作者：（英）帕尔默,（英）金
出版社：石油工业出版社
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海底管道工程：第2版试读：
前言
当今世界能源需求不断增加，经过多年的勘探开发，陆上油气资源逐渐匮乏。而海上油气资源的勘探资料表明，海底蕴藏着丰富的石油和天然气资源，海洋油气资源开发的前景十分广阔。随着海上油气田产出原油和天然气量的不断增长，需要借助更多更长的海底管道将采出的油气输送至陆地终端进行储存或加工处理。海底油气管道是海洋油气集输与储运生产系统中的一个重要组成部分，将海上油气田与陆上石油工业系统联系起来，因此，海底管道工程在现代石油工业中具有相当重要的地位。
译者长期致力于管道工程的科学研究和教学工作，近年来在教学和科研实践中，发现国内海底管道工程类书籍较为缺乏，经过长时间的文献调研，选择国外优秀的书籍进行翻译出版，以开拓该学科领域国内外相互交流和学习的渠道，扩展视野。
本书译自安德鲁C.帕尔默和罗杰A.金所著的《海底管道工程》（第二版），全书共18章，涵盖了海底管道工程相关各领域的内容，包含海底管道历史，管道路线和材料的选择，管道直径和壁厚的确定，管道内外腐蚀机理及防腐保护措施，焊接操作，管道水力计算，管道强度和稳定性设计，管道铺设方法，管道屈曲和悬空，管道检测，维修准则及相关案例介绍、管道退役、未来发展等。
本书的翻译工作由梁永图组织完成，其中第1、第2、第9至第17章由黎一鸣翻译，第18章由肖俏翻译，第3至第8章由张妮翻译，全书由梁永图统一校对。本书在翻译和出版过程中还得到了何国玺、杨桢、张雪琴、冯浩等的帮助，在此一并表示感谢。
尽管译者付出了艰辛的劳动，并力求反映作者的原意，但由于水平所限，翻译不当之处在所难免，望读者批评指正。译 者2012年11月前言
海底管道工程是石油天然气工业的重要分支，尽管在视觉上没有海上平台和浮式生产系统壮观，但在工程实践中非常重要，并且人们对此充满了激情和兴趣。该领域内的技术取得了巨大的进步，20年前还停留在梦想阶段的工程如今已经成为现实。
一个很偶然的机会让我接触到了这一行业。1965年，我在布朗大学完成博士学位，之后在剑桥授课，1970年我受邀回到了布朗大学并在那里度过了整个夏天。当时阿拉斯加油气管道正在建设中，以前工程学院的同事记得我曾经研究过冻土，并且他们在环境岩土力学领域内有一定的科研资金，于是他们询问我是否对此有兴趣并提供资助。我对该问题非常感兴趣，后来我通过剑桥的同事联系到了英国石油公司（BP）在伦敦研究该问题的工作人员。我向他们表达了我并不是为了钱而是渴望能有一个好的研究题目的意愿。于是他们将解冻冻土的不均匀沉降问题交给了我，我对此进行了研究并与休斯敦的管道项目组取得了联系。
一年后，BP再次联系我并告知计划中的北海福蒂斯油田的第一条大口径海底管道出现了一些问题，这条管道位于水深125m处，这在当时被认为是深海。“这听起来很有意思，”我说，“但我对海底管道一无所知。”“我们认为这正是优势，”他们回复道，“你可以带来全新的想法，加入我们吧！”
这个电话改变了我的人生。在此后的数年中，我在铺管机理、屈曲传播、管道与沙波间的相互作用和表面牵引等领域进行了许多研究。从那以后，我的大部分研究都是关于管道的。1975年我开始为海底管道工程领域内的顶尖顾问R.J.布朗事务所工作，业务遍及北海、加拿大北极圈和中东。在那段时间我认识了本书的合作者罗杰A.金，随后我们一起在曼彻斯特理工大学（UMIST）工作。10年后，我开设了自己的咨询公司安德鲁·帕尔默事务所并研究那些遍布各大洲的令人激动的项目。
每一本书都有其存在的价值。尽管当时已经有很多关于陆地管道和河口管道的优秀书籍了，但本书是唯一涵盖海底管道工程的书籍，我们相信这一点，而更重要的是很多人也向我们证实了这一点，这也是我们编写本书的原因。已经有很多技术论文发表了，但大部分都是会议论文并且不能随意获取。我和罗杰认为，将它们整理在一起供非专业人员阅读，同时对那些我们没有详细介绍的方面也提供了参考。本书主要考虑的是在相对高压下并且有时在极深的水中运行的油气管道，但其中涉及的很多方法对输水管线和排污管线同样适用。
毫无疑问书中会出现错误，我们希望读者能指出这些错误。
笔者在第二版中更新了数据资料，更正了错误并指出了新的发展方向，衷心希望读者能为此书提出宝贵建议使其日臻完善。于新加坡和曼彻斯特2007年7月26日鸣谢
我非常感谢这些年来帮助过我的人们，尤其是鲍勃·布朗和杰克·埃尔斯。杰克·埃尔斯是英国石油管道领域的专家，是他让我这个从未听过铺管船的应用力学学者在海底管道领域有所建树。他对于可实现的事物和可能存在的困难有着敏锐的洞察力。5年后，我开始为鲍勃工作。他愿意接受我这个从未在大学校园以外工作过的人，并且在很多方面给予我指导。他富有创造力，魅力超凡，充满活力并且有很多新的想法，他的很多创意都在海底管道实践中起到关键作用。
我曾工作过的剑桥大学、布朗大学、利物浦大学、曼彻斯特科技大学、哈佛大学、R.J.布朗事务所、安德鲁·帕尔默事务所、科学应用国际公司（SAIC），以及很多客户公司和我参加过的专业课程都使我获益良多，同事们给予我的友谊和建议使我受益匪浅。我在剑桥大学的科研工作得到了面向剑桥大学和丘吉尔学院的贾法尔基金的慷慨资助，在此我对哈米德·贾法尔先生的支持和鼓励表示衷心的感谢。
在本书的编写过程中提供过帮助的人非常多，除了杰克·埃尔斯、鲍勃·布朗和哈米德·贾法尔外，我还要特别感谢杰克·阿普加、史蒂夫·布思、戴维·布鲁顿、克里斯·卡勒丁、马尔·科姆卡尔、菲尔·科比什利、奈杰尔·柯森、丹·德鲁克、肖恩·福克斯－威廉、帕特·方丹、加里·哈里森、威洛特·希尔德（Willot Heerde）、雅克·海曼，以及乔治·欣克尔、戴维·凯、约翰·肯尼、易卜拉欣·科努克、卡尔·兰纳、B J·洛、艾伦·尼多罗达（Alan Niedoroda）、马林科·奥弗沃特（Marinke Overwater）、阿曼达·派亚特、艾伦·里斯、吉姆·赖斯、安德鲁·斯科菲尔德，另外，还有特德·舒尔茨、西蒙·肖、劳伦斯·特博思（Lawrence Tebboth），以及斯图·托兰（Stu Tholan）、约翰·寺津（John Tiratsoo）、戴维·沃克和罗恩·沃特金斯。
非常感谢本书的合著者罗杰A.金，他是一个富有幽默感和耐心的人。在一次雅加达到新加坡的飞机上，罗杰和我想到要出本书，这本书陪伴我们经历了很多。此书是在哈佛大学休假的一年内完成的，哈佛有着平静但又能鼓舞人心的气氛，我很感谢坎布里奇允许我请假去那里写书。
第12章中的图片由Heerema公司、Allseas公司、德希尼布－科弗莱西普（Technip-Coflexip）公司、Saipem公司和环球工业公司提供，在此我和罗杰A.金表示衷心的感谢。封面图片由Saipem公司提供。
感谢PennWell公司员工的大力支持，尤其是马拉·帕滕森和休·罗兹·多德，他们为本书出谋划策，并纠正了很多晦涩难懂和表达不当之处。
感谢我的妻子简和女儿埃米莉对我一直以来的理解和支持。
最后，感谢新加坡国立大学校长施春风，院长锡然教授，陈恩颂（Chan Eng Soon）教授，周耀桑（Choo Yoo Sang）教授，周巧本（Choo Chiau Beng）和查尔斯·富为我提供在新加坡国立大学工作的机会；感谢珍妮·科博斯基（Korbosky）为第2章绘制的地图；感谢CE5712组的学生，PennWell公司的特雷莎·巴伦茨菲尔德（Barensfeld）和托尼·奎，感谢所有对本书提出宝贵意见和为我们指出错误的人。安德鲁C.帕尔默第1章 绪论1.1 目的
人们常常需要将流体从一个地方输送到另一个地方。有时需要长距离、大量地输送水、原油、天然气和二氧化碳等流体；而其他流体，如蒸汽、乙烯、血液、牛奶、酒、氦、水银、硝酸甘油和石化制品则常常采用少量或较短距离的输送方式。
目前有3种有效的流体输送方式。第一种是将液体倒入罐中，然后将装满液体的罐运送到需要液体的地方后将罐中液体全部卸出。这种方法基本包括可移动的罐体及装卸的方式。第二种方法是在流体的所在地和需求地之间建设一条管道，然后通过管道泵送流体。第三种方法，有时是与前两种方法结合起来使用，即把流体转换成固体或另一种更容易输送的流体。
罐车输送方法十分灵活且投资成本较低，但其运行成本较高。该方法适用于小批量、高价值流体（如水银、酒、血液和氦）的输送。罐装可以保护流体免受外界污染。而输送的液体可能有泄露和损害环境的风险，这取决于储罐的完整性。由于该方法的灵活性，它被广泛应用于海路运输石油和液化天然气。同样的巨型油轮（VLCC）可以在一次航程中将原油从中东运输到日本，而在另一次航程中将原油从阿拉斯加运输到加利福尼亚。在航运过程中可以出售和转售货物，货物的输送目的地可以更改，还可以将部分货物卸载到另一个地方。在没有管道的地方可以通过铁路槽车来实现原油的长距离输送。产于俄罗斯中部的原油即是通过铁路输送至俄罗斯远东地区的；在油田的产量增加到适合建设一条管道的水平之前，英格兰南部威奇法姆油田的原油都是通过铁路运输出口的。
相比之下，管道输送的方法就显得不那么灵活了。管道是一种需要大量资本成本的固定资产。但是，一旦铺设完成，管道的运行和维护成本相对较少，其运行周期可达40年或更久。一条陆地管道很容易受到战争或恐怖袭击的损害，并且管道途经的某个国家的政治干扰还可能造成管道运行中断。正是这一原因阻碍了中东到欧洲的原油管道建设。目前为止，从尼日利亚到欧洲的天然气管道的建设仍处于搁置状态（该方案最近已获得了新的关注）。管道运输的能耗很少，与使天然气液化、运输液化天然气（LNG）和再汽化的能耗相比，它所消耗的能量确实要小得多。
现在，有越来越多的原油和天然气都产自海上油气田，这些产物往往需要借助管道运至海岸。在油田内部，将原油和天然气从采油树和汇管运输到平台上或是从一个汇管输到另一个汇管，这些都是通过管道实现的。有时需要将一个油田生产的天然气运输到另一个油田注入地层以维持油藏压力。也可以将处理过的海水注入油藏中以驱替原油。有时会将二氧化碳从天然气中分离出来并再次注入，北海的史利普纳（Sleipner）油田和印度尼西亚海域的纳土纳（Natuna）油田就采用了该工艺。
很多管道的主体在陆地上，但仍有部分管段不得不穿过海域、岛与岛之间的海峡和河口湾地区。第2章中描述了两个例子，第一个例子是一条到加拿大西部温哥华岛的管道，第二个例子是一条从阿尔及利亚到西班牙的管道。目前一些大型的长距离管道工程中就包括此类穿越，例如从俄罗斯到德国以及从卡塔尔到印度和巴基斯坦的管道。
这些管道主要是输送天然气和原油，但水的运输同样也很重要。人们认为，随着世界人口的增长，水会成为一种比能源更重要的资源，将会成为冲突的主要源头。一些项目都是针对长距离输水管道的，为了满足应用需求，输水管道必然是大型管道。
现在人们越来越关注燃烧化石燃料后释放到大气中的二氧化碳，以及由此对全球气候所产生的影响。一种缓冲的方法是在产生大量二氧化碳的大型发电厂和水泥厂捕集二氧化碳，然后将其储存在深海中或海底下的地层中。如果这些方法能通过，为了改善二氧化碳对气候的巨大影响则需要处理大量的二氧化碳，因为现在每年的释放量为870×10t。任何涉及海洋的存储方案都对管道有大量的额外需求。
水也必须要处理。排污管将处理过的污水和雨水排放到海洋或河流中。沿海发电站从入口处吸入冷却水并通过排水管排出温度较高的水。排水管还被用于排放尾矿和原污水等。由于在环境和法律上对这些处理方法的反对呼声很高，因此，与过去相比，这些方法用得很少了。
第1.2节对本书的结构进行了陈述。第1.3节对管道历史进行了简要介绍。1.2 本书是如何组织的
书中各章的主题涉及的领域与管道工程师所需要的知识十分吻合。
管道系统设计者的首要任务是选择管道路线。有时这一任务很简单：如果海底平坦且没有什么显著特征，两端点间的直线是最短也是最经济的管道路线。但往往会有各种各样的障碍和干扰使得设计者不得不选择一条更复杂的路线。涉及的因素可能是物理的、环境的、政治的或其他涉及海底的人类活动。
然后设计者要考虑材料。很多管道是由低合金碳钢制成的，这是一种坚固、经济的材料。但管道中的流体对碳钢的腐蚀速率太快以至于不能采用该材料。因此，设计者不得不考虑耐腐蚀合金、柔性材料或复合材料。每一种选择都比低合金碳钢要贵得多，还会出现如连接困难等其他问题，但从整体方案来看比低合金碳钢经济。关于材料的组成和规格的具体决策涉及很多因素，如耐蚀性、可焊性、强度、断裂韧性和成本等。管道必须要连接起来，因此如果采用焊接方式连接管道，那么需要慎重地考虑选材。
下一个任务是确定管道的直径。如果直径太小，则管道两端之间的压降会非常大；但如果直径太大，则成本会不必要地大幅增加。管道中的两相流也可能出现不符合要求的流动模式。
另一个要选择的是管道壁厚。这主要是一个结构工程的问题，设计师要确保管道有足够的强度来承受多种载荷，包括内压、外压、管道建设期发生的弯曲和疲劳、集中载荷以及冲击。
几乎所有的水下管道都有外涂层来防止腐蚀损害，还配有阴极保护系统以防止在涂层损坏情况下的外部腐蚀。很多管道上都有附加的混凝土加重层，使管道在波浪和海流中能保持稳定并防止防腐涂层受到机械破坏。一些管道上有一层或多层绝热层以保证流体一直处于高温下。还有一些管道有内涂层作为防腐保护或提供光滑的内表面以减少流动阻力。
管道必须是可施工建造的。设计者需要知道可用的建设系统的限制条件，并且必须将管道设计成能在安全和经济的条件下建设的。很多管道采用挖沟铺设或埋入铺设以防止管道受到水动力作用和机械损害，或为管道提供热隔离以及防止管道的上浮屈曲。
管道并不总是与海底接触，在剖面图上的低点处有可能出现管道悬空跨越。悬空管段会导致各种结构问题，因此可能需要修正。不平整的海底剖面也会导致垂向屈曲，此时管道在海底上方呈拱形。对该点处的管段也必须采取保护措施，如果有必要的话要进行修正。管道也可能发生横向屈曲。
运行中的管道可能会受到化学和微生物的腐蚀损害。设计者要知道如何能尽量抑制腐蚀以及在壁厚选择时给出腐蚀裕量。运营商还要知道如何运营管道可能使腐蚀最小化以及如何监控管道的腐蚀情况。
管道存在被损害的危险，因此维修就变得十分必要。在第16章“风险、事故及维修”中对维修所采用的一般原则进行了论述，并介绍了一些需要介入的事故案例以及在每个案例中所采用的维修技术。最终，当管道的运行寿命结束或不再需要时必须报废。报废是一个在不断变化的主题，但它也越来越多地受到运营商、监管机构和社会的广泛关注。它涉及各种各样的因素，包括国家和国际法律、环境保护、其他海底使用者的安全以及工程。
最终的设计和建设都不会是一种成熟或固定的技术，因为不断会有新的想法出现。新的理解可能会推翻已建立的概念，而新的技术可以使管道的建设更经济、更快速、更安全。虽然预测未来是很困难的，但第18章还是论述了一些具有前景的想法。
文中的参考文献列举在每章的最后。1.3 历史背景
最古老的海底管道是排水管，早在19世纪人们就意识到简单地将污水倒入河中和海滩上会产生有害的和令人厌恶的污染，因此开始使用排水管。最早的海底原油管道是很短的装油和卸油管线，它们大都是在岸上造好然后通过绞车拖入海中。这仍然是在海岸和海上装载点之间以及河流和河口湾处穿越的常规管道建造方法。另一种方法是牵引技术，先将管道在岸上装好，然后采用各种牵引技术将管道拖至铺设位置。
相对而言，海上石油工业的历史要短一些。第一口海上油井是1947年在墨西哥湾的科尔－麦吉希普浅滩区块32完钻的，离海岸17m，水深为6m。最早的原油管道则要追溯到1947年之前，安装在马拉开波海湾和阿塞拜疆附近的里海浅水域里的管道。在第二次世界大战期间，盟军意识到他们不得不进入欧洲大陆并且在登陆作战时会破坏港口，盟军也知道军队需要大量的汽油。军事当局邀请并向英国—伊朗石油公司咨询，即现在的英国石油公司的前身，是否能穿越英吉利海峡铺设一条从英国到法国的管道。设计人员针对该工程设计了两种类型的管道，称为海底输油管线（PLUTO）。一种就像空心的海底电缆，在铅管外包裹了带钢和塑料的防护层。另一种是没有防腐涂层的焊接钢管。
常规的小型海底电缆船可用于铺设电缆似的管道。很长的钢管卷在浮筒上。拖船牵引滚筒穿过海峡，随着拖船的前进展开管道。可以在10小时内铺设一条从怀特岛（Isle of Wight）到科唐坦半岛（Cotentin Peninsula）的管道。PLUTO的价值是有争议的。一些作者认为与通过罐车运输到重建的港口相比，这是一种浪费资源的做法，因为重建港口耗费的资源很少，但其他人的看法要更积极一些。
卷筒船技术在墨西哥湾出现并得到发展，建造了一系列卷筒铺管船和卷筒船，它也持续占据了大量的管道铺设市场的份额。
同时发展起来的还有另一种技术。它与陆地管道的建设相关，沿着可通行的线路铺设管道，将管段焊接在一起然后缓缓放入沟渠中。铺管船系统主要有一条从船头到船尾带有卷筒的驳船，并且沿着卷筒每隔一定距离设有焊接站。将管道运至驳船船首部分并将其焊接到已完成的管段端点处。驳船一次向前移动一个管段长度。在站内的连续焊道上完成焊接。管道从一个称为船尾托管架的弯曲支撑上离开驳船尾部，向下弯曲直到管道到达海底。
铺管驳船技术是从墨西哥湾发展起来的，然后传播到北海和阿拉伯湾。最早的驳船船体是简单的矩形，像盒子一样，但之后驳船船体的形状变得像轮船一样。一些驳船采用的是半潜式原理，该原理是通过将大部分浮体恰好设置在吃水线以下来减少驳船在航道上的移动，驳船的干舷由相对较细的穿过水面的圆柱支撑。对不同的大型船体和半潜式船型有不同的结合方式，这使得在开放的区域（如北海）的铺管速率增加。
大多数海底管道都是采用铺管驳船的方法来铺设的，结果证明该方法是灵活多变的。最初的驳船是通过长长的锚绳来定位的，其中锚绳是将绞车连接到海底上的锚；但很多近期的驳船都是通过推进器来进行动态定位的，推进器可以消除复杂的锚定系统中的潜在问题。
另一种发展则是通过不同方法来拖曳管道，有时是沿着海底，有时是恰好在海底上方，而有时则是在浮筒的作用下恰好浮在海平面上。许多方法都被广泛用于海岸跨越处，也可用于更深的水域中和更长的管道上。
早期的管道所在的水深范围都是潜水员可以到达的深度，而大量的建设操作都是在潜水员的帮助下实现的，尤其是在需要进行管道连接的情况下。海底石油生产所需的管道建设深度远远超过潜水员可以到达的最大深度（约为300m）；而在过去的25年中无潜操作有了巨大的发展。现在常规的深度为1000m。一条穿过黑海的管道实现2200m深度处的铺设，而其他几个深度在1500m和2500m之间的工程也在建设中了。参考文献
1 Palmer, A.C., and Ormerod, B. （1997）. Global Warming： the Ocean Solution. Science and Public Affairs, Autumn，49-51.
2 Palmer, A.C., Keith, D., and Doctor, R. （2007）. Ocean Storage of Carbon Dioxide： Pipelines, Risers and Seabed Containment. Proceedings, 26th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, San Diego, paper OMAE2007-29529.
3 Grace, R.A. （1978）. Marine Outfall Systems. Englewood Cliffs, NJ： Prentice Hall.
4 Yergin, D. （1991）. The Prize： The Epic Quest for Oil, Money and Power. New York：Simon & Schuster.
5 Searle, A. （1995）. PLUTO： Pipe-Line Under The Ocean，the Definitive Story. Shanklin, UK： Shanklin Chine.第2章 选线2.1 概述
管道设计者的初期任务之一就是选择管道线路。
路线选择是一项非常重要的工作。一条较差线路的花费可能比一条合适的线路多很多。尤其是在遇到意外的地质条件或海底情况时，或是所选择的线路与政府当局、环境利益或其他运营商之间发生冲突时，较差的选线会造成代价高昂的问题并导致工程延期。可以毫不夸张地说，花几天时间（几千美元）对管道线路进行缜密细致的评估可以为以后节省几个月的时间和几百万美元的成本。一些反面例子说明了可能会产生的问题。
有时候线路的选择比较容易。人们对北海和墨西哥湾的很多区域都有超过30年的开发经验，对海底岩土和海洋水文情况都很了解，所以在这些地区选线比较容易。据此，人们可以将线路选在平缓均质的海床上，避开障碍或现有的管道并且不与现有的或计划中的管道或海底装置发生冲突。但在世界上很多其他地方，线路的选择很困难。例如在阿拉伯海湾、澳大利亚西北部、印度尼西亚以及接近挪威海岸的地方，海底的地势非常不平整并且很难挖沟。
即便是在已经开发过的地区，选线时也要考虑很多因素，其中有：（1）政治；（2）环境；（3）到现有的平台和立管的通道；（4）避开那些存在锚损害的区域；（5）避开那些存在落物损害的区域；（6）现有管道的穿越处；（7）电缆；（8）海床非常硬的区域；（9）海床非常软的区域；（10）砾石区域；（11）凹坑区域；（12）冰山犁痕；（13）潜艇训练区域；（14）渔业区；（15）雷区；（16）垃圾倾泻区；（17）疏浚区；（18）失事船只残骸。
没有海底地形和土力学的相关信息是不可能做出合理的线路选择的。在没有进行室内研究之前就进行海洋测量是极不明智的。从图表、地质图、渔区图、航空摄影、卫星摄影和合成孔径雷达、其他运营商、导航当局和海军、当地研究以及更多的鲜为人知的资源中可以获得大量信息。例如，19世纪观鸟者的一本著作就为穿越俄罗斯北极地区伯朝拉河三角洲（Pechora Delta）的管道线路选择提供了宝贵的信息。
管线登陆点尤其复杂。很多著名的管道建设灾难都发生在接近海岸的浅水区内。的确，登陆地点选择错误会付出昂贵的代价，可能导致巨大的成本超支和不断的法律纠纷。设计者要充分掌握那些决定海岸形状的地貌因素并能预测出管道建设与波浪折射、沿岸沉积物运移、波浪破碎、海底地质学等环境因素之间相互影响的方式。
第2.2节中讨论了海底土力学等物理因素，第2.3节中对与其他海底使用者之间的相互影响进行了探讨。第2.4节中关注的是政治和环境因素，第2.5节中描述了两个案例。2.2 物理因素
管道通常置于海床上或海床中。从管道建设的角度来说，理想的海底是水平且平坦的，并且是由稳定的介质——黏土组成的。将管道埋在泥土和细沙中会增加管道的侧向稳定性。如果海底不平坦且多岩，则在管道跨过坑洞和凹地时会出现很多悬空，其中一些悬空较长的管段需要进行线路修正。在最高点，海底和管道之间的集中作用力可能会损害外涂层。要在坚硬的海床上挖沟渠是很困难的，并且需要巨大的投资。如果海底很软，则管道会沉入海床中从而很难对管道进行检测和操作（如连接到其他管道或进行维修）。
一些海床的移动性很强，并且包含沙波（可能达到15m高和100m长）和较小的波纹特征（其大小范围可以从几毫米到几米高）。这些特征在管道运行周期内会产生很大的变化，因此建设时在沙波波峰上的管道可能在之后会因为波浪移动而失去支撑。波浪的移动无规律并且很难进行精确的预测。因此选线时应尽可能避开沙波地。例如在北海第一条福蒂斯（Forties）管道的线路向南移动就是为了避开一块沙波地。有时不可能避开沙波和巨浪痕，因此在沿沟渠铺设管道之前应先在沙波波谷水平面或波谷下挖出一条沟渠。该技术被称为预清扫，在北海南部的一些管道的建设中已经使用过了。在北海，浅海、强潮汐流、由东北风引起的强波浪以及可移动的散沙，共同形成了复杂多变的海底地势。第11章中对海底活动性及其在管道稳定性中的意义进行了大量的论述。在第12章中对挖沟进行了描述，而在第14章中对悬空进行了讨论。
人们终于意识到了海底岩土力学的复杂性。海床地形学和地貌学的变化就像其在陆地上一样多变。有很多都会影响管道线路的选择。
当沉积物过载且过于陡峭时会发生海底滑坡。虽然海底滑坡常发生在三角洲地区，如北美的密西西比和弗雷泽三角洲（Fraser Deltas），但在北海也发生过大的海底滑坡。在一个边缘稳定的斜坡处发生的地震可能会引发滑坡。而穿过管道的滑坡则可能导致管线发生大的移动并产生足以造成管道断裂的拉伸力。沿着管道方向的滑坡并没有那么严重，因为它产生的作用力较小。
北海挪威区域的部分海底被巨砾和中砾覆盖，其中一些砾石在海床上而另一些则是部分或全部埋入黏土中。这些巨砾是从融化的冰山上落下来的飘砾。它们的直径可能大于1m，并且对大多数类型的挖沟机来说它们都是施工过程中的大障碍。当浅层气逸出到表面时，孔隙内压力降低造成疏松沉积物崩塌，海床上会出现麻坑凹陷。
在热带海域，珊瑚会在海床上形成大的隆起或高达15m的珊瑚塔。珊瑚是抗断裂的，要在珊瑚上挖沟是相当困难的。考虑到珊瑚重大的生态学意义，在任何情况下都不应该破坏珊瑚，除非的确是无法避免的情形。热带海域的海底往往是碳酸盐砂（而不是温带气候中的石英砂），如果沙石没有被暴风雨扰乱，则经过化学反应会渐渐硬化为坚硬且具有抗挖性的岩石。
在北极海域内还存在其他问题。在春季，河流融化解冻，此时海洋仍是结冰的，河水会淹没海洋冰面。如果冰上有洞或裂缝，则淡水会从洞口向下流，在冰面下形成漩涡流和旋转射流。射流可在底部冲出深洞，称为粗糙冲刷（源于德语中的旋涡）。大冰块漂移至浅水区，在海床上搁浅然后在风以及冰床和积冰的压力驱动下前进。冰在海床上凿出的沟槽可达10m深和100m宽。因此，如何使线路受沟槽损害的风险最小就是北极海底管道设计的主要挑战之一。在北海北部就发现了由上一个冰河时代的漂移冰山所遗留下来的沟槽。
对于海床上方的水，流体动力因素也会影响管道线路的选择。应避开强海流，以免管道向侧偏移以及铺管的复杂化。强潮汐流会发生在大潮差区域、河口湾以及岛屿间海峡中的浅海区域内。选择一条较长的穿过较弱海流的路线而避开海峡中最窄的部分，这往往是一种较好的做法。
同样，选线也要避开高波浪区域，因为此处对波浪诱发的水移动的稳定性会产生反作用，还会使管道铺设减缓或停止。在水深超过波浪长度的一半的海域内波致速度很小可以忽略不计，但随着深度的减少速度会大幅增加。如果波浪破碎，后果更严重。因此，应该尽量缩短在浅水区内的线路而在深水区内选线，虽然有时候这样的线路较长。
从深水区向岸上移动的波浪的速度在逐渐减慢，并且波浪进入较浅的水域后会变得更陡峭。如果波浪的传播方向与等深线不垂直，则其传播方向会改变并接近于与等深线垂直的方向。传播方向的变化与光线在空气和玻璃间界面上因折射作用产生的方向变化类似。波峰转变从而更接近于与等深线平行，就像在大多数海岸上可以看到的那样。在管道设计过程中做折射分析是一种明智的做法。如果海岸包括岬角，并且等深线在远离海岸的地方凸起，那么这一折射作用会将波浪能集中在岬角上而远离海湾。在远离岬角的地方波浪较高，这是管道线路避开它们的理由之一。另一个原因是岬角处往往有较硬的岩石，因为较软的岩石已经被选择性地侵蚀形成海湾了，而较硬的岩石很难挖掘。
水柱可能会出现密度极度不连续，其中较轻且盐度较低的水在上方，密度较大盐度较高的水在下方。在直布罗陀海峡、东南亚和其他地区都发生过这类情况。在水柱表面会产生内波浪并且在其底部会产生较高的速度。2.3 与其他海床使用者之间的关系
很多人类活动都涉及海床，因此线路的选择必须考虑到其他人类活动对管道的潜在干扰。
石油和天然气的勘探和生产活动是最显著的冲突。谨慎的做法是保证管道远离平台，除非必须将它们连接到平台上。因为在这种情况下存在管道被落物损坏的可能，被供给船和建设船船锚损害的风险增加，并且平台上的火灾、爆炸或结构失效都可能影响到管道。因此，明智的做法是远离现有的井口和汇管并找出未来可能发生海底活动的地点。
处理好和现有管道之间的关系对设计者来说是最常见的问题。一条管道可以与另一条交叉，但简单地在第一条管道上穿过铺设第二条管道是不可行的。必须要小心地设计跨越使两条管道之间不会造成损害，在两套阴极保护系统之间不存在不良的相互干扰，并且两者都不会出现过应力的现象，也不会出现水动力导致的不稳定。一种简单的方法是在交叉点挖较深的沟渠来铺设第一条管道，在第一条管道上铺设垫层提供物理隔离，防止涂层损坏并隔离阴极保护系统，然后小心地在交叉点上铺设第二条管道。若海床太硬难以挖掘而不能将第一条管线埋得更深时，第二条管线则需要通过由垫层、混凝土构件或岩石块等组成的桥架式结构来实现穿越，这就需要更精心的设计。应尽量减少穿越设计，若确实不可避免，两条管线也应该垂直穿越。如果必须穿越的管道属于另一运营商，那就需要与运营商和监管部门就建造设计和建造期间所需采取的措施进行长时间的讨论。
海底电缆易受损害，并且在海底的很多区域内纵横交错。电缆和管道交叉的常用方法是先割断电缆，将管道铺设好后再将电缆接起来并将其放置在管道上方。但该操作成本很高，因此如果可能的话应尽量避免。
在北海等很多浅海区域内捕鱼是一项重要活动。渔业资源的开发利用水平不断提高，渔民得以进入新的区域和更深的海域中作业，并且与过去相比，渔民使用的船只传动机构也变得更大更重了。尽管是鱼被管道吸引，但在政治上有影响力的渔业还是觉得管道侵占了渔场并对他们的生计产生了影响，因此希望管道能改线以避开最好的渔场。
军事活动对海底的使用是多方面的。战争中埋设的雷在战后也不会取出或变成死雷，炸药和引爆器仍能保持活性，而这些雷可能向着管道漂移，这是在北海和阿拉伯湾（波斯湾）的主要问题。潜水艇训练时可能接近海底航行以避开雷达。一些海域还被用于炮兵轰炸练习。在海床上装有各类磁传感器、声传感器和电传感器以检测潜水艇，这些传感器都是通过电缆连接的。战后遗留下的军需品被丢弃在海上，之后有时拖网会捕获这些物品，然后丢到岸上，随着时间的推移被污染的区域会扩大。
轮船很少在开阔海域里抛锚，而常常在港口附近抛锚，有时是在明确指定的锚定区域但有时是不加选择的。通过挖掘进港航道可以增加船航道的深度。在管道的设计寿命期内可能要为更大的轮船修建新港口，因此要挖掘得更深。失事轮船会沉到海底管道上，至少在两起事故中管道已经损坏了，其中一起是在新加坡，另一起是在北海的荷兰海域内。很多海域内的海床上都有遇难船只的残骸，并且往往都没有记录，人们只能在勘测中发现它们。
海底也是潜在的矿物源。挖掘沙石和砾石是最重要的海底采矿活动。密集的土地使用和环境限制使得陆上采矿点越来越难以发现，因此海底采矿活动就变得更重要了。
过去海底也是倾倒各类物质的场所，从污水、化工废料和核废料到船和核反应堆等废弃设备。直到最近人们才意识到，尽管在一些情况下无选择的倾倒是符合环境要求的，但实际上这是目光短浅而且可能招致麻烦的做法。过去倾倒的物质仍在原地，如果它们被扰动则可能产生破坏性的后果。2.4 环境和政治因素
人们不能高估环境的重要性和敏感度，尤其是在围绕阿拉斯加管道、布伦特史帕尔储油平台（Brent Spar）的报废、到北威尔士波因特夫艾尔（Point of Air）的管道、从挪威到德国北部的管道、北极国家野生动物保护区以及目前阿拉斯加波福特海（Alaskan Beaufort Sea）所计划的海底管道出现争议之后。对整个项目来说，一项欠考虑地忽略了环境因素的计划可能是致命的。即便不致命，它也足以引起反对的声音，并为那些基于各类政治背景反对石油工业的人们提供了攻击的素材。它所产生的影响是会将工程陷于多年的听证会以及成堆的专家报告中，而且不可避免地与另一方发生冲突从而导致更进一步的争议。
每一个案例都是不同的，因此不会有简单的答案。最好的解决方法就是从一开始就考虑到环境影响的可能性并同相关的组织和个人进行广泛的商榷。
在深海领域对环境的关注往往较少。这种情形可能正在改变，尤其是在那些环境保护运动活跃的地方。人们开始关心建设噪声、对海洋哺乳动物的干扰、对珊瑚和管虫群的损害、对海底生物的损害（尽管与拖网损害相比很小）以及之前的人类活动中沉积到淤泥中的重金属如镉和汞的扰动等。
另一方面在浅水域和管道登陆点，人们对环境因素的关注几乎保持不变。浅水域内的生物是多样化的，其庞大的复杂食物链包括细菌、浮游生物、植物、无脊椎动物、鱼类、鸟类和海洋哺乳动物，因此对其中任一种群的损害都会产生深远的影响。所采取的应对措施是研究并量化这些影响，通过改线和找出缓解方法来消除或将这些影响最小化。通过在合适的季节安排建设周期可以起到一定的减缓危害的作用。
环境问题和政治问题往往是结合在一起的，但还存在着与环境无关的政治问题。尽量将需要交涉的监管部门和政治组织的数量最小化是一个好的处理方法，并且尽量避免跨国界、州界或进入必须要和其他运营商进行协商的近海租赁区域。从北海的管道地图可以发现一些避开了国界的线路实例。2.5 案例研究
我们通过两个案例研究来说明不同因素之间的相互影响。英属哥伦比亚水电局（British Columbia Hydro and Power Authority, BC Hydro）希望建设一条穿过乔治亚海峡的管道，从温哥华南部的弗雷泽三角洲地区到温哥华岛的码头。帕克对该项目进行了详细的描述。在该计划中，从安全保障的角度出发，要建设两条直径为273.05mm（公称外径10in）的管线以满足预期的要求，如图2.1所示。
管道在三角洲南部49°N的加拿大和美国之间的政治疆界穿过罗伯茨岬（Point Roberts）半岛并向西延伸到乔治亚海峡的中部。之前BC Hydro决定不穿越该边界，因为这样做会使部分管道受到美国联邦当局还有很多州和地方当局的管辖，还会使管道易受到美国法律系统的制约。
三角洲的陆地部分是由地势低洼的岛组成的。三角洲面向罗伯茨湾（Roberts Bank），在低潮时几乎都是干的而在高潮时会被1m深的水覆盖。潮坪的近陆段被草和海藻所覆盖，这也是鱼的产卵区，因此决定避开产卵季节来进行管道建设。潮坪的顶部几乎是平的，但向海段的前缘斜坡相对很陡。
与加利福尼亚南部和阿拉斯加北部相比，不列颠哥伦比亚发生地震的次数较少，但偶尔会发生很大的地震。地震引起的振荡剪切应力会使地质年代较近的疏松的沙子和岸上的泥岩沉积物液化，使部分前缘斜坡变得不稳定、液化并沿坡向下滑入深水中。在前缘斜坡梯度最小的地方液化的风险最小，大约是弗雷泽南汊（South Arm of the Fraser）和卡努海峡（Canoe Pass）的中界处，因此决定管道在该点处穿越前缘斜坡。在前缘斜坡下方管线向前延伸，当泥石流动发生时，沙会沿着管道滑行而不是从横向冲击管道。在沿着管道长度的方向上管道可以承受非常大的作用力，但在横向上只能承受较小的作用力。图2.1 大陆和温哥华岛之间的乔治亚海峡
乔治亚海峡的最大水深约为380m。在线路调查期间，建设了穿过380m深的墨西拿（Messina）海峡（西西里和意大利大陆之间）以及615m深的西西里海峡（突尼斯和西西里之间）的大型管道。因此我们相信深海并不是障碍。
在深海西部，砂岩的水下山脊加利亚诺山脊（Galiano Ridge），与加利亚诺和瓦尔德斯（Valdes）岛平行。在示意图上用一条平行于海峡西边岛屿的虚线来表示山脊。山脊与几乎垂直的20m高的悬崖接壤。山脊的每一侧海床上都是软的淤泥，难以支撑建设装备和岩石路堤。起初人们认为山脊上没有缝隙。通过对不同的建设方案进行研究，认为最好的方法是将管道铺设在悬崖的顶部，之后在悬崖脚下铺设另一段，然后将两段预先成型的适应悬崖的管段通过高压焊接连接起来。由于悬崖底部到顶部的深度约为160m，所以该方案是可行的。但是之后在另一次海底调查中发现有一条微微倾斜弯曲的小山谷通向山脊，在山谷中有足够的空间来铺设两条管道。该项目被称为海底谷瓦尔德斯空隙（Valdes Gap），因为它是山脊到瓦尔德斯岛之间的空隙。空隙一词为该项目的反对者提供了依据，他们认为通过这样一个陡倾的峡谷来铺设管道是非常困难的。实际上它的两边都有适当的倾斜度，因此事后看来称其为瓦尔德斯峡谷（Valdes Valley）更合适。
线路继续延伸到瓦尔德斯岛并穿过斯图尔特（Stuart）海峡到达温哥华岛。
在图2.1中罗伯茨湾一词下方的弯曲粗线表示的是BC Hydro的线路。虽然在冗长的公众听证之后不列颠哥伦比亚省的公用事业委员会采纳了该线路，但最终太平洋能源公司（Pacific Energy Corporation）还是采用了一条更靠北的线路，在图2.1中也标示出来了。它离开温哥华向北延伸，穿过大陆到达特克塞达（Texada）岛的南部，继续延伸到达岛的北端，然后向西穿过温哥华岛，管道有一条较小的支线延伸到大陆的鲍威尔里弗。在20年后编写本书时，岛屿的天然气需求显著增加，因此计划要沿着一条偏南的位于圣胡安岛（San Juan Island）北部的线路建造第二条管道。
第二个例子是从阿尔及利亚到西班牙的天然气管道，如图2.2所示。穿越直布罗陀海峡是最短的海底穿越，但在此铺设管道则意味着要横穿摩洛哥，由于阿尔及利亚和摩洛哥之间存在长期的政治分歧因此该线路不可行。如果要从阿尔及利亚到西班牙直接铺设，那么为了避开摩洛哥海域，管线需要穿过最大水深至少为2500m的海域，而在当时要铺设这样的大直径管道在技术上是不实际的。最终选择了另一条线路。图2.2 直布罗陀海峡
在20世纪80年代后期，阿尔及利亚与摩洛哥之间的和解使得穿越摩洛哥的线路变得可行。下一个问题就是在什么地方穿过海峡。在海峡东部的穿越会遇到很深的水域，比直布罗陀南部还要深900m，但管线需要避开直布罗陀，因为直布罗陀的归属在英国和西班牙之间存在争议。继续向西，由于有被海洋学者称为卡马利诺夕尔（Camarinal Sill）的海底山脉的存在使得水深变得较浅，它呈南北不规则曲线走向。水面到山脉顶部的深度更小，在200m到300m之间。但是沿着山脉铺设管道会遇到两个困难。第一个困难是山脉的地形粗糙破碎，就像我们在陆地上看到的类似的山脉那样。沿着山脉山脊的管道上可能会出现很多长的悬空。第二个困难与穿过峡谷的复杂水流有关。地中海海域内的高密度高盐度水从东向西穿过峡谷底部。低盐度低密度的大西洋水流则从西向东穿过峡谷的顶部。向西的海流和向东的海流之间的交界面会随着大西洋的潮汐变化，并会受到大规模的海洋变化的影响。在分界面上会形成内部波浪，结果造成海流强大且多变，可以在几分钟内发生巨大变化。在卡马利诺海底山脊的山峰上的影响最严重，而在其两侧较深的水中影响较小。这是要避开山脉山脊的另一个原因。最终选择的路线避开了山脊向西，如图2.2所示。在一份会议记录中详细描述了该项目。
西班牙的天然气需求在一年内上升超过了17%，在水深超过2000m水域中成功穿越黑海和墨西哥湾的管道建设使得从阿尔及利亚直接铺管到达西班牙成为现实。Medgaz项目选择了一条从阿尔及利亚的贝尼萨夫（Beni Saf）北部到西班牙境内阿尔梅里亚（Almería）附近的卡沃－德加塔（Cabo de Gata）半岛长达210km的线路。待建93管道的管径为609.6mm（24in），输送能力为8×10m/a，最大深度为2160m。在2007年11月本书编写时，已经签订了管道和施工合同，建设已经开始了，管道预计2009年开始运行。参考文献
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2 Komar, P.D. （1976）. Beach Processes and Sedimentation. New York： Prentice Hall.
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4 Woodworth-Lynas, C.M.L., Nixon, J.D., Phillips, R., and Palmer, A.C. （1996）. Subgouge Deformations and the Security of Arctic Marine Pipelines. Proceedings of the 28th Annual Offshore Technology Conference, Houston, 4, 657-664, OTC8222.
5 Palmer, A.C, I. Konuk, A.W. Niedoroda, K. Been, and K.R. Croasdale, K.R. （2005）Arctic seabed ice gouging and large sub-gouge deformations. Proceedings, International Symposium on Frontiers in Offshore Geotechnics, Perth, Australia, 645-650.
6 Sleath, J. F. A. （1984）. Sea Bed Mechanics. New York： Wiley.
7 Komar, P.D. （1976）. Beach Processes and Sedimentation. New York： Prentice Hall.
8 Ibid.
9 U.S. Army Corp of Engineers. ,（1973）. Shore Protection Manual. Coastal Engineering Research Center.
10 Park, C.A., Palmer, A.C., McGovern, R., and Kenny, J.P. （1986）. The Proposed Pipeline Crossing to Vancouver Island. Proceedings, European Seminar on Offshore Oil and Gas Pipeline Technology, Paris.
11 Kenny, J.P. （1995）. Gibraltar Submarine Gas Pipeline： Meeting the Challenges. Proceedings, Conference, IBC.
12 www.medgaz.com/medgaz/index （2007）.第3章 碳锰钢3.1 概述
由于经济性好，碳锰钢被广泛用于油气生产和输送钢管以及（油田）注水系统钢管的制造。管道设计人员必须熟知现代钢管生产技术以及生产管道所需专用钢材的限制因素，制管钢材的选择与管道中输送的油品特性有关。本章描述了碳锰钢管的生产过程，并介绍了用于生产钢管的钢板的成分及制造方法。本章内容还涉及钢管材料规格的确定，以及当管道用于含硫油品的运输时如何恰当地修正钢管材料规格。在第7章关于内腐蚀的部分讨论了碳锰钢的腐蚀、腐蚀裕量的计算以及腐蚀限制等内容。
将长度较短的管子称为管段，连接在一起就形成一条管线（管道）。早期由于没有合适的钢材而且焊接技术不成熟，管道施工主要采用螺纹连接、法兰承插连接方式。虽然目前这些机械连接方式仍然沿用，但几乎所有油气生产和输送管道都采用电弧焊焊接的方式，将多根钢管段熔接在一起。用于制成钢管段的材料是低碳锰钢。其中强度等级较高的是微合金化的低碳锰钢，这种钢被称为高强度低合金钢（HSLA）。船舶、压力容器、泵体与石油管材（OCTG）使用的钢的类型相似。
从材料和腐蚀的角度来看，无论对于新铺管线还是服役中的管线而言，管道维护都变得越来越困难。例如，某些海底多相流管线处于深水中，工作温度超过150℃，且关井压力和二氧化碳浓度都很高。在中东以及其他一些原油和天然气多呈酸性的地区，现存管线用途已经发生了某些变化。在这些地区，过去很多油气田公司曾采取这样的政策，即当油井大量产水时就关闭油井（停产），这种政策现在已经不被采用。过去的管线生产系统用干烃环境避免腐蚀问题。由于服役条件变得恶劣，中东地区新油气田建设和开发生产后期的老油气田现有管线更换都需要更高质量的钢管。为满足这些要求，钢材和管段生产过程变得比以前复杂得多。3.2 管道采购
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