力值。
4.根据权利要求1至3中的一个所述的长距离海底管线预挖沟后铺管施工方法，其中，所述预应力标准阈值是通过以下步骤获得的：根据以下公式，计算环向应力：
其中，pi为管道内压，pe为静水压力(海域的水压)，D为管道公称直径，t为钢管最小壁厚，根据以下公式计算温度应力：
其中，α为管材线膨胀系数，E为钢材弹性模量，Δt为最大或最小运行温度与安装温度之间的温度差，根据以下公式计算内压作用生成的应力：
其中，D为管道外径，E为钢材弹性模量，R为路由弯曲半径，根据以下公式，得到轴向应力：
5.根据权利要求3所述的长距离海底管线预挖沟后铺管施工方法，其中，通过抓斗式挖泥船进行所述步骤1，所述抓斗式挖泥船包括抓斗机和抓斗，其中，抓斗机配备传动系统和控制系统，传动系统包括内设的柴油机及传动装置，用于驱动抓斗的升降和开闭；控制系统包括升降斗滚筒、开闭斗滚筒和变幅滚筒，滚筒均设有离合器和刹车，所述变幅滚筒通过钢缆与起重吊杆连接，用于控制起重吊杆的长度，在进行预挖沟时，将抓斗升至欲挖位置泥层的水面上方，通过控制系统开闭斗滚筒，将抓斗完全打开，再依靠抓斗自重，将抓斗插入泥层一定深度，然后，提升连接抓斗的钢缆，闭合抓斗，以挖掘和抓取泥沙，最后，控制系统升降斗滚筒、并开闭斗滚筒，将装满泥沙的抓斗提升出水面一定高度，并旋转连接抓斗及控制系统的起重吊杆，将挖掘的泥沙卸入靠驳挖泥船的船舷旁的泥驳，抓斗返回至欲挖位置泥层的水面上方，完成一个作业循环。
6.根据权利要求3所述的长距离海底管线预挖沟后铺管施工方法，其中，通过打水砣测量沟底标高，水砣由Φ50×455mm圆钢制作，可以穿透管道沟槽的浮泥层。
7.根据权利要求5所述的长距离海底管线预挖沟后铺管施工方法，其中，在进行预挖沟时，管道顶面以上的部分采用大型抓斗挖泥船进行粗挖，底层以上0.5m～1m的部分采用具有定深功能的小型抓斗挖泥船进行精挖，每层开挖2米厚泥层，每100米左右为一分段长度，每12米为一分条宽度，未挖泥层已在开挖过程中受到扰动，扰动土在重力作用下自然坍塌成1:1边坡，后局部找坡，最后形成1:4与1:7的边坡。
长距离海底管线预挖沟后铺管施工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及海底管道铺设的技术领域，具体涉及一种长距离海底管线预挖沟后铺管施工方法。
背景技术
[0002] 随着海上油气田开发不断向深层和新领域扩展，海上平台工艺处理流程越来越简化，越来越多的海底管线被采用，管线铺设过程中不可避免的会出现穿越繁忙的航道、港口等交通密集段海域的现象，因此为保护管线而加大埋深。埋设的深度是传统的后挖沟机无法实现的，因此需要长距离预挖沟后铺管。
[0003] 目前，国内外规范对长距离海底管线预挖沟后铺管施工技术，只有在DNV-OS-F101中对管沟的要求为“sufficiently smooth”，即“足够平滑”的定性规定(the trench shallbe excavated to a sufficiently smooth profile to minimise thepossibility of damages to the pipeline,coating and anodes)，但在实际施工中可操作性很差，很难判断管道的稳定情况。国内外没有长距离海底管线预挖沟后铺管的施工先例。
发明内容
[0004] 针对以上情况，本申请的发明人在查阅国内外资料的基础上，通过大量分析和试验，开发出一套满足长距离海底管线预挖沟后铺管施工的方法。该方法基于有限元模型而分析出长距离海底管线预挖沟沟底平整度，实现了对长距离预挖沟后铺管的安装应力控制，解决了长距离海底管线预挖沟后铺管的施工难题。该方法首次提出了长距离海底管线预挖沟后铺管施工的解决方法，保障了新铺设管道的安全。该方法综合考虑控制投资、缩短工期、方便现场施工等方面因素，首次突破了传统的先铺管后挖沟方式，形成适用于长距离海底管线预挖沟后铺管施工的技术方案，将长距离海底管线预挖沟后铺管施工技术成功应用在西气东输二线香港支线海底管道国家重点项目中。
[0005] 该方法具有经济、高效、无污染、操作性强等特点，满足施工要求。
[0006] 根据本发明的实施例，提供了一种长距离海底管线预挖沟后铺管施工方法，其包括如下步骤：步骤1、对欲铺设管线的海底位置进行预挖沟，形成管道沟槽；步骤2、计算欲铺设管线在管道沟槽的各个轴向位置处的预应力值；步骤3、将计算出的各个轴向位置处的预应力值分别与预应力标准阈值进行比较；步骤4、根据比较结果，确定管道沟槽中的预应力值超过预应力标准阈值的轴向位置，并进行整改施工。
[0007] 本发明具有以下有益效果：
[0008] 1、为国内首次长距离海底管线预挖沟后铺管施工，管道规范没有推荐做法，且长距离海底管线预挖沟后铺管施工，在国内外都没有先例；
[0009] 2、经济、高效、操作性强。可有效解决工程所在海域功能区划复杂、船舶活动频繁、项目投资控制严、计划实施工期紧的要求。
[0010] 3、长距离海底管线预挖沟后铺管施工，挖沟中沟底平整度控制不当，极易造成新建管线局部应力过大，导致变形甚至损坏，产生不可估量的后果。该方案能够满足该工程项目投资控制严、计划实施工期紧的特点，满足现场工程要求。
[0011] 4、长距离海底管线预挖沟后铺管施工方法，在工程中取得了良好的效果，可解决长距离海底管线预挖沟后铺管施工和工期紧张的实际问题，产生明显的经济效益。
[0012] 5、长距离海底管线预挖沟后铺管施工，在国内外都没有先例，首次在西气东输二线香港支线海底管道工程中应用，成功解决了近20公里预挖沟后铺管的难题。因此，该项技术的突破，对填补国内空白、解决我国海底管线预挖沟后铺管施工的技术难题等具有重要的意义。为同行业海底管道的施工提供有力的借鉴参考价值。
附图说明
[0013] 图1为根据本发明的实施例的管沟开挖断面图；
[0014] 图2为根据本发明的实施例的分段及分条挖沟图；
[0015] 图3为根据本发明的实施例的分层阶梯开挖图；
[0016] 图4为根据本发明的实施例的抓斗挖泥船挖泥图。
具体实施方式
[0017] 长距离海底管线预挖沟后铺管施工方案：
[0018] 本申请提供了以下技术方案：
[0019] (1)管沟设计图及铺管环境分析
[0020] 图1为根据本发明的实施例的管沟开挖断面图。通过对管沟设计图及铺管海域的水深、地质、风、浪、流情况的分析，研究确定抓斗式挖泥船适合设计管沟的开挖。
[0021] (2)预挖沟后铺管风险点分析
[0022] 施工作业中最大的风险来源于管沟平整度对管线的在位稳定性的影响。与海洋工程中常见的先铺管后挖沟不同，海管预挖沟工艺类似于疏浚工程中的基床开挖，截面小，长度大，沟底平整度是预挖沟后铺管施工的主要风险点，直接影响着管线的平稳安全入沟。
[0023] (3)管沟开挖方法分析
[0024] 通过对管沟开挖机具自身系统的研究，明确配合铺管施工的管沟开挖方法。图4为根据本发明的实施例的抓斗挖泥船挖泥图。抓斗式挖泥船是挖泥船中一种适应性较强的船型，适用于管沟的挖泥作业。如图4所示，抓斗式挖泥船的主要构造包括抓斗机和抓斗两部分。其中抓斗机配备传动系统和控制系统。传动系统由内设的柴油机及传动装置组成，用于驱动抓斗的升降和开闭；控制系统由升降斗滚筒、开闭斗滚筒和变幅滚筒组成，滚筒均设有离合器和刹车，采用液压控制方式，能自动控制斗速和挖深，自动减缓下落速度，平稳着底，并保证抓斗全部张开。所述变幅滚筒通过钢缆与起重吊杆连接，用于控制起重吊杆的长度。工作时，将抓斗升至挖泥位置的水面上方，通过控制开闭斗滚筒将抓斗完全打开，再依靠抓斗自重冲入水中，将抓斗插入泥层一定深度，然后提升钢缆，闭合抓斗以挖掘和抓取泥沙，最后，控制升降斗滚筒和开闭斗滚筒，将装满泥沙的抓斗提升出水面一定高度，并旋转吊杆，将挖掘的泥沙卸入靠驳挖泥船舷旁的泥驳，抓斗返回至挖泥点上方，完成一个作业循环。
[0025] 图2为根据本发明的实施例的分段及分条挖沟图，图3为根据本发明的实施例的分层阶梯开挖图。如图2、3所示，管道顶面以上采用大型抓斗挖泥船进行粗挖，底层0.5m～1m采用具有定深功能的小型抓斗挖泥船进行精挖。挖泥方式采用分区、分段、分条进行，每层开挖2m厚泥层，抓斗式挖泥船每100m左右为一分段长度，每12m为一分条宽度。香港支线挖泥边坡为1:4与1:7，需进行分层阶梯开挖，按照“下超上欠，超欠平衡”的原则，粗挖后边坡形成锯齿状，未挖泥层已在开挖过程中受到扰动，扰动土在重力作用下自然坍塌成1:1边坡，后局部找坡，最后形成1:4与1:7的边坡。
[0026] (4)确定海管铺设合格的控制标准(即，管道所能承受的预应力的上限)[0027] 根据DNV1981规范对海底管道在位强度进行分析，分别计算出环向应力、轴向应力(包括热膨胀应力和路由弯曲应力)，然后进行等效应力计算，最后得出海管铺设合格的控制标准。
[0028] 环向应力：
[0029]
[0030] 其中，pi为管道内压，pe为静水压力(海域的水压)，D为管道公称直径，t为钢管最小壁厚。
[0031] 热膨胀应力：包含温度应力和内压作用生成的轴向应力
[0032] 温度应力：
[0033] σlT＝αEΔt (2)
[0034] 其中，α为管材线膨胀系数，E为钢材弹性模量，Δt为最大或最小运行温度与安装温度之间的温度差。
[0035] 根据以下公式计算内压作用生成的应力：
[0036]
[0037] 其中，υ为泊松比，di为钢管内径，
[0038] 路由弯曲应力：
[0039] σlR＝DE/2R (4)
[0040] 其中，D为管道外径，E为钢材弹性模量，R为路由弯曲半径。
[0041] 根据热膨胀应力和路由弯曲应力，得到轴向应力：
[0042] σl＝σlT+σP+σlR。
[0043] 接下来，等效应力按下式计算：
[0044]
[0045] 其中，τxy剪切应力(假定为0)。
[0046] 由此得到海管铺设合格的预应力控制标准值为：
[0047] ηepσF-σe (6)
[0048] 其中，ηep使用系数，σF屈服强度。也就是说，预挖的管道沟底在各个位置处的预应力不应超过上述预应力控制标准值，以满足用于铺设管线的平整度要求。
[0049] 作为具体示例，对于西气东输二线香港支线，以上公式中各参数对应的值如下表所示：
[0050]参数 管道内压，pi 管道外压，pe 管道公称直径，D 最小壁厚，t
数值 7MPa 0 813mm 20.7mm
参数 管材线膨胀系数，α 钢材弹性模量，E 温度差，Δt 泊松比，υ
数值 1.17×10-5 207000MPa 43℃ 0.3
参数 钢管内径，di 路由弯曲半径，R 使用系数，ηep 屈服强度，σF
数值 768.6mm 1500m 0.72 448MPa
[0051] 按照以上设计及管材物性参数，通过上述计算公式(1)-(6)计算所得香港支线海管铺设合格的控制标准值为85.3MPa。
[0052] (5)获得管道在沟底各个长度位置处的预应力
[0053] 例如，通过OFFPIPE软件建立沟底平整度分析数值计算模型，OFFPIPE软件的管道跨度分析“Pipe span analysis option”模型，不仅可以获得海管悬跨的高度和长度，而且可以获得管沟不平整所导致的管道预应力值。为提高模拟计算的准确性，保障安全施工，海床土壤的垂向硬度(vertical soil deflection)的边界条件保守地设为0；因管沟验收合格后方可铺管，因此只考虑管道在海床上的分布情况，海床的相对深度(reference depth)边界条件设为0；管道张力边界条件设为20kN。初始条件为通过现场检测获得的每隔10米对应管道的横向、纵向坐标值。通过打水砣测量各个位置处的沟底标高。以测量的沟底标高为输入条件，利用OFFPIPE软件进行沟底不平整度分析，确定各个位置处的预应力是否未超过上述预应力控制标准值，即，确定所挖管沟是否满足铺管的预应力要求。
[0054] 也就是说，通过上述模型，计算管沟平整度所引起的各个位置处的管道预应力值、并与上述控制标准值相比较，从而确定每个位置的预应力是否满足控制标准，进一步确定所挖管沟是否适合铺管，若不适合，采取相应的整改措施。
[0055] 下面简要说明现场实施过程。
[0056] 在西气东输二线香港支线海底管道铺设过程中，基本上挖沟500米进行一次验收，通过打水砣测量沟底标高。水砣由Φ50×455mm圆钢制作，可以穿透管沟的浮泥层，测得管沟的实际标高。用水砣测量标高时由经验丰富的测量工操作。以测量的沟底标高为输入条件，利用OFFPIPE软件进行沟底不平整度分析，确定所挖管沟是否适合铺管，对适合铺管的需及时进行铺管作业，以减少管沟回淤的影响；对不适合的管沟需采用斗容较小的抓斗船进行平整处理。
[0057] 以西气东输二线香港支线其中两段500米管段为例，阐明沟底平整度是否合格的判定方法，以确定该段管沟是否适合进行管道铺设。测量的沟底标高如表1所示，模拟计算对应的各点应力如表2所示。
[0058]
[0059]
[0060] 表1香港支线两段500米管段对应的管底标高
[0061]
[0062]
[0063] 表2对应的管道各点应力
[0064] 从表2可以看出，第一段中各点对应的应力均满足步骤(4)中所确定的海管铺设合格的控制标准值85.3MPa，因此本段管沟适合铺管；而第二段中的270m、280m、310m、320m、330m、460m、470m、480m八点对应的应力超过了85.3MPa，因此需进行相应的处理。
[0065] 最后应说明的是，显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
