拋錨作業(yè)撞擊海底管道的影響分析

劉 歡，馮梅芳，張文海

（1.中國石油冀東油田公司，河北唐山 063200；2.挪威船級(jí)社（中國）有限公司，上海 200336）

拋錨作業(yè)撞擊海底管道的影響分析

劉 歡1，馮梅芳1，張文海2

（1.中國石油冀東油田公司，河北唐山 063200；2.挪威船級(jí)社（中國）有限公司，上海 200336）

拋錨作業(yè)可能會(huì)撞擊海底管道，對(duì)管道的安全運(yùn)行造成威脅。文章分析了船舶拋錨作業(yè)撞擊海底管道的能量、海管壁凹坑吸收的能量和海管保護(hù)層吸收的能量的計(jì)算方法，并給出了工程計(jì)算實(shí)例，得出不同錨重、埋深條件下海管的損壞等級(jí)，確定了合理的埋深，為海管安全敷設(shè)提供必要的參數(shù)。

海管；拋錨；撞擊；危害

0 引言

海底管道是海洋油氣資源開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，近些年隨著近海石油工業(yè)的發(fā)展，海底管道也得到了更為廣泛的應(yīng)用。它是連續(xù)的輸送大量油氣最快捷、最經(jīng)濟(jì)、最安全、最高效的方式，具有連續(xù)輸送、運(yùn)油能力大、鋪設(shè)工期短、管理方便和操作費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在檢查維護(hù)不方便、一旦出現(xiàn)事故修復(fù)困難等缺點(diǎn)。

海底管道不僅受到海洋水文環(huán)境和海床運(yùn)動(dòng)、海底地形地貌變化的影響，還受到過往船只拋錨所帶來的外界影響。因此，在安裝、運(yùn)行管理的過程中難免會(huì)出現(xiàn)各種損傷和缺陷，如凹坑、刮鑿、擦痕、穿孔、懸空、彎曲及變形等[1-3]。在海底管道受到的各種威脅中，撞擊屬于偶然性載荷破壞，是造成海底管道破壞的主要原因之一。因此，分析海管與拋錨之間的力學(xué)關(guān)系，計(jì)算安全的埋深，就成為保障海底管道安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。

1 海底管道損壞分級(jí)劃分

通常情況下，拋錨點(diǎn)與海底管道的距離越遠(yuǎn)，錨撞擊管道的概率就越小，管道受到錨撞擊的風(fēng)險(xiǎn)就越小。

1.1 拋錨作業(yè)與海底管道可能撞擊的情況

對(duì)海底管道有影響的拋錨作業(yè)主要有以下幾種：

（1）惡劣天氣條件下，工程船舶發(fā)生遛錨或錨鏈發(fā)生斷裂。

（2）漁業(yè)捕撈用具及拖錨對(duì)海底管道的撞擊和拖拉。

（3）各類航行船舶在避讓等緊急情況下采取的拋錨作業(yè)。

（4）船員人為操作失誤，導(dǎo)致脫錨。

1.2 管道損壞等級(jí)劃分

參照標(biāo)準(zhǔn)DNV RP-F107[4]，視海管的受損程度，損壞可分為三級(jí)：

（1）次損壞 （D1）：海管不需要修復(fù)，也不會(huì)導(dǎo)致泄漏。海管壁上凹坑的最大深度為管徑的5%，通常不會(huì)立即影響海管的運(yùn)行。不過，應(yīng)該采取檢驗(yàn)和技術(shù)評(píng)估的手段，確認(rèn)海管的結(jié)構(gòu)完整性和通過清管球的能力。

（2）中損壞 （D2）：海管需要修復(fù)，但也不會(huì)導(dǎo)致泄漏。當(dāng)海管壁上的凹坑會(huì)限制其內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)，通常需要進(jìn)行修復(fù) （凹坑的最大深度超過管徑的5%）。不過，修復(fù)可以推遲一段時(shí)間，再經(jīng)過結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定后可以繼續(xù)運(yùn)行。

（3）重?fù)p壞 （D3）：發(fā)生泄漏。海管壁被砸穿孔或者海管破裂，必須立即停止油氣輸送和進(jìn)行線路修復(fù)，損壞的部分必須修補(bǔ)或替換掉。

2 錨正面撞擊海底管道的能量計(jì)算

錨拋入水中并撞擊海管的作用機(jī)理是復(fù)雜的，它包括許多參數(shù)，如錨的形狀、尺寸以及撞擊方向。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DNV RP-F107，基于以下一些假設(shè)，計(jì)算 “最壞狀態(tài)”下錨落水并撞擊海管的能量：

（1）錨是堅(jiān)硬的，撞擊時(shí)不會(huì)變形。

（2）錨是直接下落，不旋轉(zhuǎn)。

（3）海管是靜止的。

（4）撞擊能量轉(zhuǎn)移至海管的時(shí)間很短，且大部分轉(zhuǎn)移的能量被海管的凹坑所吸收。

（5）撞擊時(shí)錨達(dá)到了其下落的極限速度。

2.1 錨的沖擊能

錨被拋入水中后下沉，經(jīng)過一段時(shí)間后，達(dá)到下沉的極限速度，即：當(dāng)錨的重力與排出水的體積和流動(dòng)阻力達(dá)到平衡時(shí)，錨的下沉速度就是一個(gè)常量。錨下沉達(dá)到受力平衡時(shí)的方程為：

式中m——錨的質(zhì)量/kg；

V——錨的體積/m3；

ρwater——海水密度/（kg/m3）；

ma——附加的質(zhì)量/kg，ma=ρwaterCaV；

g——重力加速度/（m/s2）；

A——錨在下沉方向上的投影面積/m2；

vT——錨在水中的極限速度/（m/s）；

Cd，Ca——錨的阻力系數(shù)和附加的質(zhì)量系

數(shù)[5]， 分別取1.0和0.6。

2.2 海管保護(hù)層能力

2.2.1 混凝土配重保護(hù)層

混凝土配重保護(hù)層通常能保護(hù)海管不受潛在的撞擊損壞。根據(jù)Jensen J J的研究[6]，混凝土配重保護(hù)層吸收的能量與穿透體積和混凝土壓碎強(qiáng)度有關(guān)?；炷僚渲乇Ｗo(hù)層受撞擊情況如圖1所示。吸收能量 （kJ）的計(jì)算公式為：

式中Y——壓碎強(qiáng)度/MPa，是標(biāo)準(zhǔn)密度混凝土的立方抗壓強(qiáng)度的3倍；

b——錨撞擊面的寬度/m；

h——錨撞擊面的長度/m；

x0——穿透深度/m。

2.2.2 埋深保護(hù)層

挖溝并填埋海管在一定程度上可以額外保護(hù)海管免受落錨和拖錨的損壞，但作用是有限的，這主要取決于挖溝的深度和撞擊物的尺寸。根據(jù)實(shí)體試驗(yàn)，墜落物被砂礫層吸收的能量 （kJ）關(guān)系為：

式中γ′——填埋材料的有效單位重力/（kN/m3），

取11 kN/m3；

D——海管的直徑/m；

AP——海管的投影面積/m2；

z——穿透深度/m；

Nq，Nγ——承載系數(shù)，通常Nq=99，Nγ=137。

通常自然回填的砂層吸收的能量比砂礫的小很多，其抗撞擊能力是砂礫覆蓋層的2%～10%。

2.3 撞擊能量

由于有混凝土配重保護(hù)層和挖溝填埋層的保護(hù)，錨撞擊海管的實(shí)際能量是：

2.4 海管被撞凹坑的吸收能

撞擊的典型失效模式是在海管壁上形成凹坑或穿孔 （見圖2）。假設(shè)刃型載荷垂直作用于海管上，凹坑極深，幾乎貫穿整個(gè)橫斷面，則鋼質(zhì)海底管道吸收能 （kJ）的計(jì)算公式為：

式中mp——管壁的塑性彎矩/N·m，mp=1/4σyt2；

σy——屈服應(yīng)力/MPa；

δ——管的變形凹坑深度/m；

t——海管壁厚/m；

D——海管外徑/m。

泄漏和整體破裂可能性是一個(gè)累積的條件概率，撞擊能量增加，此概率也增加。對(duì)比E0和E的結(jié)果，就能判斷海管受錨撞擊后的損壞情況。

3 工程實(shí)例

某海上油田海管鋪設(shè)水深為90 m，海管設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，依據(jù)本文上述建立的錨撞擊海管的計(jì)算模型，共選取5種不同大小的無桿錨 （見表2），分別計(jì)算該海管在不同埋深條件下受錨撞擊的能量，并判斷海管的損壞情況。

計(jì)算結(jié)果見表3，可知海管埋深2m以上時(shí)能夠防止拋錨對(duì)海管造成的損害，實(shí)現(xiàn)對(duì)海管的有效保護(hù)。

表1 海管設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 錨的投影面積

表3 海管在不同埋深時(shí)保護(hù)效果比較

4 結(jié)束語

本文參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立了落錨直接正面撞擊海管能量的計(jì)算方法和海管損壞情況的判斷方法，有助于確定海管敷設(shè)的挖溝埋深及其他有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。雖然海底管道存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，但可以通過合理的管道路由設(shè)計(jì)、合理的外層保護(hù)和埋深設(shè)計(jì)、定期檢驗(yàn)檢測等綜合保護(hù)措施來提高海底管道的安全性。

[1]譚箭,李恒志，田博.關(guān)于事故性拋錨對(duì)海底管線損害的探討[J].船海工程，2008，（1）：142-144.

[2]王再明，米小亮，張超.施工船舶拋錨作業(yè)對(duì)海底管道的影響研究[J].交通信息與安全，2010,（3）：93-96.

[3]劉學(xué)濤，張磊，郭振邦，等.錨泊作業(yè)對(duì)海底管道撞擊概率的研究[J].石油工程建設(shè)，2005，（6）：30-33.

[4]DNV RPF107-2001,Risk Assessment of Pipeline Protection[S].

[5]Katteland L H，Oygarden B.Risk analysis of dropped objects for deep water development[A].Proc.of 14th OMAE[C].Copenhagen：OMAE，1995.443-450.

[6]Jensen J J.Impact Strength of Concrete Coating on Pipeline[R].Trondheim：SINTEF，1978.

Analysis of Impact of Anchoring Job on Submarine Pipeline

LIU Huan（PetroChina Jidong Oilfield Company,Tangshan 063200,China），F(xiàn)ENG Mei-fang,ZHANG Wen-hai

Anchoring job may impact submarine pipeline and imperil it.The calculation methods of impact energy to a submarine pipeline during ship anchoring job and the corresponding absorbed energy by pipeline deformation and pipeline protective layer are analyzed.Based on a practical calculation example,the damage grades in the conditions of different anchor weights and pipeline buried depths are obtained,the rational pipeline buried depth is determined.The results offer necessary parameters for safe pipeline laying operation.

submarine pipeline;anchoring;impact;damage

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.006

劉 歡 （1981-），男，四川金堂人，工程師，2004年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事海洋石油作業(yè)安全監(jiān)督管理工作。

2011-11-15