水下生產(chǎn)系統(tǒng)的漁網(wǎng)拖掛防護(hù)技術(shù)

王長濤, 李麗娜, 石　磊, 邢廣闊

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

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水下生產(chǎn)系統(tǒng)的漁網(wǎng)拖掛防護(hù)技術(shù)

王長濤, 李麗娜, 石磊, 邢廣闊

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

摘要：該文針對處于漁業(yè)作業(yè)區(qū)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的漁網(wǎng)防護(hù)需求，總結(jié)了水下結(jié)構(gòu)物、海管、海纜及其他水下設(shè)施的防漁網(wǎng)拖掛技術(shù)，以及水下設(shè)施在受到漁網(wǎng)拖掛后，為避免影響擴(kuò)大而進(jìn)行的應(yīng)急保護(hù)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：水下生產(chǎn)系統(tǒng)； 水下生產(chǎn)設(shè)施；漁網(wǎng)拖掛保護(hù)

0引言

處于漁業(yè)捕撈作業(yè)區(qū)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)，時刻受到漁網(wǎng)拖掛的威脅，漁網(wǎng)對水下生產(chǎn)設(shè)施的拖掛，會對漁業(yè)捕撈和水下生產(chǎn)系統(tǒng)造成重大影響。一方面，如果漁網(wǎng)掛住水下生產(chǎn)設(shè)施而不能順利解脫，會導(dǎo)致漁網(wǎng)破損，甚至漁民棄網(wǎng)，造成漁民的經(jīng)濟(jì)損失；另一方面，如果水下生產(chǎn)設(shè)施沒有足夠的防護(hù)能力，則會造成水下生產(chǎn)設(shè)施損傷、破壞，甚至油氣泄漏。因此，處于漁業(yè)作業(yè)區(qū)的海洋油氣水下生產(chǎn)系統(tǒng)在設(shè)計時要對漁業(yè)捕撈作業(yè)的影響給予足夠的關(guān)注。這種關(guān)注應(yīng)包括兩方面，一方面是在水下生產(chǎn)設(shè)施的總體布置以及結(jié)構(gòu)設(shè)計方面融入漁網(wǎng)可滑過設(shè)計理念，降低被漁網(wǎng)掛住的可能性，并且可以承受漁網(wǎng)拖掛的載荷；另一方面是在出現(xiàn)漁網(wǎng)鉤掛水下設(shè)施的情況后，應(yīng)防止造成進(jìn)一步的危害，并避免或者減小對環(huán)境造成的污染。

1漁網(wǎng)拖掛對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的影響

拖網(wǎng)是目前海洋漁業(yè)生產(chǎn)中效益較高的漁具之一，屬于過濾性的運動漁具。它利用船舶的運動，拖曳漁具在海底或海水中前進(jìn)，迫使?jié)O具經(jīng)過水域中的捕撈對象進(jìn)入網(wǎng)囊，達(dá)到捕撈的目的，在世界范圍內(nèi)均有廣泛的應(yīng)用。拖網(wǎng)分為表層拖網(wǎng)、中層拖網(wǎng)和底層拖網(wǎng)三類，典型的拖網(wǎng)示意圖如圖1所示。

圖1　拖網(wǎng)示意圖

拖網(wǎng)中的底層拖網(wǎng)，由于其下緣觸及海底，在進(jìn)行捕撈作業(yè)的同時，會對露在泥面上的水下設(shè)施產(chǎn)生拖掛作用。漁網(wǎng)對于水下設(shè)施的拖掛作用主要體現(xiàn)在撞擊、拖拉、摩擦和鉤掛4個方面。其中，撞擊、拖拉和摩擦作用是在拖網(wǎng)滑過水下設(shè)施的情況下發(fā)生的，只要水下生產(chǎn)設(shè)施可以承受相關(guān)載荷，就不會對漁業(yè)和油氣生產(chǎn)造成影響，而鉤掛則是在漁網(wǎng)被水下設(shè)施掛住，不能解脫的情況，如圖2所示。在這種情況下，運動中的漁船和漁網(wǎng)被瞬間截停，會對水下生產(chǎn)設(shè)施造成巨大的拖曳力，而后，漁民為回收漁網(wǎng)，使用絞車?yán)^續(xù)拖拉，造成更大的破壞，因此，漁網(wǎng)鉤掛是漁網(wǎng)拖掛影響中最危險的情況。表1為ISO 13628-1[1]推薦的北海海域網(wǎng)板拖網(wǎng)拖掛載荷，從表1中可以看出，漁網(wǎng)拖掛載荷足以對水下生產(chǎn)設(shè)施造成破壞。對于其它海域的網(wǎng)板拖網(wǎng)以及桁桿拖網(wǎng)，應(yīng)根據(jù)具體的漁具形式、拖網(wǎng)速度、漁船的功率進(jìn)行評估。漁網(wǎng)拖掛曾多次造成水下生產(chǎn)設(shè)施的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致人員傷亡和漁具損壞，釀成海上災(zāi)難[2]。因此，處于漁業(yè)作業(yè)區(qū)的海洋油氣水下生產(chǎn)系統(tǒng)在設(shè)計時要重視漁網(wǎng)拖掛的影響，一方面要對水下生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行漁網(wǎng)拖掛防護(hù)，另一方面在水下生產(chǎn)設(shè)施遭受漁網(wǎng)鉤掛時及時補救，避免事態(tài)擴(kuò)大。

表1　漁網(wǎng)拖掛載荷

圖2　漁網(wǎng)鉤掛示例

2漁網(wǎng)拖掛防護(hù)技術(shù)

面對漁網(wǎng)拖掛的威脅，處于漁業(yè)作業(yè)區(qū)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)采取主動的預(yù)防措施，使水下生產(chǎn)設(shè)施能夠承受漁網(wǎng)拖掛載荷，并避免漁網(wǎng)鉤掛，減小漁業(yè)捕撈作業(yè)對水下油氣生產(chǎn)的影響。水下生產(chǎn)系統(tǒng)布局多樣，且水下生產(chǎn)設(shè)施種類繁多，根據(jù)分布形式和尺寸屬性可分為連續(xù)分布、細(xì)長的海管/海纜和分散布置、寬大的水下結(jié)構(gòu)物兩大類，對于不同類型的水下設(shè)施，應(yīng)采取不同的保護(hù)措施。

2.1海管及海纜的防護(hù)

避免漁網(wǎng)拖掛海管和海纜最直接的方法是將其置于泥面以下，可通過挖溝或拋石(海管)的方法實現(xiàn)，但是需要支付高額的工程費用。由于海管自身具有一定的結(jié)構(gòu)強度，同時，為滿足海管的穩(wěn)定性，通常在海管的外壁澆筑混凝土配重層，提高海管承受外部載荷的能力。因此，可以在不埋設(shè)的情況下，對海管進(jìn)行抗?jié)O網(wǎng)拖掛能力的評估。如果海管不能承受漁網(wǎng)拖掛載荷，則需要對海管進(jìn)行埋設(shè)，挪威船級社(DNV)提供了一套評估的推薦做法。而對于海纜，其自身就屬于易損設(shè)施，同時還需要滿足在位穩(wěn)定性的需求。因此，對海纜的防護(hù)通常采用埋設(shè)方式，使其既有足夠的穩(wěn)定性，又可以有效預(yù)防漁網(wǎng)拖掛。

圖3　海管附屬部件保護(hù)殼示意圖

需要注意的是，海管/海纜的懸跨是導(dǎo)致漁網(wǎng)鉤掛的主要原因。雖然在完工的時候，海管/海纜的懸跨高度或者埋設(shè)深度滿足設(shè)計需求，但是受海流、潮汐的沖刷，會導(dǎo)致懸跨高度加大或者埋設(shè)的海管/海纜露出海床，增加海管/海纜受漁網(wǎng)鉤掛破壞的風(fēng)險。因此，需要在運行過程中定期進(jìn)行海管/海纜懸跨和埋設(shè)情況的監(jiān)測，必要時需進(jìn)行拋石維護(hù)。

此外，海管上的附屬部件，如法蘭螺栓、外加的延壽陽極等，由于其突出于海管之外，通常成為漁網(wǎng)鉤掛的對象。因此，對于這些附屬部件需要進(jìn)行保護(hù)，通常的做法是加裝一個漁網(wǎng)可滑過的保護(hù)外殼，如圖3所示，使其免受漁網(wǎng)拖掛。

2.2水下結(jié)構(gòu)物的防護(hù)

對于水下管匯、采油樹等水下結(jié)構(gòu)物，由于有管線連接、設(shè)備操作和維護(hù)、泄漏和腐蝕的監(jiān)測需求，不具備將其設(shè)置于泥面以下的可行性?？尚械姆绞绞遣捎米銐蚶喂痰幕A(chǔ)(例如樁基礎(chǔ))和保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，即使在被漁網(wǎng)鉤掛的情況下，水下生產(chǎn)設(shè)施也不會受到損傷。采用這種方案時，如果漁網(wǎng)被水下結(jié)構(gòu)物掛住，會造成漁網(wǎng)部分損壞。因此，要實現(xiàn)漁業(yè)捕撈和油氣生產(chǎn)之間的和諧共處，在對水下設(shè)施進(jìn)行防護(hù)的同時，還要優(yōu)化防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，降低被漁網(wǎng)鉤掛的可能性。

與海管/海纜不同，漁網(wǎng)被水下結(jié)構(gòu)物鉤掛的原因主要來自以下三個方面：

(1) 桁桿座、網(wǎng)板或位于外緣的沉子在網(wǎng)繩的牽引下被卡在水下設(shè)施上；

(2) 網(wǎng)綱被水下設(shè)施結(jié)構(gòu)整體或突出的局部結(jié)構(gòu)掛?。?/p>

(3) 水下設(shè)施突出的局部結(jié)構(gòu)插入網(wǎng)囊的網(wǎng)眼。

針對上述原因，為使?jié)O網(wǎng)可以滑過，水下結(jié)構(gòu)物的優(yōu)化方向如下：

(1) 保護(hù)結(jié)構(gòu)自身，以及保護(hù)結(jié)構(gòu)與泥面之間連續(xù)，避免桁桿座或網(wǎng)板、沉子進(jìn)入；

(2) 保護(hù)結(jié)構(gòu)選擇梯臺型外輪廓，從各個方向均可引導(dǎo)網(wǎng)具沿斜面上滑，越過結(jié)構(gòu)物；

(3) 保護(hù)結(jié)構(gòu)的外側(cè)避免出現(xiàn)突出結(jié)構(gòu)。

NORSOK[4]提供了更具實施性的漁網(wǎng)可滑過的水下結(jié)構(gòu)物設(shè)計的推薦做法。典型的漁網(wǎng)可滑過結(jié)構(gòu)物如圖4所示，對于新型的漁網(wǎng)保護(hù)結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行模型試驗，以驗證其漁網(wǎng)可滑過性能。需要注意的是，對于水下管匯、水下分配單元等有介入和管線連接需求的水下設(shè)施，由于需要足夠的介入和操作空間，無法實現(xiàn)連續(xù)的保護(hù)結(jié)構(gòu)，或者實現(xiàn)連續(xù)的保護(hù)結(jié)構(gòu)代價太高。此時，需要在滿足漁網(wǎng)可滑過的需求和經(jīng)濟(jì)性之間進(jìn)行折衷考慮。

圖4　漁網(wǎng)可滑過結(jié)構(gòu)物

3漁網(wǎng)鉤掛的應(yīng)急保護(hù)技術(shù)

由于對海管/海纜懸跨超高、露出海床等鉤掛隱患等處理不及時，以及水下保護(hù)結(jié)構(gòu)在漁網(wǎng)可滑過性能和經(jīng)濟(jì)性能上的折衷考慮等因素，使水下生產(chǎn)設(shè)施仍然存在被漁網(wǎng)鉤掛的風(fēng)險。在進(jìn)行風(fēng)險評估后，如果認(rèn)為水下生產(chǎn)系統(tǒng)整體或者局部不能接受水下生產(chǎn)設(shè)施被漁網(wǎng)鉤掛后可能導(dǎo)致的后續(xù)破壞，則需要對水下生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行漁網(wǎng)鉤掛的應(yīng)急保護(hù)設(shè)計，防止水下生產(chǎn)設(shè)施被漁網(wǎng)鉤掛后的影響范圍擴(kuò)大。

3.1海管及海纜的漁網(wǎng)鉤掛應(yīng)急保護(hù)技術(shù)

在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，海管和海纜的末端可能連接有重要但是比較脆弱的水下設(shè)施，如海管末端連接的帶壓開孔設(shè)施、臍帶纜末端的水下分配單元等。這類設(shè)施在與之相連的海管/海纜受到漁網(wǎng)鉤掛時，容易受到連帶破壞，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。目前海管的水下帶壓開孔普遍使用機(jī)械式帶壓開孔三通，支路海管受到漁網(wǎng)鉤掛后，除了支管可能被損傷外，鉤掛引起的支管軸向拉力還會導(dǎo)致與之相連的機(jī)械三通密封失效，使被開孔的主管泄漏，造成環(huán)境污染。對于主管的開孔泄漏，需要與主管相關(guān)的油氣生產(chǎn)系統(tǒng)停產(chǎn)、修復(fù)，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

一種針對上述情況的應(yīng)急設(shè)計方案是在支管接入帶壓開孔三通前接入一個壓力平衡安全節(jié)點，以及位于其上游和下游的各一臺單向閥，如圖5(1)所示。其中上游的單向閥與安全節(jié)點通過法蘭連接，安全節(jié)點套管的延長段插入單向閥中，使上游的單向閥板保持開啟狀態(tài)，如圖5(2)所示。在支管受到漁網(wǎng)鉤掛，使支管的軸向拉力超過安全節(jié)點的破斷閾值后，安全節(jié)點會斷開，避免對帶壓開孔三通和主管造成影響，同時其套管的延長段從上游單向閥中脫出，使上游單向閥關(guān)閉，而上游失壓后，下游的單向閥在主管的壓力作用下也隨之關(guān)閉，避免了上下游介質(zhì)的進(jìn)一步泄漏。采用這種方案，既避免了在漁網(wǎng)鉤掛的情況下與海管相連的重要設(shè)施的損壞，又將油氣泄漏和環(huán)境污染降到最低，是一種經(jīng)濟(jì)有效的漁網(wǎng)鉤掛應(yīng)急保護(hù)設(shè)計方案。上述應(yīng)急保護(hù)設(shè)計理念同樣可以應(yīng)用到海纜的漁網(wǎng)鉤掛應(yīng)急保護(hù)中。例如，在臍帶纜與水下分配單元之間應(yīng)用的臍帶纜弱連接裝置[5]，該裝置可在臍帶纜受到漁網(wǎng)鉤掛的情況下，防止與之連接的水下分配單元遭受連帶破壞，其設(shè)計技術(shù)可參考相關(guān)規(guī)范。

圖5　壓力平衡安全節(jié)點的應(yīng)用示意圖

圖6　優(yōu)化的水下保護(hù)結(jié)構(gòu)

3.2水下結(jié)構(gòu)物的漁網(wǎng)鉤掛應(yīng)急保護(hù)技術(shù)

對于存在被漁網(wǎng)鉤掛風(fēng)險的水下生產(chǎn)設(shè)施，除滿足對漁網(wǎng)鉤掛的防護(hù)需求以外，還要優(yōu)化保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，將鉤掛對漁業(yè)的影響降到最低，避免雙方矛盾激化。在保護(hù)結(jié)構(gòu)存在鉤掛風(fēng)險的部位，避免出現(xiàn)網(wǎng)板能進(jìn)入的狹長縫隙、夾角以及突出結(jié)構(gòu)。例如，圖2(2)所示的結(jié)構(gòu)，可優(yōu)化為圖6的方案，這樣既滿足了介入操作的空間需求，又可在發(fā)生漁網(wǎng)鉤掛保護(hù)結(jié)構(gòu)的情況下，漁民可通過停船、倒車等操作將漁網(wǎng)從鉤掛狀態(tài)解脫，既不會損傷漁網(wǎng)，也不會因為漁民急于收回漁網(wǎng)而采取極端的行為，對水下生產(chǎn)系統(tǒng)造成不可預(yù)知的后續(xù)破壞。

4結(jié)語

漁網(wǎng)拖掛對水下生產(chǎn)系統(tǒng)是一種外在的威脅，水下生產(chǎn)系統(tǒng)需要對其進(jìn)行有針對性的防護(hù)。具體的漁網(wǎng)拖掛的防護(hù)方案，需要在對水下生產(chǎn)系統(tǒng)所在海域的漁業(yè)捕撈頻率、漁船和漁具的能力進(jìn)行調(diào)研，以及對漁網(wǎng)拖掛影響進(jìn)行全面考慮風(fēng)險評估和經(jīng)濟(jì)性評價后綜合確定。此外，為降低漁業(yè)作業(yè)對水下生產(chǎn)設(shè)施的影響，還需要加強對漁民的宣傳工作，普及水下生產(chǎn)設(shè)施保護(hù)、漁網(wǎng)鉤掛解脫以及防止危害擴(kuò)大的基本知識，以使雙方均免受漁網(wǎng)拖掛造成的損失，真正實現(xiàn)漁業(yè)和油氣生產(chǎn)的和諧共處。

參考文獻(xiàn)

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[2]Committee on the safety of marine pipelines．Improving the Safety of Marine Pipelines[M]. Washington, D.C：National Academy Press，1994.

[3]DNV-RP-F111. Interference between trawl gear and pipelines[S]. 2009．

[4]NORSOK U-001. Subsea production systems[S].2005.

[5]ISO 13628-5. Petroleum and natural gas industries- Design and operation of subsea production systems -Part 5: Subsea umbilicals[S].2009.

Trawl Gear Protection Technology in Subsea Production System

WANG Chang-tao, LI Li-na, XING Guang-kuo

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

Abstract：Trawl gear protection technology for subsea production facility, subsea structure, subsea pipeline/cable is introduced and summarized. Emergency protection technology for fishing gear snagging subsea production facility is also introduced. Trawl gear protection technology in this paper can be a reference for relative subsea production system.

Keywords：subsea production system; subsea production facility; trawl gear protection

中圖分類號:P75

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-4500(2015)06-0086-05

作者簡介：王長濤(1983-)，男，工程師。