拖網(wǎng)作業(yè)對(duì)海底管道影響的理論分析與模型試驗(yàn)

賈 旭 于春潔

(中海油研究總院 北京 100028)

賈旭，于春潔.拖網(wǎng)作業(yè)對(duì)海底管道影響的理論分析與模型試驗(yàn)［J］.中國(guó)海上油氣，2015，27(5)：116-120，129.

在海洋石油、天然氣開采工程中，海底管道是油氣輸送的重要設(shè)施。海底管道常年在海流和波浪等沖刷作用下會(huì)出現(xiàn)裸露和懸空狀態(tài)，其懸空高度和長(zhǎng)度視具體工程情況有所不同。當(dāng)海底管道裸露或懸空時(shí)，如果該海域有漁業(yè)活動(dòng)，易出現(xiàn)對(duì)管道造成撞擊、拖越等情況而威脅到管道的安全，需要在工程設(shè)計(jì)、施工中加以考慮。本文針對(duì)東海海域漁業(yè)活動(dòng)，通過理論分析和模型試驗(yàn)，確定拖網(wǎng)對(duì)海底管道的作用荷載，并依照DNV-RP-F111規(guī)范，針對(duì)圓形網(wǎng)板、桁桿等結(jié)構(gòu)對(duì)海底管道的撞擊力和拖越力進(jìn)行理論分析。在此基礎(chǔ)上，分別在空氣中和水中對(duì)海底管道開展了撞擊和拖越試驗(yàn)，研究了不同拖網(wǎng)速度、不同漁具結(jié)構(gòu)類型對(duì)不同懸空高度管道的作用力，并與基于規(guī)范的理論分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明工程設(shè)計(jì)中采用理論計(jì)算結(jié)果偏于保守，可以適當(dāng)優(yōu)化。

1 拖網(wǎng)作業(yè)對(duì)海底管道作用的理論分析

根據(jù)東海漁業(yè)作業(yè)調(diào)查資料，選擇桁桿拖網(wǎng)和單拖網(wǎng)作為主要研究對(duì)象［1］。桁桿拖網(wǎng)中的桁桿一般為40m長(zhǎng)的空心圓桿，外徑330 mm、內(nèi)徑318 mm、質(zhì)量1 900 kg，典型拖網(wǎng)速度為1.1 m/s左右，作業(yè)水深一般在100 m范圍以內(nèi)；單拖網(wǎng)中的圓形網(wǎng)板質(zhì)量通常約為170 kg，最大可達(dá)400 kg，拖網(wǎng)速度為1.8 m/s左右，作業(yè)水深一般可達(dá)300 m。這表明，我國(guó)東海的漁業(yè)設(shè)施尺寸、質(zhì)量及拖網(wǎng)速度等遠(yuǎn)小于挪威北海的實(shí)際情況。根據(jù)DNV-RP-F111規(guī)范，漁業(yè)活動(dòng)對(duì)海底管道等的作用形式包括撞擊與拖越，因此根據(jù)推薦的理論計(jì)算方法分別計(jì)算分析了圓形網(wǎng)板和桁桿對(duì)海底管道的撞擊力和拖越力。

1.1 圓形網(wǎng)板對(duì)海底管道的撞擊力

拖網(wǎng)漁具在拖曳的過程中與海底管道相撞，拖網(wǎng)漁具的動(dòng)能轉(zhuǎn)化到管道上所產(chǎn)生的力即是漁具對(duì)管道的撞擊力［2-3］。由于撞擊時(shí)間非常短，大部分撞擊能量將轉(zhuǎn)化為管道的局部變形。根據(jù)DNV-RPF111規(guī)范，采用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，即計(jì)算圓形網(wǎng)板質(zhì)量產(chǎn)生的撞擊能量Es和圓形網(wǎng)板附加質(zhì)量產(chǎn)生的撞擊能量Ea，選取Es和Ea較大者作為管道撞擊能量，再根據(jù)撞擊能量確定撞擊力，從而求出撞擊凹坑深度。

1)圓形網(wǎng)板質(zhì)量產(chǎn)生的撞擊能量Es。

式(1)中：Rfs為圓形網(wǎng)板(鋼板)質(zhì)量的折減系數(shù)，可根據(jù)理論計(jì)算和漁業(yè)調(diào)查資料確定；mt為圓形網(wǎng)板質(zhì)量；Ch為懸空高度修正系數(shù)，可由理論計(jì)算確定；V為圓形網(wǎng)板運(yùn)動(dòng)速度。

2)圓形網(wǎng)板附加質(zhì)量產(chǎn)生的撞擊能量Ea。

其中

式(2)、(3)中：Fb為附加質(zhì)量產(chǎn)生的沖擊力；Rfa為附加質(zhì)量折減系數(shù)；fy為海管材料屈服強(qiáng)度；t為海管管壁厚度；ma為附加質(zhì)量；kb為抗彎剛度；其他符號(hào)意義同前。

3)最大撞擊能量Eloc。

4)撞擊力Fsh。

5)撞擊凹陷深度Hpf。

式(6)中：OD為海管外徑；其他符號(hào)意義同前。

1.2 圓形網(wǎng)板對(duì)海底管道的拖越力

拖越力分析是針對(duì)拖網(wǎng)漁具和管道接觸并翻越管道的過程。在這一過程中，管道將根據(jù)拖網(wǎng)漁具的不同而可能受到垂直力、水平力或兩者組合［4］。

拖越水平力Fp：

拖越垂向力Fz：

式(7)、(8)中：CF為板拖曳力系數(shù)，CF=8.0×(1-e-0.8ˉH) ；ˉH為無(wú)量綱高度為懸空高度；B為圓形網(wǎng)板高度的一半；kw為拉伸剛度系數(shù)為彈性模量；Aw為曳綱(拖曳纜繩)面積；Lw為曳綱長(zhǎng)度；其他符號(hào)意義同前。

同理，將以上計(jì)算中的圓形網(wǎng)板換成桁桿，即可計(jì)

算桁桿對(duì)管道的撞擊力和拖越力。

2 拖網(wǎng)作業(yè)對(duì)海底管道影響的模型試驗(yàn)

根據(jù)東海海域的漁業(yè)活動(dòng)，開展了漁具對(duì)海底管道撞擊力和拖越力的模型試驗(yàn)［5］。內(nèi)容包括：①空氣中和水下管道的撞擊試驗(yàn)，考慮了圓形網(wǎng)板和桁桿漁具設(shè)施及管道不同懸空高度(分別為0.14D、0.43D和0.87D，D為管道模型直徑)的組合工況；②空氣中和水下管道的拖越試驗(yàn)，其中圓形網(wǎng)板的拖越試驗(yàn)考慮了不同管道懸空高度的影響。

2.1 試驗(yàn)裝置

1)試驗(yàn)水槽。試驗(yàn)水槽長(zhǎng)60 m、寬40 m、深2.5 m，工作水深0.2～2.0 m。

2)變頻拖曳系統(tǒng)。主要包括電機(jī)、變頻器、滑塊、鋼絲繩、滑輪、滑道以及固定裝置等(圖1)。該系統(tǒng)依靠電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，拖拉滑塊在滑道內(nèi)沿水平方向運(yùn)動(dòng)。滑塊的另一端通過繩索連接圓形網(wǎng)板或者桁桿模型，以不同的速度撞擊或者拖越管道模型，滑塊-纜索-圓形網(wǎng)板(桁桿)系統(tǒng)在行進(jìn)過程中可保持恒定的相對(duì)位置，確保以恒定角度撞擊結(jié)構(gòu)物模型。試驗(yàn)中通過變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制拖曳速度。

圖1 海底管道撞擊力和拖越力模型試驗(yàn)中變頻拖曳系統(tǒng)裝置圖Fig.1 Frequency conversion towed system in subm arine pipelinemodel test under impact load and pull over load

3)兩向力傳感器。兩向力傳感器與管道模型兩端相連，可直接測(cè)量水平和垂向的撞擊力、拖越力。其優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)作用力進(jìn)行直接測(cè)量，缺點(diǎn)是不可浸沒在水中。為實(shí)現(xiàn)水下撞擊試驗(yàn)，通過剛性導(dǎo)板將測(cè)力計(jì)與被撞擊物連接。兩向力傳感器裝置如圖2所示，水下撞擊現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖2 海底管道撞擊和拖越力模型試驗(yàn)兩向力傳感器裝置圖Fig.2 Two force sensor in submarine pipelinemodel test under impact load and pull over land

圖3 海底管道撞擊和拖越力模型試驗(yàn)水下撞擊現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.3 Field of subsea im pact in submarine pipeline m odel test under im pact load and pull over land

4)光纖光柵應(yīng)變傳感器。試驗(yàn)中將光纖光柵傳感器封裝在物體表面，當(dāng)物體受力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，光柵的寬度會(huì)產(chǎn)生改變，導(dǎo)致光信號(hào)波長(zhǎng)的變化。光信號(hào)通過光纖傳輸給光纖信號(hào)解調(diào)儀，通過分析波長(zhǎng)的變化值可計(jì)算出相應(yīng)的響應(yīng)應(yīng)變，進(jìn)而反算作用力。由于光纖光柵傳感器輸出的是光信號(hào)，因此無(wú)需進(jìn)行防水處理，直接用于水下試驗(yàn)，同時(shí)兼?zhèn)洳皇芡饨与姶判盘?hào)干擾的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 相似準(zhǔn)則及模型材料和尺寸的確定

1)相似準(zhǔn)則。流體力學(xué)模型試驗(yàn)涉及眾多相似準(zhǔn)則，如雷諾相似、歐拉相似、柯西相似等。但在開展具體試驗(yàn)工作時(shí)，由于流體屬性、材料屬性以及重力加速度等不能同時(shí)等比例縮放的原因，難以同時(shí)滿足這些相似準(zhǔn)則應(yīng)用的條件。當(dāng)考慮具體問題時(shí)，應(yīng)在確保幾何相似的前提下，根據(jù)所研究問題的主要特征，選擇主要的相似準(zhǔn)則。對(duì)本試驗(yàn)而言，重點(diǎn)考慮重力相似，即試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鶕?jù)幾何相似和重力相似(試驗(yàn)與原型中的弗勞德數(shù)相等)來(lái)確定。選取模型與原型的幾何比尺為1∶10，則速度比尺為1∶3.16，受力比尺為1∶1 000。

2)模型材料和尺寸。根據(jù)幾何比尺和漁業(yè)調(diào)查資料所給的基本數(shù)據(jù)，確定模型材料和尺寸如下：

①管道。小管徑管道直徑3.45 cm、長(zhǎng)0.90 m、壁厚3.00 mm；大管徑管道直徑7.2 cm、長(zhǎng)0.9 m、壁厚4.0 mm。

②曳綱。纖維玻璃繩，直徑1.5 mm。

③圓形網(wǎng)板。鋼質(zhì)，長(zhǎng) 20 cm、高 12 cm、厚2 cm，質(zhì)量396 g。

④桁桿。鋼質(zhì)，長(zhǎng)50 cm，質(zhì)量1 900 g。

2.3 管道模型的撞擊試驗(yàn)結(jié)果

圓形網(wǎng)板的撞擊力試驗(yàn)結(jié)果見圖4，可以看出：圓形網(wǎng)板對(duì)管道撞擊時(shí)，在空氣中和水中的撞擊力相差不大，整體趨勢(shì)是隨著速度的增大而增大；理論計(jì)算結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果偏大，為試驗(yàn)結(jié)果的1.5～2.0倍。

圖4 圓形網(wǎng)板對(duì)不同懸空高度管道的撞擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of traw l board impact on different suspended pipelines

桁桿的撞擊力試驗(yàn)結(jié)果見圖5，可以看出：桁桿對(duì)懸空管道撞擊時(shí)，在空氣中和水中的撞擊力基本一致，整體趨勢(shì)是隨著速度的增大而增大；理論計(jì)算結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果在各流速下整體偏大100～150 kN。

圖5 桁桿對(duì)不同懸空高度管道的撞擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of beam traw l impact on different suspended pipelines

工程設(shè)計(jì)中，在缺乏相關(guān)試驗(yàn)的情況下通常按照規(guī)范在理論上進(jìn)行海底管道撞擊設(shè)計(jì)。通過本次試驗(yàn)得知，對(duì)海底管道撞擊力理論計(jì)算結(jié)果偏于保守，建議在設(shè)計(jì)中可以根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化。

2.4 管道模型的拖越試驗(yàn)結(jié)果

在空氣和水中分別對(duì)管道模型(管徑D=3.45 cm)進(jìn)行了拖越試驗(yàn)。管道懸空高度不同時(shí)，理論計(jì)算中的圓形網(wǎng)板拖曳力系數(shù)會(huì)有所變化，但桁桿拖曳力系數(shù)不受懸空高度的影響。直徑D=3.45 cm管道在不同懸空高度時(shí)的拖越力系數(shù)見表1。

圓形網(wǎng)板對(duì)管道的拖越力試驗(yàn)結(jié)果見圖6，可以看出：水平拖越力在速度較小時(shí)，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果很接近；水平拖越力在速度較大時(shí)，理論計(jì)算值大于試驗(yàn)結(jié)果。就整體趨勢(shì)而言，隨著拖網(wǎng)速度的增加及管道懸空量的加大，圓形網(wǎng)板在水平和垂直方向產(chǎn)生的拖越力都增大，但垂向拖越力明顯小于水平方向分量。另外，水中試驗(yàn)測(cè)力結(jié)果與空氣中試驗(yàn)測(cè)力結(jié)果基本一致。

表1 直徑3.45 cm管道在不同懸空高度時(shí)的拖越力系數(shù)Table 1 Pull over coefficients of D=3.45 cm pipline on different suspended heights

桁桿對(duì)管道的拖越力試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，可以看出：桁桿對(duì)管道的拖越力在空氣和水中試驗(yàn)結(jié)果接近，且隨著桁桿速度的增加而逐漸增大，在速度為1～3 m/s時(shí)桁桿對(duì)管道的拖越力在60～280 kN之間；理論計(jì)算結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果偏大。

圖6 圓形網(wǎng)板對(duì)不同懸空高度管道的拖越試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results of traw l board pull over on different suspended pipelines

圖7 桁桿的拖越試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Resu lts of beam traw l pull over on the pipeline

工程設(shè)計(jì)中，由于缺乏相關(guān)試驗(yàn)，通常采用按照規(guī)范在理論上進(jìn)行海底管道的拖越力設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)得知，對(duì)海底管道拖越力理論計(jì)算的結(jié)果偏于保守，建議在工程設(shè)計(jì)中可以根據(jù)具體情況進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

3 結(jié)論

本文根據(jù)東海漁業(yè)調(diào)查資料，開展了漁業(yè)活動(dòng)對(duì)海底管道影響的理論分析和試驗(yàn)研究，重點(diǎn)考慮了圓形網(wǎng)板和桁桿對(duì)海底管道的影響。針對(duì)海底管道的模型試驗(yàn)表明，理論計(jì)算所得的撞擊力、拖越力普遍高于試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果。圓形網(wǎng)板撞擊力與拖越力、桁桿撞擊力與拖越力的水下試驗(yàn)結(jié)果與空氣中的試驗(yàn)結(jié)果基本一致，各作用力均隨拖網(wǎng)速度的增加而增大。隨著管道懸空高度增大，圓形網(wǎng)板產(chǎn)生的撞擊力和拖越力均有所增大，但桁桿的撞擊力和拖越力則不受懸空高度變化的影響。根據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可知，理論計(jì)算對(duì)各作用力的計(jì)算結(jié)果偏大，工程設(shè)計(jì)中使用理論計(jì)算的結(jié)果偏于保守，建議可以根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化。

［1］于春潔，賈 旭，朱偉亮，等.以水下生產(chǎn)設(shè)施為中心的漁船安全作業(yè)范圍［J］.中國(guó)海上油氣，2014，26(6)：93-97.Yu Chunjie，Jia Xu，Zhu Weiliang，et al.A safe operation zone of trawlgear to subsea production system［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26(6)：93-97.

［2］DETNORSKE VERITAS.DNV-RP-F111 Interference between trawl gear and pipelines［S］.DNV，2006.

［3］MELLEM T，SPITEN J，VERLEY R，et al.Trawl board impact on pipelines［C］.OMAE，1996.

［4］VERLEY R L P，MOSHAGEN B H，MOHOLDT N C，et al.Trawl forces on free-spanning pipelines［C］.International Journal of Offshore and Polar Engineering，1991.

［5］朱清澄，崔國(guó)平，曲學(xué)忠，等.小型漁船單拖網(wǎng)網(wǎng)具與圓形網(wǎng)板改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)，1997，4(4)：37-42.Zhu Qingcheng，Cui Guoping，Qu Xuezhong，et al.An experiment on the small otter trawl and the improvementof otter board［J］.Journal of Fishery Sciences of China，1997，4(4)：37-42.