海洋管道工程

海洋管道施工受到海浪的直接干擾，因此，必須詳細(xì)勘察施工海域內(nèi)不同季節(jié)海浪的發(fā)生周期、持續(xù)時(shí)間、方向、浪高、波長以及頻率等；并須取得多年的資料作為選擇施工用的船型、安排施工季節(jié)和進(jìn)度的依據(jù)。海浪勘測可采用海浪記錄儀。

水流會影響管道施工時(shí)的安全和管道投產(chǎn)后的穩(wěn)定性。施工前應(yīng)沿著路由實(shí)測海水流速的垂直分布和流向等，并收集多年各季度的實(shí)測資料，從而對管道的穩(wěn)定性、振動進(jìn)行核算。管道在水下承受多種作用力，尤其是水流的作用力，其中包括水平推力和上舉力。在垂直方向上，只有管道的重量大于上舉力和浮力時(shí),管道才能穩(wěn)定。當(dāng)管道裸露鋪設(shè)在起伏不平的海床上，水流流過管道的懸空段時(shí)，管道容易產(chǎn)生振動,甚至導(dǎo)致斷裂。測出海底處海水流速，就可以計(jì)算出最大允許懸空段的長度。增加管道重量仍難克服水流對管道的作用力時(shí)，應(yīng)采取開溝埋設(shè)或其他穩(wěn)管措施。

20世紀(jì)50年代初期，人們開始在淺海水域中尋找石油和天然氣。隨著海洋油氣田的開發(fā)，首先出現(xiàn)了海洋輸氣管道。天然氣必須依靠海洋管道外輸，淺海中采出來的原油則可由生產(chǎn)平臺直接裝入油船。在深海中采出來的原油，大型油船?？可a(chǎn)平臺會威脅到平臺安全，因此出現(xiàn)了海中專用于?？看笮陀痛膯吸c(diǎn)系泊。這樣，就要有連接各生產(chǎn)平臺與單點(diǎn)系泊之間的輸油管道。70年代，在海域中開發(fā)了大型油氣田以后，開始建設(shè)了大型海洋油氣管道，把開采的油氣直接輸往陸上油氣庫站。

包括路由選擇和勘測、海浪和水流調(diào)查。

路由選擇和勘測 　尋找一條較平坦、地質(zhì)條件又穩(wěn)定的海下走廊是保證管道長期穩(wěn)定的基礎(chǔ)。首先是在詳細(xì)的海圖上選出幾條走向。其次沿著各條走向用聲納測深儀實(shí)測海底地形；用覆蓋層探測儀和側(cè)向聲納掃描儀，描繪出幾十米深的縱斷面工程地質(zhì)圖，探明海底泥層的構(gòu)成、巖性、斷層位置以及有無埋設(shè)其他管道等。然后將所取得的幾條走向資料進(jìn)行對比，以確定最優(yōu)的路由。路由確定后，沿著確定的路由從海底中取出土樣，測定土壤的抗剪切力、致密度和比重等，以便用這些數(shù)據(jù)來確定管道施工方案。

海洋管道鋪設(shè)作業(yè)是由陸上管道穿越河流、湖泊水域的施工方法發(fā)展起來的。鋪管作業(yè)主要有三種方法：鋪管船鋪設(shè)、牽引法鋪設(shè)和用卷筒船鋪設(shè)。作業(yè)過程中選擇何種方法是根據(jù)管徑大小、海水深淺、海況和距岸遠(yuǎn)近等條件確定的。近年來海洋油氣田探勘接近千米深的海域，海洋管道施工技術(shù)正向這一深度發(fā)展。70年代末期已能在600米深的海域中鋪設(shè)管道。

①鋪管船鋪設(shè)。這種方法最為常用。50年代在開發(fā)淺海區(qū)油氣田時(shí)，多采用人工開出一條能通行淺水船的河道，并在一種用浮箱拼裝而成的鋪管駁船上，把管子組裝起來，當(dāng)駁船向后移動時(shí)，焊接好的管段即滑入水中。這種鋪管駁船逐步發(fā)展成為大型鋪管船。1956年第一艘較大型的鋪管船投入使用。船上可以堆放管材，設(shè)有吊運(yùn)管子的起重設(shè)備和管段的組裝線，還有托管架作為管段下海的滑道。這種鋪管船錨定技術(shù)較完善，可在30米深的海域作業(yè)。此后，鋪管船不斷地發(fā)展，出現(xiàn)了具有自航能力，可鋪設(shè)更大口徑的管道，能在較深的海域作業(yè)的自航式鋪管船。1965年在開發(fā)大西洋的北海油氣田時(shí)，這種類型的鋪管船因抗風(fēng)浪能力差，不能適應(yīng)北海區(qū)的海況，作業(yè)經(jīng)常被中斷，經(jīng)過改革船體結(jié)構(gòu),制成半潛式鋪管船，加強(qiáng)了抗風(fēng)浪能力。70年代初期“喬克陶Ⅰ”號半潛式鋪管船在澳大利亞的巴斯海峽投入使用，證明半潛式鋪管船穩(wěn)定性好，并能在120～180米深海中進(jìn)行鋪管作業(yè)。1979年半潛式“卡斯特羅”號鋪管船，在建設(shè)由非洲阿爾及利亞經(jīng)突尼斯穿過突尼斯海峽通向歐洲意大利的輸氣管道時(shí)，成功地在608米深的海域中鋪設(shè)了500毫米管徑的管道。

鋪管作業(yè)過程是將管子經(jīng)陸上預(yù)制廠加上水泥加重層后，用船運(yùn)到鋪管船上，將管子逐段組裝焊接，焊好的管段在鋪管船向前移動時(shí)，從船尾部的托管架上滑入海中。整個(gè)鋪管作業(yè)的過程中，管段下滑的長度必須與船的位移量同步，同時(shí)，鋪管船必須處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。為此,在鋪管船的前后左右布置有4～6個(gè)船錨，調(diào)節(jié)錨纜的松緊可穩(wěn)定船只；調(diào)節(jié)錨纜的長短可移動船位。管段自托管架的尾部滑向海底時(shí)，懸吊在海水中形成一個(gè)由上拱彎轉(zhuǎn)為下彎曲的S形,使管段受到復(fù)雜的彎曲應(yīng)力的作用，此外,還受到浪涌和水流的沖擊力的作用。為了使管段不產(chǎn)生永久變形，須用托管架保持上拱彎盡可能大的彎曲半徑，并使下彎曲處處于容許彎曲應(yīng)力的范圍以內(nèi)。因此船上有能力足夠的張力機(jī)夾住管段，使之不能自由滑動，并且使管段下滑同船的位移距離一致。

②牽引法鋪設(shè)。先在海岸上將管子組裝成1～2公里長的管段，然后用拖船將管段牽引下海，一段段地拖到預(yù)定地點(diǎn)，在海中對接，形成一整條的管道。在較平靜的海域中，管段可在水面上或水面下漂浮拖曳；風(fēng)浪大的海域，可以在海底拖曳。近年來牽引法在淺海海域中鋪設(shè)管道，應(yīng)用較多。這種方法無須使用鋪管船和開溝船，并可減少很多輔助船只,費(fèi)用較省。但是采用這種方法必須注意確保施工質(zhì)量。施工過程中如發(fā)生故障，仍需大型船只來排除。

③卷筒船鋪設(shè)。管子卷繞在船上直徑很大的卷筒上，鋪設(shè)時(shí)將管子從卷筒上退繞下來沉入海底。這種方法多用于鋪設(shè)管徑較小的管道，其優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)度快和連續(xù)性好。正在研究用這種方法鋪設(shè)管徑為400毫米的管子。

卷筒鋪設(shè)曾在第二次世界大戰(zhàn)中應(yīng)用。1944年在快速鋪設(shè)穿越英吉利海峽的戰(zhàn)時(shí)輸油管道時(shí)，就曾采用這種方法。當(dāng)時(shí)用銅錫鉛合金制成鎧裝的柔性管材，卷繞在船上的卷筒上，就像敷設(shè)海底電纜一樣，將管道鋪設(shè)在海底，共鋪設(shè)了管徑77毫米的管道12條。

開溝作業(yè) 　在海底開一條溝，將管道埋入溝內(nèi)，這是對不宜裸露鋪設(shè)的管道的一項(xiàng)重要安全措施。為了準(zhǔn)確地將管溝開在管子所在位置上和盡可能減少開挖的土方量，一般都采取先鋪管后開溝的辦法。70年代中期在修建自北海?？品扑箍擞吞镏谅?lián)邦德國的埃姆登的輸氣管道時(shí)，曾用這種方法鋪設(shè)。這條管道全長442公里，管徑為920毫米，其中約有150公里的管道是開溝埋設(shè)的。管道鋪設(shè)在海底以后，將一臺撬式開溝機(jī)“騎”在管道上，由開溝船牽引移動，并從開溝船經(jīng)軟管向撬式開溝機(jī)供給高壓水和壓縮空氣。根據(jù)所需的溝形和深度，在開溝機(jī)上布置多組噴嘴，噴嘴射出的高速水流沖擊管道下面和兩側(cè)的泥土,使之成泥漿，同時(shí)打入空氣將泥漿沖擠出溝外。管溝開出后，管道靠自重作用沉入溝底。開溝船可開挖較硬質(zhì)的海底,開溝深度可達(dá)2.1～4.6米，可在100米深的水下作業(yè)。

在淺海和淤泥海底也有采用拖船牽引“騎”在管上的開溝犁開溝的。2100433B

指導(dǎo)鋪管船沿著路由方向移動和確定在海域中施工船隊(duì)位置的作業(yè)。海上定位的方法是在岸上設(shè)置兩座以上已知其經(jīng)緯度的定向電臺，定向電臺發(fā)射微波定向信號。作業(yè)船上安裝有無線電定向儀，可以精確地測定船與岸上各電臺間的夾角，從而準(zhǔn)確地測出船所在的位置。在近海作業(yè)時(shí)可以用微波發(fā)射信號；在遠(yuǎn)海作業(yè)時(shí)一般用 200米的無線電長波發(fā)射信號。這兩種方法均能達(dá)到鋪管作業(yè)定位所需要的精度。

主要特點(diǎn)是：①施工投資大。在一般海域中鋪設(shè)一條中等口徑的海洋管道需要一支由鋪管船、開溝船和10余只輔助作業(yè)的拖船組成龐大的專業(yè)船隊(duì)。此外，還需要供應(yīng)材料、設(shè)備和燃料的船只等。租用專業(yè)船隊(duì)的費(fèi)用是海洋管道施工中的主要費(fèi)用，由于這一費(fèi)用較高，致使海洋管道施工費(fèi)用比陸上同類管道要高1～2倍。②施工質(zhì)量要求高。不論是在施工期間或投產(chǎn)以后，海洋管道若發(fā)生事故，其維修比陸上管道維修困難得多,因此，海洋管道施工要確保質(zhì)量。③施工環(huán)境多變。海況變化劇烈而迅速，如風(fēng)浪過大，施工船隊(duì)難以保持穩(wěn)定。在這種情況下，往往須將施工的管道下放到海底，待風(fēng)浪過后再恢復(fù)施工。④施工組織復(fù)雜。海洋管道施工中，管道的預(yù)制，船隊(duì)的配件、燃料和淡水的供應(yīng)等，都需要依靠岸上的基地；船隊(duì)位置和移動方向的確定，也是依靠岸上基地的電臺給予緊密配合。因此海洋管道施工具有海陸聯(lián)合組織施工的特點(diǎn)。

海洋管道施工包括海上定位、鋪設(shè)管道和開溝等項(xiàng)作業(yè)。

隨著航天和航空遙感技術(shù)的發(fā)展，航天和航空遙感技術(shù)逐漸應(yīng)用于海洋探測，形成天基海洋環(huán)境遙感。天基海洋遙感具有觀測范圍廣、重復(fù)周期短、時(shí)空分辨率高等特點(diǎn)，可以在較短時(shí)間內(nèi)對全球海洋成像，可以觀測船舶不易到達(dá)的海域，可以觀測普通方法不易測量或不可觀測的參量，成為繼地面和海面觀測的第二大海洋觀探測平臺，也成為發(fā)達(dá)國家竭力爭奪的海洋高科技之一。近年來，美國、歐洲、日本等航天大國相繼制定了相應(yīng)的海洋發(fā)展規(guī)劃。

海洋觀測技術(shù)衛(wèi)星遙感觀測

國外已經(jīng)陸續(xù)發(fā)射了多顆海洋水色衛(wèi)星、海洋地形衛(wèi)星和海洋動力環(huán)境衛(wèi)星。

1）SeaStar衛(wèi)星

1997年8月，美國發(fā)射了SeaStar海洋水色衛(wèi)星。星上裝載有第二代海洋水色傳感器，共有8個(gè)通道，前6個(gè)通道位于可見光范圍，7、8通道位于近紅外，中心波長分別為765nm和865nm；地面分辨率為1．1km，該衛(wèi)星現(xiàn)仍在運(yùn)行。

2）EOS衛(wèi)星系列

EOS系列中的EOS－AM衛(wèi)星主要用于陸地和大氣觀測、物理和化學(xué)、氣候環(huán)境調(diào)查。第一顆EOS－AM衛(wèi)星Terra于1999年12月18日發(fā)射。EOS－AM1衛(wèi)星裝載五個(gè)主要儀器：中分辨率成像光譜儀（MODIS－N）、先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射器（ASTER）、多角度成像光譜儀（MI－SR）、云和地球輻射能量系統(tǒng)（CERES）和對流層污染儀（MOPITT）。EOS－PM衛(wèi)星共計(jì)三顆，第一顆EOS－PM衛(wèi)星Aqua于2002年5月4日發(fā)射；EOS－PM2衛(wèi)星Aura于2004年7月15發(fā)射；EOS－PM3于2010年12月發(fā)射。

EOS－PM衛(wèi)星裝載的儀器有：先進(jìn)的微波探測器（AMSU）、微波濕度探測器（MHS）、云和地球輻射能量系統(tǒng)（CERES）、中分辨率成像光譜儀（MODIS－N）、大氣紅外探測器（AIRS）、多通道微波成像輻射器（MIMR）。

3）Geosat衛(wèi)星

1985年3月，美國海軍發(fā)射了Geosat大地測量衛(wèi)星，也是一顆海洋地形衛(wèi)星，星上裝載的唯一傳感器是一部Ku波段（13．5GHz）的雷達(dá)高度計(jì)。該衛(wèi)星以軍用為主，用于測量海洋表面有效波高，研究地球重力場、海潮和海面地形等，鑒于衛(wèi)星軌道誤差大（50cm）和數(shù)據(jù)保密等原因，沒有得到廣泛應(yīng)用。1998年2月，美國海軍又發(fā)射了Geosat的后繼衛(wèi)星GFO－1，運(yùn)行至今。

海洋觀測技術(shù)航空海洋觀測

航空海洋探測采用固定翼飛機(jī)和無人機(jī)為傳感器載體，具有機(jī)動靈活、探測項(xiàng)目多、接近海面、分辨率高、不受軌道限制、易于?？张浜隙彝顿Y少等特點(diǎn)，是海洋環(huán)境監(jiān)測的重要遙感平臺，通過搭載的微波和光學(xué)遙測設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)獲取大氣海洋環(huán)境資料。在軍事上，由于無人機(jī)可有效減少人員傷亡，得到了廣泛應(yīng)用。典型代表有美國的“全球鷹”、“捕食者”，澳大利亞的Aerosonde等無人機(jī)。

經(jīng)過多年的發(fā)展我國已建成了包括海洋站、浮標(biāo)、調(diào)查觀測船、海監(jiān)飛機(jī)，以及利用國外遙感衛(wèi)星資料的海洋環(huán)境初級監(jiān)測網(wǎng)，但是和國外發(fā)達(dá)國家相比還存在著以下兩個(gè)方面的不足：

1）起步晚，能力弱

我國的海洋科學(xué)研究起步較晚，海洋觀測能力建設(shè)與國際發(fā)達(dá)國家相比差距較大，觀測內(nèi)容少，精度低，無法滿足現(xiàn)代海洋軍事活動的需要。觀測僅以岸基站常規(guī)監(jiān)測為主，主要依靠國家海洋局的若干觀測站、固定浮標(biāo)以及少量ARGO浮標(biāo)，以及近年來建立的海底觀測網(wǎng)，缺少海上固定式長期海洋綜合觀測平臺，無法滿足海洋科學(xué)研究長期、連續(xù)、實(shí)時(shí)、多學(xué)科同步的綜合性觀測要求。而美國有基于NOAA的90個(gè)浮標(biāo)、60多個(gè)海岸自動觀測網(wǎng)以及多源衛(wèi)星構(gòu)成的海洋動力環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)。

2）時(shí)空覆蓋范圍與監(jiān)測尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠

我國有一系列關(guān)系國計(jì)民生和國防安全的海洋問題亟待研究與解決，但是由于缺少水下觀測節(jié)點(diǎn)，加之國外遙感衛(wèi)星資料來源十分有限，因此對第二島鏈附近相關(guān)海域、臺灣周邊、南海及重要出海通道的監(jiān)測能力十分薄弱；缺少水下自主浮動節(jié)點(diǎn)，只能觀測點(diǎn)、面或某一層次的海洋環(huán)境要素，立體探測能力幾乎是空白，缺乏重要海域的長期斷面觀測數(shù)據(jù)；和海軍活動、水下資源開發(fā)密切相關(guān)的深、遠(yuǎn)海立體監(jiān)、探測技術(shù)尚處于空白階段，無法滿足我海軍走向大洋，成為藍(lán)水海軍的需求。未來需要在以下幾個(gè)方面應(yīng)加大投入力度：

1）大力發(fā)展基于衛(wèi)星的全球海洋環(huán)境探測體系，同時(shí)發(fā)展基于無人機(jī)的區(qū)域海洋環(huán)境機(jī)動探測系統(tǒng)，兩者相輔相成，優(yōu)勢互補(bǔ)。

2）建立高密度立體觀測網(wǎng)絡(luò)，從總體上看，國際海洋觀測的目標(biāo)是建立全球聯(lián)網(wǎng)的立體觀測系統(tǒng)，已發(fā)展起包括衛(wèi)星遙感、浮標(biāo)陣列、海洋觀測站、水下剖面、海底有纜網(wǎng)絡(luò)和科學(xué)考察船的全球化觀測網(wǎng)絡(luò)。因此要有針對性地在關(guān)鍵海區(qū)建立多參數(shù)長期、立體、實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)，有效、連續(xù)地獲取和傳遞海洋長時(shí)間序列綜合參數(shù)。要加大重要現(xiàn)象與過程機(jī)理的強(qiáng)化觀測力度，綜合運(yùn)用各種先進(jìn)的傳感器和觀測儀器，如將聲學(xué)、遙感等手段更多地運(yùn)用于海洋觀測，使得點(diǎn)、線、面結(jié)合更為緊密，對區(qū)域進(jìn)行有效監(jiān)控。

3）發(fā)揮各行業(yè)優(yōu)勢提升科技創(chuàng)新水平，由于海洋監(jiān)測技術(shù)涉及的學(xué)科繁多，且一個(gè)單位或一個(gè)團(tuán)體又不可能在海洋監(jiān)測技術(shù)各學(xué)科都處于領(lǐng)先地位，因此就必須先梳理海洋觀測技術(shù)核心技術(shù)，緊跟該領(lǐng)域世界發(fā)展潮流[9～11]，提出一批極具核心競爭力的關(guān)鍵技術(shù)，在全國范圍內(nèi)廣泛尋找有實(shí)力的研究隊(duì)伍，通過一定的組織形式，將海洋科研院所、高校和軍工單位、地方企業(yè)有序的聯(lián)合起來，充分發(fā)掘海洋監(jiān)測技術(shù)與其它行業(yè)的共性技術(shù)，相互借鑒，取長補(bǔ)短，構(gòu)建一支高效穩(wěn)定的海洋觀測技術(shù)科研團(tuán)隊(duì)和人才梯隊(duì)以不斷提升海洋觀測的竟?fàn)幜Α?2100433B