阿布扎比原油管道项目PLEM安装工艺及其基础稳定性分析

'石l程建设海洋工程_阿布扎比原油管道项目PLEM安装工艺及其基础稳定性分析张雪生，陈宇，段梦兰，刘秀丽，闻峰。1．中国石油工程建设公司，北京1001202．复旦大学力学与工程科学系，上海2004333．北京油气调控中心，北京100007doi：10．3969／jissn．1001-2206．2015．04．003摘要海底管道管汇基盘(PLEM)是水下生产系统的重要组成部分。阿布扎比原油管道项目终端海上部分应用海底管道和单点系泊系统将陆上原油输送至海上油轮，PLEM用于连接管道和单点系泊装置。该工程采用底拖法取代铺管船法安装PLEM，并将PLEM设计成拖管头来铺设管道。针对该工程的独特设计，介绍了PLEM的结构特点及安装方法，并校核了PLEM下部基础结构在安装和作业期间的沉降、承载力及边坡稳定性，期望为今后类似项目提供参考。关键词：ZHANGXuesheng’，CHENYu，DUANMenglan，LIUXiuli，WENFeng。1．ChinaPetroleumEngineering＆ConstructionCorporation，Beijing100120，China2．DepartmentofMechanicsandEngineeringScience，FudanUniversity，Shanghai200433，China3．CNPCBeijingOil&GasTransportationCenter，Beijing100007，ChinaAbstract：Pipelineendmanifold(PLEM)；Sanimportantpartofsubseaproductionsystem．PLEMsconnectsubma-finepipelinesandoiltankersinADCOPCrudeOilTerminaIProject．1nthisproject，PLEMsaredesignedasdragheadsofpipelines．ThebottomtowmethodiSusedtoinstallPLEMSandsubmarinepipelines．BasedontheuniquedesignofPLEMS，thispapersummarizesthestructura1characteristicsandinstallationmethodofPLEMsandgivesacheckcalculationnon—bottomstabilityanalysisandsoils~opestabilityanalysisofPLEMfoundation，Thisprojectwillprovidethoughtsandreferencesforfuturesimilarprojects．Keywords：bottomtowmethod；PLEM；stabilityanalysis；slopestability海底管道和水下生产系统在海洋石油中起着重造、安装技术较为成熟，在不同水深领域内已广泛应要作用。海管管汇基盘(PLEM)是水下生产系统用1。国内对PLEM的研究起步较晚，尚未形成成的重要组成部分，其作用是连接海底管道与水下采油熟的设计、制造、安装技术，本文主要对阿布扎比原树、管道等水下设备【11。国外对于PLEM的设计、制油管道项目PLEM的安装进行分析。 l海洋工程石油工程建设PLEM底部与管道末端对准并进行法兰连接，需要潜1工程概况水员或水下ROV完成作业。但是对于一些连接到单阿布扎比原油管道是阿联酋投资建设的一条战咯点系泊装置的PLEM，也可以采用底拖法进行安装[61，性原油管道，起于哈卜善，终于富查伊拉，贯穿阿联在一定程度上可以降低作业风险并节约作业成本。本酋全境，主管道全长400km。该项目终端分部海上项目铺设水深超过50m，进行潜水作业风险较大且段工程位于阿联酋的酋长国富查伊拉东北部的港口附费用较高，考虑到将PLEM用作拖管头，其方形底近，用于运输原油的油轮吃水较深不能进港，因此需部可以避免拖管过程中管道发生扭转，因此在陆上预铺设海底管道至油轮系泊位置，将原油输送至油轮。制场地将PLEM与管道焊接在一起，同时拖拉入水。海上终端主要包括三条直径为1219mm的海底管PLEM的安装工艺如下(见图2)：道、三套最大可系泊3．2X10t载重巨型油轮的单点(1)海床预处理。在管道路由终端建造坡台，系泊装置以及三个连接管道与相应单点系泊装置的使安装位置呈水平。PLEM。根据工程所在地特有的水文、地质与气象条(2)PLEM就位。陆地预制场地的下水滑道上件，三条海底管道均采用底拖法进行铺设。PLEM在设置有焊接站，将PLEM运送至焊接站。拖管施工前作为拖管头与各自相应的海底管道焊接在(3)连接槽轮组块。槽轮组块用来连接PLEM一起，一并拖拉入水。与拖缆，其头部设计为滑橇型，防止拖管过程中扎头。PLEM头部的拖力眼板与槽轮组块尾部的重型卸2结构特点扣连接。对于不同安装方式的PLEM，其结构形式也有很(4)安装清管球。将两个清管球放入PLEM中。大差别。依照APIRP2A标准并综合考虑其结构功(5)对接PLEM与管道。将管道末端运送至下能，最终确定PLEM的结构尺寸及重量。典型的水滑道，对准PLEM底部，进行焊接。PLEM由基础结构、管系、阀门、毂座等组成，对于(6)拖拉,Z,jX。PLEM与管道同El,-：t~U用底拖法拖需要铺管船下放安装的PLEM，还应有YOKE臂、吊拉入水，入水前，下水滑道两侧各布置一台长臂挖掘钩等。另外，PLEM上还应增加滑动机构，防止高温机，用高强度扁平吊带连接其铲斗与对应侧压载臂底流体流经管道时因热胀冷缩效应造成管道屈曲或隆部的眼板，同时绷紧吊带，防止PLEM侧向滑脱滑道。起。本项目选用的PLEM结构如图1所示，基础结(7)#BTb浮筒。待PLEM即将拖离下水滑道构长11_5m、宽4．0m，4个压载臂长2．5m、宽时，在其顶部#l~Tb8个浮筒，以减小其负浮力。4．0rn，管系与主管道之间采用焊接连接，结构前端(8)监测。PLEM下水后，潜水员在其顶部安有拖力板眼，基础结构采用防沉板型式。PLEM总沉装浮漂与信号应答器，拖行过程中随时监测应答器位没重力为1214kN，其中基础沉没重力为307kN，管置与就位姿态。系沉没重力为296kN，4个压载臂沉没重力为71kN，(9)卸下浮筒并加载压载块。潜水员和ROV下单个压载块沉没重力为135kN(共4块)。水将浮筒卸下，并将压载块加载到压载臂上。4基础稳定性校核由于PLEM基础结构埋深远小于其结构最小横向尺寸，因此在稳定性分析中可将其简化为浅基础。浅基础的设计应包含基础在垂直荷载作用下的沉降、基础稳定性(包括地基的垂直承载力及抗倾覆能力)、动态荷载对基础结构的影响。图1PLEM结构4．1基础沉降3安装工艺的最大变形直接影响铺管船法安装PLEM是目前较为通用的方法151，着PLEM结构及其组件的完塑性。对于竖向荷载引起的该方法利用铺管船将PLEM下放到海底，然后将PLEM沉降量与地基土体变形量相同，参考API推荐做 _海洋工程石工程建设J7、『。=(Ⅳa一1)cot>0加阻力。排水条件下基底平面上的剪力由下式计算：Ⅳc=+2=0=cff+F~tan6(8)式中．——基底平面剪切阻力／kN；N。=锄tan245。+2＼(4)c”——土壤剪切排水强度／kPa；肌=2(Ⅳ+1)tan4~广基础长度／m；式中——土壤有效内摩擦角／(。)；厂一基础宽度／m；‘D——土壤内摩擦角／(。)。——失效时最大垂直荷载／kN；，(2)形状修正系数。本项目中基础为长方形基——二]=握摹勾司厚黼／)，为一。础，其形状修正系数公式为：作用在PLEM上的扭矩可以砖化为作用在基+罟‘底平面方向和，，方向上的两个等效荷载FM，和其作用点分别位于长度的睾处和宽度的处。，sq：1+tan(5)和FM，分别按下式计算：1—0．4—‰=矗’(9)式中s。、s厂一基础形状系数；——有效基础长度／m。‰‘(1O)(3)荷载倾斜系数。极限承载力的大小与作用3。在基底上荷载的倾斜程度有关，荷载倾斜系数公式为：综上，水平方向上的荷载为：(p=0．1一志。m．=+FM，(11)．=．．I—‰，+FM，(12)ka一瓦，式中．一水平荷载在方向上的分量／kN；——1一面]>0(6)．水平荷载在y方向上的分量／kN。根据式(8)、(11)、(12)可以得到基础[1_]发生剪切的侧向安全系数计算公式：式中i。、。、一荷载倾斜系数；FOS=—r_(13)——倾斜荷载在地基上的水平分力／kN；V。．+。。——倾斜荷载在地基上的竖直分力／kN；式中FO．则向安全系数。4．2．3校核结果m——尺寸系数，m=手COS20+基于前述分析方法，对本项目PLEM基础结构分1sin20；别在安装工况和运行工况下进行校核，荷载组合为：+尼一’安装工况：—轴和水平分力的夹角／(。)。(1)PLEM固定负载；PLEM安装完成后需要稳固地固定在海床上。(2)1年一遇最大环境荷载；根据APIRP2A第6．13．4节，对于垂直荷载导致(3)1年一遇最大水下软管荷载；失效的在位稳性分析，其安全系数不得低于2．0。(4)最大海底管道荷载。在净垂直荷载作用下的安全系数应由下式获运行工况：得：(1)PLEM固定负载；FOS,~=(7)(2)100年一遇最大环境荷载；，ver(3)1O0年一遇最大水下软管荷载。式中PO——垂直方向安全系数。分别选取沿轴正向和负向的环境荷载对PLEM4．2，2侧向承载力基础进行稳定性计算，得到的结果见表1。经计算，对于已安装完成的PLEM，侧向承载力主要表现结构满足设计要求。为基底平面上的剪力。此时忽略压载框裙板产生的附■—l162015年8月 '