杨东宇，张世富，张冬梅，杨泽林，韩凯

海洋管道铺设技术研究现状

杨东宇1，张世富2，张冬梅2，杨泽林1，韩凯1

（1. 陆军勤务学院 油料系，重庆 401331； 2. 陆军勤务学院国家救灾应急装备工程技术研究中心， 重庆 401331）

随着经济的高速发展以及陆上油气资源的大量开发和利用，国内外日益重视对于海上油气资源的开发。海洋管道是海洋工程中最重要的组成部分，但海洋管道铺设方式不同于陆地管线，荷载条件和边界条件更为复杂，管道承受较大的应力和较高的风险，因此对管道敷设技术提出了更高的要求。针对海洋管道的铺设方法以及各铺设方法铺设过程的研究方法进行对比分析，得出了不同铺设方法的适用范围，并提出了未来海洋管道铺设过程分析方法的研究方向。

海洋管道；铺管技术；铺管船法；拖管法

据统计，世界海洋石油资源储量约一千亿吨，约占全球石油资源总量的三分之一[1]。目前有超过100个的国家已经加入海洋油气开发的队伍，希望能从中找到解决未来能源问题的方法。海洋管道的输送工艺与陆地管道基本相同，但海洋管道敷设方式不同于陆地管线，荷载条件和边界条件更为复杂，铺设过程中管道承受更大的应力和更高的风险，因此海洋管道的铺设方法设计是海洋管道设计中的重要环节[2]。

1 海洋管道铺设技术

海洋管道是辅助海洋油气资源开采的重要部分，主要负责开采后油气集输任务，海洋管道按管道相对位置有海底管道与海上漂浮管道两种。其中漂浮管道多是软质管道且一般作为战时或其他极端状况下应急使用，而海底管道则几乎是一种永久性的海洋工程结构物且应用范围巨大；目前，国内外通常铺管船法以及拖管法进行海洋管道的铺设。

1.1 铺管船法

铺管船法就是预先将专用的铺管设备设施安装在专门的铺管船上，再利用船上的专业设备进行管道敷设[3]。铺管船法作业时需要专门的铺设船只，尤其适合较深海域的管道铺设。选用铺管船法进行海上管道铺设作业时根据铺管船以及铺管设备的不同可分为“S”型铺管法和“J”型铺管法以及卷管式铺管法。

（1） “S”型铺管法

“S”型铺管法是当前最常采用的海洋铺管方法，在船上托管架的支撑以及海水浮力的共同作用下管道弯曲成类似S型曲线，形成拱弯区（Over Band）和垂弯区(Sag Band)两个区段，如图1所示。铺设过程中对管道在拱弯区和垂弯区的曲率的调节可以通过控制管道的张力、拖管架的方向和曲率等而加以控制，在管道离开导管架时，管道进入海中的角度越接近竖直方向，铺管船上张紧器的张拉效果越好；但经过一段时间的发展海洋管道型号逐渐加大，管道朝向从水平方向到竖直方向的改变所需要的空间也越来越大[4]，因此为满足管道敷设时的空间需求铺管船上的拖管架近些年由最普通的直线式慢慢向曲线式、分节式等新式结构发展[5]。选用“S”型铺管法进行铺管时需配备专用的铺管船与铺管设备，由于对管道的相关加工处理均可在船上进行然后直接铺设，因此利用本法进行敷设的海洋管道一般质量较高，同时由于其可实现海上持续不间断铺设，因此铺设速度较快，可达到3.5 km/d。

图1 “S”型铺管法作业示意图

（2）“J”型铺管法

“J”型铺管法与S型铺管法的最大区别在于在采用”J”型铺管法进行铺设时，管道进入水中的角度通常接近垂直，管道受力而弯曲成类似J型曲线，如图2所示，因此本方法多用于深水和超深水海域的海洋管道敷设。为保证整个铺设过程的安全性，在选用”J”型铺管法时一般采用调节铺管塔倾角和管道张力而达到改善整个管道的受力的目的。在本法的铺设过程中由于对管道的焊接、密封性测试等工序都需要在接近垂直的方向上完成，因此在技术上实现难度相对较大，导致铺管速度较慢，约1.5 km/d。

图2 “J”型铺管法作业示意图

（3）卷管式铺管法

卷管式铺管法就是利用专业卷管设备将作业前已经在陆地制好的管道（一般是中小直径的柔性管道）卷在专用滚筒上后再进行海上铺设。因此卷管式铺管船根据滚筒的放置方式可分为水平式和竖直式两种[6]，如图3所示。采用卷管式铺管法铺设时由于大部分操作比如管线的连接、滚卷等都已经在陆地上完成，因此管道可以以极快的速度铺设，铺设速度可达1千米/小时，并且管道质量相对较高，同时由于其操作简单，因此卷管法铺设是所有船铺法中经济性最好的方法。

(a)水平式 (b)竖直式

卷管式铺管法不仅作用于商用海上油气资源的开采，由于高水平的铺管质量与快速的铺管速度，其通常被采用于军用油料输转。例如美国军方的两栖散装液货输转系统（ABLTS），如图4所示，主要利用船载液压软管卷盘、牵引缆绳、小型作业艇、滩头滑轮和起锚机绞盘实现漂浮软管的快速展开。海上管道展开初始阶段阻力比较小，一般通过小型作业艇直接牵引展开；随着阻力的增大，作业艇难以继续牵引，通卷盘牵引揽绳；作业艇到达岸边后再固定安装滩头滑轮，将牵引揽绳绕过滑轮继续步引缆绳；作业艇到达油轮后，通过起锚机绞盘带动缆绳牵引管道完成漂浮管道的铺设[7]。

图4 美军两栖散装液货输转系统作业状态图

1.2 拖管法

拖管法铺设就是将作业前已经预先在陆地上制备好的一定长度管道通过牵引船拖拉至预定位置后，将管道连接完整后再下沉至海底的方法。拖管法根据牵引过程中管道所处的海水深度可分为浮拖法、离底拖法和底拖法[8]。

（1）浮拖法

浮拖法就是预先在陆地上连接好的管段上捆绑一定数量的浮筒，如图5所示，然后通过牵引船拖拉至预定位置沉放安装的方法。采用浮拖法进行铺设时管道主要依靠浮筒的浮力在海面漂浮，因此在牵引过程中管道受风、浪、流的影响较大，管道在海流和波浪作用下容易发生偏移或过大变形[9]，因此在管道铺设前必不可少的需要针对铺设过程进行准确的分析计算。

图5 浮拖法作业示意图

（2）离底拖法

离底拖法就是利用捆绑在管道上的浮筒和链接的海底拖链来进行重力平衡，如图6所示，使管道在牵引过程中保持既离海床一定距离同时又不漂浮在海面的状态。拖链是离底拖法铺设的关键设备，除了在竖直方向上平衡浮力外，还因为与海床的摩擦能提供一定的摩擦力，利于维持管道在牵引过程中的稳定性。由于在整个牵引过程中管道处于悬浮状态，受力相对较小，因此离底拖法对管道外部的保护性要求较低，但是为保持管道悬浮状态，因此对浮筒的拆除时机与数量提出了更高的要求，铺设难度较浮拖法更大。

图6 离底拖法作业示意图

（3）底拖法

底拖法就是指在整个牵引管道进行铺设的过程中管道始终处于海床上，如图7所示。采用底拖法进行铺管的过程中由于管道始终与海床接触摩擦，因此对牵引船的动力也有一定的消耗，同时其要求管道外表面的抗磨层相比较其他拖管法要更加厚实。采用底拖法进行铺管的过程中管道整体全程都处于海底，风、浪等对其的阻力几乎可以忽略，因此管道的整体受力状态较好。

图7 底拖法作业示意图

综上所述，海洋管道的铺设方法各有优缺点且使用条件不同，如表1所示。

表1 海洋管道铺设方法对比

在工程实际中，为保证施工过程的安全以及较高的工作效率，铺管方式的选择往往需要依据所拥有的设备设施、具体海况等实际情况来进行优选。铺管船法由于其操作简单且可靠性高而被大量应用于海洋工程，大多应用于墨西哥湾、北海等海域。而拖管法铺设由于其铺设过程中的不可控因素较多、受外界环境影响较大以及实施过程相对复杂而实际应用相对较少。我国的海洋工程的由于设备和技术的相对落后而发展较慢，导致我国的海洋管道铺设技术起步相对较晚。直到1973年，我国才首次成功运用浮拖法成功敷设了东营-黄岛输油管道；1998年，我国采用浮拖法成功铺设埕岛海底双层保温输油管道[10]；2004年， West Liby-an Gas Project(WLGP)成功运用底拖法在利比亚西海岸铺设了多条海底管道；越来越多的海洋管道铺设工程实际提供了宝贵的操作经验，同时随着工程量的不断大型化以及控制的逐渐精细化也为进一步研究管道铺设方法提出了更高的要求。

2 海洋管道分析方法

管道在铺设过程中受到的载荷由于海洋环境的复杂性而多种多样，不同的铺管方式所受的主要载荷种类也不相同，因此不同的铺管方式的符合实际铺设过程的力学计算模型、分析方法均不尽相同。

1981年，A.H.Mousselli总结了各种铺设方式的分析方法和适用理论，同时指出了不同分析方法的适用条件和理论等[11]。各种铺设方法的对比如表2所示。

表2 各理论适用条件分析对比

由上表可以看出，当管道铺设处于小挠度的情况下选用线性梁理论仍有相当不错的实用性，其计算方法简单且其计算过程无需进行迭代求解，方便快捷；虽然应用悬链线理论进行得出的结果精度较大，但是其受使用条件约束导致通用性差，因此大多应用于铺管船法进行的管道铺设过程设计；有限元法和非线性理论均是计算精度高且有很好的通用性，随着科技的不断进步，越来越成为受大家青睐的计算方法。

2.1 有限元方法

如今在工程实际中应用最广泛的数值计算方法便是限元法。同时随着科技的迅速发展，促使计算机的计算能力大幅提高，有限元法现在已经成为计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助技术（CAD）的重要组成部分。在应用有限元法对海洋管道铺设过程分析计算中，一般是用相互连接的经典梁单元系统来模拟管道，首先对每一个经典梁单元的刚度矩阵进行分析计算，然后将其在整体坐标系下进行整合集成，再应用边界条件对刚度矩阵和荷载向量进行处理后求解平衡方程，最后可计算出所模拟管道各个连接点的位移大小。有限元法中模拟管道中简化经典梁单元的弯曲刚度矩阵为：

增加轴向力后模拟管道经典单元的刚度矩阵变为：

在得到上述模拟管道的单元刚度矩阵后将其整合为整体刚度矩阵，再将荷载向量代入平衡方程中求解，可计算出单元节点的位移大小。

在管道的铺设过程计算中，管道发生的一般远小于管道自身，因而当管道平衡条件是以管道仅发生小变形为条件而建立的，此时可以忽略管道的实际形状和位置的变化，达到快速计算目的的同时且符合精度要求，此类计算属于线性计算理论。然而在铺设海域水深较大时，管道可能会进入大位移状态，也就是必须考虑管道形变等对平衡的影响，此时平衡条件的依据发生了改变，这样问题就成为了非线性问题。

2.2 非线性有限元法

非线性有限元法是建立在有限元法的基础上，专门用来解决非线性结构问题等常规有限元法不能解决的问题的一种数值计算方法。非线性有限元法的计算往往极为复杂，因此其极度依赖电子计算机的计算能力。但是非线性有限元法的应用往往不受计算对象在几何和物理上的限制，这是其它求解方法无法比拟的，因此其发展快同时也越来越得到工程各方的重视，是未来进一步研究管道铺设过程的重要突破方向。由式4可以看出当模拟管道的整体刚度矩阵是关于节点位移的函数时，其平衡方程就是非线性有限元方程[12]。此时通常应用牛顿-拉夫逊法对其进行求解，迭代公式为：

当上述迭代法计算后得到的不平衡力足够小时，此时模拟管道的累计变形为求得的管道铺设过程变形。

在应用非线性理论对海洋管道进行数值计算时，最主要的是管道变形的几何非线性问题，目前应用较为广泛的是将管道视为弹性、非线性的几何大变形梁模型进行求解。与上文的线性有限元法所应用的线性梁理论相比，采用几何非线性的大变形梁作为模拟铺设管道的适用条件更广，同时其计算精度也更高。

3 结束语

随着陆地油气资源的逐步枯竭，人们愈发重视海洋油气资源的开发利用。本文针对海洋管道的铺设方式以及各铺设方法过程的研究方法进行了对比分析，相较于拖管法，铺管船法由于其沉放难度小、对海况的要求低，因而在国内外取得了大量的应用；未来对于有限元法的利用将促使海洋管道铺设技术进一步提高。我国海洋管道的铺设和设计由于起步较晚，技术和装备相对落后，对海洋管道铺设的设备研发和相关理论需要更加全面的研究，从而加速对我国海上油气资源的开发利用，推动国内经济的健康、可持续发展。

［1］杨进,刘书杰,姜伟,等. ANSYS在海洋石油工程中的应用[M]. 北京:石油工业出版社, 2010.

［2］Ben C Gerwick Jr. Construction of Marine and Offshore Structures[M]. USA, CRC Press, 2007．

［3］方晟. 铺管船现状概况及发展趋势分析[J]. 无线互联科技,2017(08)．

［4］田红涛. 海底输油管道轴线轨迹检测装置的研发[D]. 青岛科技大学, 2016．

［5］E.P.Heerema. Recent Achievements and Present Trends in Deepwater Pipelay Systems[C]. Offshore Technology Conference, 2005．

［6］Murtaza Habib. Comparrative Study for S-lay and J-lay Pipeline Installation Methods[D]. 哈尔滨工业大学, 2010．

［7］邓磊, 卷管式铺管法施工卷盘过程研究[D]. 中国海洋大学, 2014．

［8］Alf Roger Hellesto, Daniel Karunakaran, Tround Gryttena, et al. Combine-d Tow Method for Deepwater Pipeline and Riser Installation[C]. Offshore Technology Conference, 2007．

［9］Spyros A. Karamanos. Bending Instabilities of Elastic Tubes[Z]. International Journal of Solids and Structures, 2012．

［10］文世鹏, 埕岛油田海底主登陆管道检测与安全评价[D].中国海洋大学, 2014．

［11］（美）A.H.Mouselli,著.海底管道设计分析及方法[M]. 许正名,等译.北京：海洋出版社, 1981．

［12］王志刚, 深海铺设油气管道的非线性受力分析[D]. 华南理工大学, 2015．

Research Status of the Laying Technology of Offshore Pipeline

1,2,2,1,1

（1. Oil Department of Army Logistics University of PLA, Chongqing 401331，China；2. National Disaster Emergency Equipment Engineering Technology Research Center, Army Logistics University of PLA, Chongqing 401331，China）

With the rapid development of economy and the exploitation and utilization of land oil and gas resources, more and more attention has been paid to the exploitation of marine oil and gas resources at home and abroad. The offshore pipeline is the most important part of ocean engineering, but the offshore pipeline is different from land pipelines, the load and boundary conditions are more complex, and the offshore pipeline is always under high stress and high risk, therefore the laying technology of offshore pipeline need also meet higher requirements. In this article, the offshore pipeline laying methods were compared and analyzed as well as the research methods of offshore pipeline laying process based on these laying methods, the applicable scope of different laying method was obtained, the future research direction of pipe laying process analysis method was put forward.

Offshore pipelines; Laying technology; Lay barge method; Pull-and-tow technique

TE 835

A

1671-0460（2017）12-2551-05

国家科技支撑计划，项目号：2014BAK05B00。

2017-10-10

杨东宇（1994-），湖南邵阳人，硕士研究生，研究方向：从事石油与天然气管道加注技术方面研究。E-mail：467046325@qq.com。