懸跨海底管道安全評估和風(fēng)險(xiǎn)分級

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

懸跨海底管道安全評估和風(fēng)險(xiǎn)分級

王巍巍

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

為確定不同程度懸跨海底管道的安全性，以避免渦激共振為控制條件對不同振動(dòng)方向和不同邊界條件下海底管道懸跨臨界長度計(jì)算方法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)懸跨海底管道的安全長度與約化速度和邊界條件具有正相關(guān)性；提出以不同條件下得出的臨界懸跨長度值作為分級依據(jù)的懸跨海底管道風(fēng)險(xiǎn)分級方法,案例分析結(jié)果表明，該方法可識別出亟需治理的懸跨段，使有限的資源得到最優(yōu)的分配。

懸跨；海底管道；風(fēng)險(xiǎn)分級；臨界長度；約化速度；渦激共振

隨著國際社會(huì)對海洋環(huán)境的日益重視，海洋油氣設(shè)施的安全性評估[1]技術(shù)愈發(fā)受到國內(nèi)外專業(yè)技術(shù)人員的關(guān)注，海底油氣管道作為海洋工程的重要結(jié)構(gòu)設(shè)施，是海洋油氣開發(fā)的重要生命線。海底管道的安全關(guān)系著油氣開發(fā)的進(jìn)程，關(guān)乎著人類乃至生命賴以生存的海洋環(huán)境的健康。海底管道所處海洋環(huán)境極其惡劣，不可避免的要承受海浪流的沖刷，造成海底管道的懸跨裸露，當(dāng)懸跨長度超過一定數(shù)值可能會(huì)發(fā)生渦激共振，進(jìn)而造成疲勞[2]破壞，影響管道安全運(yùn)行[3]。傳統(tǒng)的做法是分析海底管道懸跨的允許長度值，只要超過這個(gè)值就進(jìn)行填埋等處理。由于該允許值在最終選擇時(shí)較保守，這樣一刀切的處理方式一定程度上造成了維護(hù)資源的浪費(fèi)，從海底管道完整性管理的角度考慮，要求有限的維護(hù)資源必須應(yīng)用到風(fēng)險(xiǎn)較高的地方，因此應(yīng)該對不同程度的懸跨管段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級，既要識別出低風(fēng)險(xiǎn)不需要治理的懸跨段，也要識別出風(fēng)險(xiǎn)較高需要優(yōu)先治理的懸跨管段，使有限的維護(hù)資源得到合理的分配。

1 懸跨海底管道安全長度計(jì)算

目前對于海底管道臨界懸跨長度，無論是在工程設(shè)計(jì)階段還是在后期調(diào)查治理階段，都偏重于采納動(dòng)態(tài)懸跨臨界值[4]作為設(shè)計(jì)和后續(xù)處理的依據(jù)，因?yàn)閯?dòng)態(tài)懸跨引起的渦激振動(dòng)[5]是懸跨海底管道的主要失效模式，該種失效的破壞性更強(qiáng)，后果更嚴(yán)重。動(dòng)態(tài)懸跨計(jì)算[6]的依據(jù)目前主要有2個(gè)規(guī)范，分別是DNV1981《submarine pipeline system》和DNV RP F105 《free spanning pipelines》[7]。海底管道懸跨段在海底會(huì)受到波流的沖擊作用，在管道的周圍產(chǎn)生漩渦，引起管道的振動(dòng)，當(dāng)漩渦泄放的頻率接近管道的固有自振頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，叫做渦激振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致管道疲勞破壞或斷裂，因此海底管道需要控制懸跨長度[8-9]來避免渦激振動(dòng)對管道造成的損傷。

海底管道的渦激振動(dòng)有2個(gè)方向，一個(gè)是與來流速度平行的同向振動(dòng)，另一個(gè)是與來流速度垂直的垂向振動(dòng)，2個(gè)振動(dòng)的發(fā)生與約化速度相關(guān)，因此在DNV RP F105規(guī)范中，定義了約化速度VR。

(1)

式中：fn為管跨固有頻率，

(2)

其他參數(shù)詳見DNV RP F105；并指出避免渦激共振可以通過控制約化速度來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)約化速度VR小于臨界約化速度VR,onset時(shí)，可以避免產(chǎn)生共振破壞。依振動(dòng)方向不同，臨界約化速度有2個(gè)取值，一個(gè)是同向振動(dòng)臨界約化速度，如式(3) 所示，另一個(gè)是垂向振動(dòng)臨界約化速度，如式(4) 所示。式中所有參數(shù)的計(jì)算和取值參考DNV RP F105。

(3)

(4)

2 懸跨海底管道風(fēng)險(xiǎn)分級

海底管道在運(yùn)行過程中，一般情況下每3—5年會(huì)進(jìn)行路由勘察，以識別管道的路由偏移、懸空裸露、錨擊鉤掛損傷等，其中最常見的就是管道不同程度的懸空裸露，懸空管道疲勞[10]損傷風(fēng)險(xiǎn)的幾率大大增加，給管道的安全運(yùn)行帶來極大的隱患。處理懸跨管段的常用措施就是對超過懸跨臨界長度的懸跨段進(jìn)行拋砂填埋[11-12]，消除懸跨損傷的風(fēng)險(xiǎn)。目前業(yè)內(nèi)對臨界懸跨長度的計(jì)算多從避免渦激共振的角度來確定，該方法計(jì)算結(jié)果受不同的振動(dòng)方向和不同的邊界條件影響。

2.1 不同振動(dòng)方向的影響

當(dāng)水體作規(guī)則或不規(guī)則流經(jīng)管跨時(shí)，由于渦旋尾流分離在管跨周圍形成變化的壓力場并最終作用在管跨上。管跨上的壓力可以看成由一個(gè)平行于來流方向和一個(gè)垂直來流方向上的力。平行于來流方向上的力稱為拖曳力。在海流速度變化情況下，與波浪類似，由于加速度的存在，還會(huì)產(chǎn)生慣性力。他們將可能引起管跨的同向振動(dòng)；垂直于來流方向上的力稱為舉升力，它將引起管跨的周期性垂向振動(dòng)。在管跨實(shí)際振動(dòng)當(dāng)中，這2個(gè)方向的振動(dòng)是同時(shí)發(fā)生的。管跨的振動(dòng)就是同向振動(dòng)和垂向振動(dòng)的合成，如圖1所示，其中X

圖1 管跨截面振動(dòng)示意

代表同向振動(dòng)，Y代表垂向振動(dòng)。

2.2 不同邊界條件的影響

實(shí)際情況下，懸跨海底管道2端約束往往處于鉸支與固支之間，且經(jīng)過海水的長期沖刷，其約束情況也會(huì)發(fā)生改變，因此在進(jìn)行臨界懸跨長度分析時(shí)，既要考慮鉸支約束，又要考慮固支約束，分別計(jì)算不同約束情況下的臨界懸跨長度。從式(2)可見，懸跨長度與邊界條件C1是正相關(guān)的關(guān)系，即Leff∝C1，則C1越小，求得的懸跨長度越小。從鉸支和固支的邊界參數(shù)取值可知，鉸支情況下的管道的臨界跨長比固支情況小，約為固支情況下的2/3。通常在工程治理中，從安全角度考慮都是選擇鉸支約束下的臨界懸跨長度作為治理填埋的參考長度。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)分級

結(jié)合不同的邊界條件和不同的振動(dòng)方向，可計(jì)算得到4個(gè)懸跨臨界長度，其中鉸支邊界條件下的同向振動(dòng)求得的懸跨長度最小，固支邊界條件下的垂向振動(dòng)求得的懸跨長度最大。對不同的懸跨長度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級，分級的依據(jù)就是不同邊界條件和不同振動(dòng)方向下得到的不同懸跨長度值，詳細(xì)分級方法見表 1。

表1 懸跨風(fēng)險(xiǎn)分級

通過對懸跨管段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級，使得有限的治理資源能得到合理的分配，實(shí)現(xiàn)成本和成效的最優(yōu)配比。

3 案例分析

3.1 案例信息

渤海某海底管道基本參數(shù)見表2。2015年水下勘測發(fā)現(xiàn)在里程19～21 km范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)懸跨段18處，懸跨總長度約507 m，最大懸跨長度65.3 m，最小懸跨長度5.8 m，見表3。

表2 海管基本信息參數(shù)

表3 某海底管道2015年懸跨調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

3.2 懸跨海底管道安全長度計(jì)算

計(jì)算得出該海管不同振動(dòng)方向不同邊界條件下的臨界懸跨長度見表4。

表4 懸跨臨界長度計(jì)算結(jié)果

3.3 懸跨管段風(fēng)險(xiǎn)分級

根據(jù)前述懸跨風(fēng)險(xiǎn)分級方法，對該條海底管道2015年外調(diào)查的18處長度不等的懸跨管段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級，見圖2。實(shí)際長度小于10 m的為低風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際長度大于27 m的為高風(fēng)險(xiǎn)，長度在二者之間的為中風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 2015年懸跨風(fēng)險(xiǎn)分布

由圖2可知，18個(gè)懸跨段中，有8處長度超過27 m，為高風(fēng)險(xiǎn)，占比達(dá)到44%；3處長度小于10 m，為低風(fēng)險(xiǎn)，占比17%；其余7處長度介于10～27 m之間，為中等風(fēng)險(xiǎn)，且中高風(fēng)險(xiǎn)管段占比超過80%，說明該管道的懸跨情況嚴(yán)重。對于低風(fēng)險(xiǎn)懸跨段，屬于安全懸跨，暫不處理；對于高風(fēng)險(xiǎn)懸跨，需要立即分配資源進(jìn)行響應(yīng)和處理；對于中風(fēng)險(xiǎn)懸跨，若資源不足，需要按懸跨長度從大到小合理分配有限的資源，對于無資源進(jìn)行處理的中風(fēng)險(xiǎn)懸跨，需要密切監(jiān)視其發(fā)展情況，以便及時(shí)作出響應(yīng)，減緩風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

1)通過對海底管道渦激振動(dòng)方向、振動(dòng)固有頻率和邊界條件的分析，可知懸跨臨界長度與邊界條件參數(shù)和臨界約化速度都是正相關(guān)的關(guān)系。

2)從完整性角度的出發(fā)，提出海底管道懸跨風(fēng)險(xiǎn)分級的方法，該方法以不同振動(dòng)方向和不同邊界條件下得到的臨界懸跨長度為依據(jù)對懸跨程度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級，針對不同風(fēng)險(xiǎn)等級的懸跨采取不同的處理措施，使資源分配更加合理科學(xué)。

3)案例分析表明，通過風(fēng)險(xiǎn)分級的方法明確了18個(gè)懸跨中哪些是不用治理的安全懸跨，哪些是必須治理的危險(xiǎn)懸跨，哪些需要視治理資源的情況或治理或監(jiān)視的，為油氣管道管理者后續(xù)響應(yīng)計(jì)劃和措施的制定提供了科學(xué)的依據(jù)，可以更有效地分配維修維護(hù)資源，避免過度治理。

[1] 王巍巍,周雷,周道成.基于振動(dòng)檢測的海洋平臺結(jié)構(gòu)快速安全評估方法[J].船海工程,2016,45(5):161-165.

[2] WANG James, WANG F Steven, GANG Duan. VIV Analysis of Pipelines under Complex Span Conditions: Deepwater Offshore Specialty Symposium[C]. Harbin: The Deepwater Offshore Science Society,2009.

[3] 任艷榮.彈塑性海床上海底管道的穩(wěn)定性分析[J].船海工程,2013,42(5)：185-189.

[4] 何權(quán).淺議應(yīng)用DNV-RP-F105計(jì)算海底管道允許跨度[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2009，31(4)：374-375.

[5] 李磊巖.海底管道懸跨段動(dòng)力響應(yīng)分析及其實(shí)驗(yàn)研究[D].青島：中國海洋大學(xué)，2004

[6] 董杰,陳學(xué)東,王冰,等.幾種海底管道懸跨臨界長度計(jì)算方法比較[C].第八屆全國壓力容器學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[7] DNV. Free Spanning Pipelines: DNV RP F105[S]. Norway: DNV,2006.

[8] 董麗麗,徐慧,郭振邦.海底管道懸跨長度的計(jì)算[J].中國海上油氣(工程)，2003,15(6)：16-18.

[9] 陳博文,孫麗,谷凡.海底管道最大允許懸跨長度計(jì)算[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2010,30：291-293.

[10] 康莊,李平,宋儒鑫,等.大坡度海底管道懸跨及疲勞分析[J].船海工程,2015,44(6)：96-100.

[11] 唐曉旭,胡國后.海底輸油管道懸跨的綜合治理[J].油氣田地面工程，2011，30(7)：38-39.

[12] 奉虎,王彥紅,王靖.海底管道懸跨處理方法及其適用性分析[J].中國造船，2012，53(增刊2)：74-80.

Safety Assessment and Risk Classes of Free Span Submarine Pipelines

WANGWei-wei

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300451, China)

In order to identify the safety of submarine pipeline with different free span lengths, and avoid the vortex induced vibration, the critical free span calculation method for different vibration directions and different boundary conditions was analyzed. It was found that the free span safety length is positively related to reduced velocity and boundary condition. A free span pipeline risk classification method based on the critical free span lengths with different conditions was proposed and applied in a case, the results showed that this method can identify the most dangerous free spans, and optimally distributing the limited resources.

free span; submarine pipeline; risk classes; critical length; reduced velocity; vortex induced vibration

P756.2

A

1671-7953(2017)05-0115-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.030

2016-11-08

修回日期：2016-11-28

中國海洋石油總公司科技項(xiàng)目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 05 GC 00 GC 2014-02)

王巍巍(1983—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評估及海洋工程設(shè)備、設(shè)施完整性管理