王朋飛, 林臻裕

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067)

LW3-1深水無潛灌漿法大懸跨處理方案

王朋飛, 林臻裕

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067)

海底管道懸跨是由海床未形成有效支撐而形成的，增加了管道疲勞載荷，降低了管道的完整性。在國際工程項目中采用灌漿法進(jìn)行懸跨處理已有多年的應(yīng)用背景，而國內(nèi)項目中卻非常少見，仍側(cè)重于砂袋填充法處理。灌漿法懸跨處理的優(yōu)點(diǎn)是處理效果牢固可靠，從已知的工程應(yīng)用來看主要進(jìn)行低矮懸跨處理；依現(xiàn)有工藝方法進(jìn)行大懸跨處理，理論和操作上存在諸多缺陷，無法達(dá)到處理目標(biāo)與質(zhì)量。通過對普通灌漿處理方法方案、灌漿袋及施工工藝等內(nèi)容進(jìn)行改造創(chuàng)新設(shè)計，使其能滿足大懸跨處理要求，完成處理任務(wù)。并通過LW3-1大懸跨處理工程實(shí)踐，介紹使用無潛灌漿法進(jìn)行大懸跨處理的方法，分析其特點(diǎn)和優(yōu)勢，總結(jié)工程經(jīng)驗，為深水大懸跨處理提供參考和技術(shù)指導(dǎo)。

懸跨處理；灌漿；找平；吊架；成型

0 引 言

ⅠⅡⅢLW3-1深水油氣田項目是中國首個深水油氣田項目，海底管道線路長，情況復(fù)雜，懸跨形式多樣。為保證海底管道的穩(wěn)定性先后進(jìn)行過挖溝、拋石和砂袋填充作業(yè)。在距離LW3-1平臺7.8 km處有一天然大懸跨，跨距117 m，最大高度5.27 m，總體坡度為7°，海床主要為砂質(zhì)海床，部分位置有硬質(zhì)珊瑚礁。由于此懸跨長度超過海管路由最大許用懸跨長度，為保證整個油氣管道安全，應(yīng)業(yè)主要求對其進(jìn)行長久可靠的穩(wěn)定性處理，最終處理結(jié)果除滿足最小許用懸跨要求外，同時要保證橫向和垂向的有效支撐。

對于海底管道懸空段的力學(xué)分析研究，各國船檢機(jī)構(gòu)如挪威船級社(DNV)、美國船級社(ABS)等均有相關(guān)的指導(dǎo)性文件，其中挪威船級社的DNV-RP-105[1]最為全面，為工程界普遍認(rèn)可。對于海底管道懸空段防護(hù)措施的研究主要從四方面出發(fā)：(1)增加海底土壤顆粒的抗沖刷能力；(2)降低波浪、海流對海底管道的沖刷速度；(3)減少海底管道懸空長度；(4)增大海底管道適應(yīng)沖刷的能力[2]。

目前在國內(nèi)外海洋工程領(lǐng)域常用的防護(hù)措施是通過減小海底管道懸空長度來實(shí)現(xiàn)，其中灌漿支撐法的研究和應(yīng)用國外工程走在了前面，也形成了一些專業(yè)性比較強(qiáng)的公司，比如FOUNDOCEAN、FORCE Offshore Kish和Core Grouting Services；而國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用非常少見，尤其是采用水下機(jī)器人(ROV)進(jìn)行深水大懸跨處理未見報道。本文介紹了改進(jìn)后的深水無潛灌漿法大懸跨處理方案，并通過LW3-1大懸跨處理工程實(shí)踐驗證了其效果。

1 海底管道懸跨處理方法及適用范圍

國內(nèi)外目前針對懸跨處理的方法有很多，在工程施工中比較常見的是砂袋回填法、后挖溝法、重物壓載法；除此之外還有拋填礫石法(拋石法)、機(jī)械支架法和水泥灌漿法[3]。

砂袋回填法工藝簡單、便于操作，在工程施工中應(yīng)用較多，缺點(diǎn)是可靠性不高。后挖溝法適合處理大面積低矮懸跨，費(fèi)用高。重物壓載法適用于小懸跨，多用于海管保護(hù)，缺點(diǎn)是海管維修、維護(hù)不方便。拋石法適用于大面積懸跨，費(fèi)用高。機(jī)械支架法不適用于大面積低矮懸跨，造價高，深水無潛安裝操作困難。水泥灌漿法偏重小懸跨處理，處理效果穩(wěn)定，主要的風(fēng)險是沉降。

在充分考慮LW3-1深水油氣項目大懸跨環(huán)境特點(diǎn)和處理指標(biāo)的情況下，綜合施工成本、施工效率和施工效果，創(chuàng)造性地對普通灌漿法進(jìn)行改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)其對大懸跨的處理。在LW3-1深水油氣田項目中首次使用無人深潛灌漿法進(jìn)行大懸跨處理，并取得了成功，也積累了大懸跨處理方法、工藝等方面的寶貴經(jīng)驗。

2 深水無潛灌漿法大懸跨處理方案設(shè)計原理及流程

深水無潛灌漿法懸跨處理的基本原理，即通過ROV下放灌漿袋，安裝于管道懸跨處，然后通過甲板操作，將調(diào)配好的泥漿通過注漿管線注入灌漿袋中，使其擴(kuò)充、成型、凝固，進(jìn)而完成對懸跨段的支撐處理。其基本流程如圖1所示。

圖1 灌漿懸跨處理水下操作基本流程Fig.1 Cement grouting correction operation for free span

3 大懸跨處理所要解決的問題

關(guān)于大懸跨還沒有一個明確的定義，但將5.27 m懸跨稱為大懸跨是沒有問題的。大懸跨最明顯的特征是處理高度高，泥漿灌注體積大、重量大。

處理高度高，對定位精度和成型控制要求就相對嚴(yán)格，支撐穩(wěn)定性應(yīng)予重點(diǎn)考慮和計算。這主要涉及海床預(yù)處理和成型控制兩方面內(nèi)容。

重量大就必須考慮沉降風(fēng)險，尤其是對于軟質(zhì)海床。

4 深水無潛灌漿法大懸跨處理設(shè)計

4.1 方案設(shè)計

LW3-1深水油氣田項目大懸跨處理方案設(shè)計的基本思路是在基礎(chǔ)處理中引入找平袋，將其與灌漿袋配合使用完成懸跨處理內(nèi)容[4]。

找平袋和灌漿袋本質(zhì)上是一樣的，均為有機(jī)編織物，可以透水透氣，但能阻止泥漿滲出。灌漿袋為多層金字塔型結(jié)構(gòu)，每層安裝有透氣帽及注漿口，可獨(dú)立進(jìn)行注漿成型。找平袋根據(jù)需要可以設(shè)計成單層或多層，能滿足基層處理要求即可，高度較矮，層間高度較小。

找平袋的作用主要有：(1)對有坡度海床面進(jìn)行找平，保證灌漿袋有一個平整的灌漿基礎(chǔ)，避免因地勢不平而造成灌注支撐歪斜；(2)減小沉降，一方面在對坡度找平的同時可以增大基層接觸面積，另一方面沒有對原始海床土層造成擾動和破壞，保持較好的承載能力。

4.2 灌漿袋和找平袋設(shè)計

保持合理的沉降量，滿足設(shè)計要求，是灌漿袋、找平袋規(guī)格設(shè)計的前提。首先選擇懸跨處理點(diǎn)，對各工況計算并提取計算數(shù)據(jù)。由于灌漿袋的主要作用是垂向支撐和側(cè)向限位，因此主要考慮垂向作用力和側(cè)向作用力，分析方法參見圖2，在此不作展開。通過沉降過程的計算和優(yōu)化，可以確定底面尺寸、設(shè)計高度和面斜度等主體尺寸，一個灌漿袋的輪廓便清晰可見。找平袋底面尺寸主要依據(jù)灌漿袋底面進(jìn)行設(shè)計，一般為灌漿袋底面各邊向外偏移1～1.5 m，其高度設(shè)計主要取決于處理海床的坡度和高差，保證在海床預(yù)處理后有一個完整的水平安裝面。

圖2 懸跨段海管力學(xué)分析Fig.2 Pipeline mechanical analysis of free span

圖3 灌漿支撐穩(wěn)定性和層間滑移計算Fig.3 Stability and sliding analysis for grout support

灌漿支撐要想達(dá)到處理效果，必須保持良好的穩(wěn)定性，這一點(diǎn)對于大懸跨處理尤為突出，因為高度高，海管作用將產(chǎn)生一個較大的傾覆力矩，同時大基礎(chǔ)就會有較大的側(cè)投影面積，受海底流作用產(chǎn)生的傾覆彎矩也應(yīng)給予重視。在進(jìn)行灌漿袋穩(wěn)定性評估中，主要考慮以下幾方面內(nèi)容：承載能力計算、整體穩(wěn)定性計算、各分層層間滑移計算和極限傾覆力矩計算。分析方法參見圖3，在此同樣不作展開。通過穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)對原有設(shè)計尺寸的驗證和二次優(yōu)化，確定設(shè)計方案[1，5-7]。

5 深水無潛灌漿法大懸跨處理工藝設(shè)計

5.1 基礎(chǔ)找平

基礎(chǔ)找平是灌漿袋安裝前的準(zhǔn)備工作，其主要目的是利用各灌漿層成型，避免灌漿過程中發(fā)生歪斜，主要通過找平袋實(shí)現(xiàn)，其原理是利用泥漿的流動性進(jìn)行不完全灌漿找平。同時也正是由于泥漿的流動性，在坡度斜平面上進(jìn)行灌漿袋的安裝，容易發(fā)生傾覆、翻滾；在極端情況下，往往要通過設(shè)置擋板來阻止泥漿自由流動直至凝固。究竟多大的坡度要進(jìn)行找平處理，應(yīng)依據(jù)支撐底面積進(jìn)行估算。在LW3-1項目施工中為保證良好的成型效果，將2.5°作為臨界坡度。大于2.5°的處理點(diǎn)將安裝找平袋，如圖4所示，小于2.5°的處理點(diǎn)不進(jìn)行找平處理。

圖4 找平袋坡度找平Fig.4 Pre-leveling by leveling bag

在基礎(chǔ)找平的過程中可能由于注漿速度過快、操作或判斷失誤等原因，沒有及時停漿，從而使注漿過于飽滿(見圖5)失去找平效果?；谏鲜鲲L(fēng)險，對找平袋結(jié)構(gòu)作了特別設(shè)計，如圖6所示。首先進(jìn)行分層設(shè)計，增加灌注次數(shù)，使得找平袋應(yīng)用于不同坡度更加靈活，可調(diào)控余地大大增強(qiáng)。其次在層間區(qū)域設(shè)置拉筋，尤其是針對中心區(qū)域，從而保證即使發(fā)生風(fēng)險操作時，仍能保持較好的成型面。

圖5 注漿過于飽滿Fig.5 Over grouting

圖6 找平袋優(yōu)化設(shè)計Fig.6 Optimization design of leveling bag

5.2 灌漿袋安裝

不同的安裝方法其側(cè)重點(diǎn)不同，效率和使用工具也不盡相同。目前國內(nèi)外比較常見的有整體安裝法(見圖7)和分層安裝法(見圖8)，主要區(qū)別在于灌漿袋的設(shè)計是整體設(shè)計還是分層設(shè)計。LW3-1深水油氣田項目主要從工期角度考慮，采用整體灌漿袋設(shè)計、安裝方法。

圖7 整體灌漿袋Fig.7 Fabrication as a whole

圖8 分層設(shè)計灌漿袋Fig.8 Fabrication by layers

兩種設(shè)計的特點(diǎn)如表1所示。

表1 灌漿袋整體設(shè)計與分層設(shè)計特點(diǎn)對比

5.3 灌漿袋定位

大懸跨處理與普通懸跨處理相比，難點(diǎn)是定位，由于灌漿袋大，高度高，袋子易漂浮，在海流的影響下還產(chǎn)生浮動，不能通過ROV的直接觀察來確定灌漿袋是否精確擺放到位。在LW3-1深水油氣田項目施工中，針對施工特點(diǎn)，采用校準(zhǔn)鏈進(jìn)行灌漿袋最終擺放位置的校準(zhǔn)。所謂的校準(zhǔn)鏈，就是一根中間有ROV抓取把手的鏈條，鏈條可懸掛于海管上，每隔0.5 m刷有熒光漆，不僅便于觀察還可以作為高度測量工具。灌漿袋在初步定位完成后，ROV抓起校準(zhǔn)鏈懸掛在海管上，沿海管方向灌漿袋兩側(cè)各一根。看下垂鏈條兩端是否落在灌漿袋標(biāo)記區(qū)域之內(nèi)，如果兩側(cè)鏈條都位于標(biāo)記區(qū)間(見圖9)之內(nèi)，則表示灌漿袋擺放到位，如圖10所示。

圖9 定位標(biāo)識Fig.9 Positioning marks

圖10 灌漿袋定位Fig.10 Positioning of grout bag

在使用校準(zhǔn)鏈的時候應(yīng)注意三點(diǎn)：(1)鏈條長度適中，末端貼住海床，但不能堆積過多，否則不利于觀察；(2)灌漿袋要完全舒展，不能有折疊、堆積，否則觀察結(jié)果不準(zhǔn)確；(3)灌漿袋上繪制的標(biāo)記線不宜過長，否則會隨著灌漿袋移動發(fā)生彎曲，不利于結(jié)果觀察。

5.4 分層設(shè)計

對灌漿袋進(jìn)行合理的分層設(shè)計，可以有效地降低施工風(fēng)險，提高施工效率。根據(jù)灌漿袋所處位置的不同將其分為三個區(qū)域：與基礎(chǔ)面接觸的區(qū)域(1～2層)，稱為基礎(chǔ)區(qū)域；中間區(qū)段稱為平行區(qū)域；頂部與海管接觸位置(1～2層)稱為支撐區(qū)域。對于基礎(chǔ)區(qū)域施工要慢、細(xì)，以保證質(zhì)量，對于液體泥漿成型最大的風(fēng)險是形狀和高度，因此基礎(chǔ)區(qū)域的分層高度設(shè)計應(yīng)當(dāng)以低矮為主；基礎(chǔ)層施工完成后，有個穩(wěn)定的基礎(chǔ)，平行層的注漿速度和設(shè)計高度可以增大；支撐區(qū)域相對比較復(fù)雜，因為在灌漿袋高度設(shè)計中是有余量考慮的，這些余量主要用來補(bǔ)償各層泥漿凝固體積收縮累加以及跳過操作失敗灌漿層的損失高度，所以在支撐區(qū)域分層設(shè)計中應(yīng)設(shè)計聯(lián)通隔層，還應(yīng)保持較大的分層高度，具體尺寸應(yīng)考慮高度余量和有效支撐后決定。

在各分層設(shè)計中，層間分割應(yīng)該設(shè)計為聯(lián)通分割，在LW3-1深水油氣田項目中是通過設(shè)計聯(lián)通孔保證聯(lián)通的，如圖11所示。這樣一方面保證灌漿袋整體的一體性，而不是相互獨(dú)立的分層，使得灌漿袋整體穩(wěn)定性和層間滑移更加保守；另一方面也可以避免對每層灌漿量觀察不及時，壓力過大而使灌漿層材料破裂的風(fēng)險。

圖11 灌漿層內(nèi)部平面隔層Fig.11 Separation for each layer inside the grouting structure

5.5 水下機(jī)器人成型控制

實(shí)現(xiàn)ROV操作的可行性，是大懸跨處理灌漿袋安裝主要解決的問題，也是普通灌漿法改進(jìn)所圍繞的核心。在眾多改進(jìn)措施中，吊架無疑是最具代表性的，它的主要作用在于灌漿成型控制。

一個灌漿袋安裝需要兩個吊架，分別被臨時固定在灌漿袋頂部相對側(cè)，當(dāng)灌漿袋擺放到位時，兩個吊架將平行于海管。兩個吊架形式略有不同，參照圖12，一個吊架上帶有鏈條，一個吊架上開有限位槽口。在進(jìn)行吊架安裝時，ROV抓取鏈條末端的猴頭，飛躍海管管線，穿過另一吊架然后反向拉緊，將鏈條卡在另一吊架限位槽內(nèi)。拉緊過程應(yīng)緩慢進(jìn)行，避免將吊架拽落或者將灌漿袋拉壞。張緊后的灌漿袋應(yīng)該是頂部緊貼海管，吊架緊貼海管兩側(cè)。吊架安裝效果如圖13所示。

吊架安裝成功后，灌漿袋在高度方向上能有效伸展，這樣可以避免灌漿袋由于自重或海流影響，漂浮堆積不利于灌漿；灌漿袋有效伸展后，如果出現(xiàn)較大位移就會產(chǎn)生張力，可以糾偏和成型控制，同時頂部支撐面在海管正下方，可以保證對海管進(jìn)行有效支撐。

圖12 吊架安裝示意圖Fig.12 Hanger installation instruction

圖13 吊架安裝效果Fig.13 Hanger after installation

在吊架安裝過程中應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：(1)吊架安裝應(yīng)在基層灌漿完成后進(jìn)行，如果空袋安裝會擾動原有的定位；另外安裝成功后的灌漿袋已經(jīng)有效撐開，表面積大，受海流作用力也大，再進(jìn)行定位并不容易。(2)吊架的排布應(yīng)利于ROV操作，若不進(jìn)行有效排布，吊架將位于灌漿袋中心，灌漿袋下放后頂部灌漿層將浸水浮起，吊架由于重力作用會在灌漿袋頂部形成一片凹陷，在此情況下飛起ROV進(jìn)行吊架鏈條抓取風(fēng)險較大，容易抓破灌漿袋，也容易發(fā)生灌漿袋與ROV推進(jìn)器纏繞。在灌漿袋折疊(見圖14)的時候應(yīng)將吊架向限位槽吊架一側(cè)灌漿袋邊緣布置，鏈條沿灌漿袋邊緣排布，鏈條末端猴頭應(yīng)位于吊架排布相對側(cè)。

吊架的設(shè)計可以有效地解決灌漿袋堆積、歪斜(見圖15)等成型問題，減少了不確定因素的影響，變被動控制為主動控制。這個設(shè)計簡單、有效，成本低，作用顯著。

圖14 吊架安裝失敗灌漿袋折疊Fig.14 Grout bag folded

圖15 泥漿堆積歪斜Fig.15 Grout bag inclined

6 深水無潛灌漿法大懸跨處理方案的優(yōu)點(diǎn)

深水無潛灌漿法不受水深限制，施工工藝簡單，懸跨處理效果好，對施工船舶和環(huán)境因素要求低，經(jīng)濟(jì)、安全、高效、可靠。可以適應(yīng)復(fù)雜海床地貌，能夠進(jìn)行不同坡度找平和不同高度懸跨處理，克服了深海潛水作業(yè)限制，發(fā)揮了ROV的特點(diǎn)。

灌漿填充法更易于成型，形狀規(guī)則，適合高懸跨處理。各個層間接合緊密，層間摩擦力大，整個支撐穩(wěn)定可靠。自由成型，可以形成對海底管道的有效包裹，包裹部分與下層支撐結(jié)構(gòu)連續(xù)一體，可以有效地抵抗橫向位移。

7 結(jié) 語

通過對原有灌漿支撐懸跨處理方法研究及特點(diǎn)分析，結(jié)合大懸跨無潛處理操作特點(diǎn)，有針對性地進(jìn)行找平袋、灌漿袋的改造設(shè)計并設(shè)計安裝ROV操作附件及工具，很好地解決了灌漿支撐定位和成型控制兩大難題,成功進(jìn)行了LW3-1深水油氣項目大懸跨處理，這對于深海及大懸跨項目有很好的借鑒和應(yīng)用價值。

使用灌漿法進(jìn)行懸跨處理，首先應(yīng)保證沉降值在要求范圍內(nèi)，也應(yīng)適當(dāng)考慮泥漿自身的凝固收縮。平整的基底是大懸跨、高灌漿袋成功操作的必要條件。在進(jìn)行坡度處理、海床找平的過程中，宜使用找平袋進(jìn)行找平，灌漿袋每層應(yīng)做到完全灌漿。為了最大程度地保證成型質(zhì)量，在灌漿時應(yīng)考慮地勢，盡量使泥漿由地勢較高一側(cè)流向較低一側(cè)。每層灌漿結(jié)束后，應(yīng)留有一定的初凝時間，再進(jìn)行下一層灌漿。灌漿袋在灌漿過程中發(fā)生偏移、歪斜，通過ROV進(jìn)行糾正操作是非常困難的，應(yīng)及時停止施工，討論解決方案。在進(jìn)行工期預(yù)算時應(yīng)考慮到泥漿初凝時間對總工期的影響；在施工過程中應(yīng)注意施工細(xì)節(jié)，注重優(yōu)化施工工藝。

[1] Det Norske Veritas.DNV-RP-F105. Free spanning pipelines[S]. 2006.

[2] 劉錦昆.淺海海底管道懸空段防護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用[D]. 青島：中國石油大學(xué)(華東),2014.

[3] 奉虎，王彥紅，王靖.海底管道懸跨處理方法及其適用性分析[J]. 中國造船,2012，53(增刊2)：74.

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BigFreeSpanCorrectionSchemebyCementGroutinginLW3-1Project

WANG Peng-fei, LIN Zhen-yu

(COOEC Subsea Technology Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong 518067, China)

Free spans on subsea pipelines are spans of the pipeline unsupported by the seabed and pipelines with long free spans are subject to increased fatigue loads and reduced pipeline integrity. Free spans corrected by cement grouting have been used for many years in international engineering projects, but there are few applications in China. Sand bags are still used very commonly in domestic projects. However, most projects corrected by cement grouting are low spans, since this method is not suitable for high span correction in technology and operation. For the high and big spans, a permanent solution is needed. Based on the common grouting correction procedure, through the technology improvement and design optimization, we make it meet the requirements of large span correction. Through the practice of LW3-1 project, we introduce the method of grouting, analyze the characteristics and advantages, point out the way for its development and provide a guideline for the large span correction.

free span correction; cement grouting; leveling; hanger; shaping

2016-03-22

王朋飛(1987—)，男，工程師，主要從事水下結(jié)構(gòu)物設(shè)計與安裝方面的研究。

TE973.92

A

2095-7297(2016)02-0122-07