采砂區(qū)海底管道失效風(fēng)險分析及防治

趙百龍 劉美艷 夏新(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

受海域使用權(quán)限制，海底管道需要穿越各種復(fù)雜的海底地貌，在近海區(qū)域不可避免的穿越采砂區(qū)。盡管海底管道在穿越采砂區(qū)鋪設(shè)完成后，會在海底管道兩側(cè)劃定禁采保護區(qū)，但越界非法采砂作業(yè)難以徹底管控和杜絕。據(jù)不完全統(tǒng)計，近十年來國內(nèi)海域至少發(fā)生了3 起由于非法采砂導(dǎo)致的嚴(yán)重海底管道失效事故。另外，采砂區(qū)由于其松散的砂質(zhì)海床，在風(fēng)浪流的影響下，極易造成的海底管道懸空，針對采砂區(qū)的海底管道懸空治理每年都花費巨大。對采砂區(qū)海底管道進(jìn)行風(fēng)險源識別，分析有害因素對海底管道的作用機理，采取行之有效的應(yīng)對措施，對采砂區(qū)海底管道的安全運行至關(guān)重要。

1 采砂區(qū)海底管道風(fēng)險源識別

采砂區(qū)海底管道失效的風(fēng)險源，按影響大小和造成的損失大小進(jìn)行分級，可以分為三級有害因素。

一級風(fēng)險因素為采砂作業(yè)，過度的采砂作業(yè)會導(dǎo)致采砂區(qū)邊坡垮塌，造成非采砂區(qū)泥砂向采砂區(qū)輸移流動，若海底管道保護區(qū)域距離采砂區(qū)邊緣較近，則可能其能在較短的時間內(nèi)，造成海底管道底部海床的破壞，導(dǎo)致起海底管道失效。

另外，越界采砂、盜采等非法采砂作業(yè)，也是影響海底管道安全的重要一類風(fēng)險源。此類風(fēng)險源引發(fā)的事故發(fā)生急促，產(chǎn)生的后果嚴(yán)重。

二級風(fēng)險因素為極端天氣，以臺風(fēng)、風(fēng)暴潮等為主，能夠增強海底擾動作用，會影響海床的形態(tài)、沉積物分布，嚴(yán)重破壞海底管道所在區(qū)域的海底地形地貌及上覆沉積層。

三級風(fēng)險因素為其他影響因素，包括錨害及漁業(yè)作業(yè)、航運、水動力條件變化等，此類風(fēng)險會引起海底沉積物層厚度及分布的變化，造成海底管道上覆保護層有效程度降低。但此類因素由于能量等級較低，引起海床、海底管道變化的能量也較小。

2 不同風(fēng)險源作用機理

2.1 采砂作業(yè)

采砂作業(yè)對海底管道影響主要體現(xiàn)為違規(guī)采砂和采砂造成海床垮塌兩方面。

違規(guī)采砂是指違反采砂規(guī)定進(jìn)行采砂，尤其越界在海底管道保護區(qū)域內(nèi)的非法采砂作業(yè)，是影響海底管道安全運行的最重要的風(fēng)險源，違規(guī)采砂引發(fā)的事故發(fā)生急促，產(chǎn)生的后果嚴(yán)重。

采砂船釋放抓斗式采砂設(shè)備，釋放的抓斗直接落在海底管道上部，可直接造成海底管道變形甚至穿孔，造成大型的泄漏事故。采用大型絞吸或耙吸式采砂設(shè)備，插入海底管道所在區(qū)域海床進(jìn)行采砂作業(yè)，會造成海底管道下部海床基礎(chǔ)發(fā)生沉陷甚至淘空。當(dāng)海底管道的架空或淘空跨度超過允許的范圍時，海流流經(jīng)被淘空的海底管道，引起海底管道周圍產(chǎn)生的渦激振動，海流和海底管道之間的相互作用會加劇管道的振動甚至發(fā)生共振，引起海底管道上覆保護層的破壞，海底管道局部發(fā)生屈曲或損傷，屈曲會導(dǎo)致管道的破壞，示例圖如圖1。

圖1 違規(guī)采砂造成的海底管道損壞

即便在海底管道保護區(qū)域之外的采砂區(qū)采砂，持續(xù)性采砂活動和過渡采砂也會導(dǎo)致采砂區(qū)邊緣的土體坡度發(fā)生變化，由于海底砂質(zhì)沉積物本身具有較好的流動特性，當(dāng)邊坡角度大于坡體沉積物穩(wěn)定角度時，會引起邊坡的垮塌。加之在水動力的作用下，采砂區(qū)邊緣的“削高補低”會進(jìn)一步加強，進(jìn)而加劇邊坡的變化與失穩(wěn)，這種垮塌會逐步蠶食海底管道保護區(qū)，造成海底管道所在海床破壞。

2.2 極端天氣

極端天氣主要指臺風(fēng)和風(fēng)暴潮。近年來，受全球氣候變暖和海平面上升的影響，沿海極端天氣災(zāi)害風(fēng)險顯著增加。

當(dāng)臺風(fēng)和風(fēng)暴潮發(fā)生之時，風(fēng)場和流場相耦合，產(chǎn)生對海底管道具有強烈破壞能力的作用力。同時，這種作用力能改變海底地形地貌，對海底沉積物重新掀起搬運，對海底管道所在區(qū)域具有重要塑造作用。

極端天氣引起強浪、強流所造成的劇烈沖刷，風(fēng)浪、水流與海床三者之間的相互作用。砂質(zhì)海床在三者作用下會發(fā)生淘蝕，海底砂質(zhì)土壤發(fā)生液化，造成海床存在很大的流變性，當(dāng)海底管道鋪設(shè)在這些性質(zhì)不穩(wěn)定海床上時很可能由于海底管道所在海床的塌陷、滑動、沖蝕而發(fā)生強度或變形破壞，進(jìn)而影響海底管道安全[1]。

2.3 其他因素

其他影響海底管道安全運行的風(fēng)險源，主要包括錨泊作業(yè)和漁業(yè)作業(yè)。

錨泊作業(yè)主要包括拋錨和拖錨。拋錨即船錨以一定的速度下落，直接砸中海底管道，造成海底管道泄漏或破壞。在采砂區(qū)海底管道范圍內(nèi)，產(chǎn)生錨害的風(fēng)險源主要來自附近船只拋錨。

研究表明沿海區(qū)域各類船舶拋錨作業(yè)對于海底管道的碰撞損傷風(fēng)險不斷提高，拋錨撞擊海底管道及其上覆土體，是拋錨作業(yè)的主要影響過程。通常情況下，3000t 以下的船舶拋錨對管道產(chǎn)生的影響較小，3000t 以上船舶拋錨，假設(shè)錨位落于管道正上方，錨全部入土后的深度超過管道埋深，瞬間撞擊產(chǎn)生的能量會造成管道損害。但海底管道上敷土具有吸收落錨撞擊能量的作用，而撞擊造成的變形與錨的類型、大小和撞擊速度密切相關(guān)，所以錨的下沉速度越大，抓深越大，則造成海底管道破壞的可能性越大。

拖錨是指船舶拋錨之后，錨在水底拖動時鉤掛住海底管道，將海底管道拖斷或刺穿。對于拖錨路徑上的海底管道，外壁可能會受到破壞，當(dāng)錨的力量足夠使管道發(fā)生側(cè)向移動時，拖曳和掛鉤可導(dǎo)致海底管道發(fā)生側(cè)向位移與局部懸跨增大。拖錨引起的海底管道破壞如圖2。

漁業(yè)作業(yè)是指漁船在海底管道附近進(jìn)行捕魚作業(yè)。漁船拖網(wǎng)對海底管道的影響取決于拖網(wǎng)形狀、重量及速度。海底管道的上覆土等保護層可以提供對漁船拖網(wǎng)的保護。由于在海底管道區(qū)域作業(yè)的漁船為噸位較小的船舶，拖網(wǎng)的強度相對較低，并被設(shè)計成盡量減小勾住海底障礙物，在拖網(wǎng)上也沒有硬點可以導(dǎo)致刺穿上覆土層。此外，管道大部分都進(jìn)行了挖溝及自然回填，因此漁船拖網(wǎng)風(fēng)險基本可忽略。

3 海底管道失效應(yīng)對措施

通過分析有害因素對海底管道的作用機理，針對分析的作用機理，可以采取以下應(yīng)對措施。

(1)針對采砂作業(yè)，應(yīng)當(dāng)加強海底管道的巡護，及時制止采砂區(qū)附近的非法采砂作業(yè)，收集相關(guān)證據(jù)，向當(dāng)?shù)卣⒑Ｊ孪嚓P(guān)部門報告風(fēng)險。積極尋求政府及行政監(jiān)管部門的幫助，請求政府有關(guān)部門加強對海上非法采砂的監(jiān)管，加大對非法采砂行為的打擊力度，杜絕海上非法采砂活動。同時，與采砂政府主管部門積極溝通，加強對采砂企業(yè)管理，避免采砂區(qū)過度開采。尋求自然資源、海事部門支持，擴大海底管道兩側(cè)保護區(qū)。

(2)對于極端天氣因素，海底管道運營單位應(yīng)制定合理的海底管道監(jiān)控掃測計劃，以掃海調(diào)查為基礎(chǔ)，開展動態(tài)監(jiān)測和評估，收集掌握海底管道周邊及采砂區(qū)邊界發(fā)展和演化情況，為風(fēng)險防控提供更多的數(shù)據(jù)支持。對于高危區(qū)域海底管道，增加海底管道內(nèi)外檢測頻次，尤其在惡劣天氣過后，應(yīng)及時進(jìn)行調(diào)查，掌握海底管道和海床地貌最新情況，發(fā)現(xiàn)異常及時進(jìn)行評估和治理。

(3)盡快完善海面監(jiān)視系統(tǒng)作為海底管道安全配套設(shè)施，監(jiān)控往來船舶，尤其針對異常作業(yè)船舶。

(4)盡管制定了應(yīng)對措施，海底管道運行單位依然需要制定專項應(yīng)急搶修預(yù)案。落實突發(fā)情況應(yīng)急處置措施和可動用資源，儲備充足的海底管道應(yīng)急搶修的備件，隨時做好海底管道的應(yīng)急搶修。

圖2 拖錨引起的海底管道破壞

4 結(jié)語

對于穿越采砂區(qū)海底管道，通過對采砂區(qū)海底管道區(qū)域的風(fēng)險源和有害因素進(jìn)行識別，分析風(fēng)險源對海底管道的作用機理，針對性的采取行之有效的應(yīng)對防治措施，可以有效降低采砂區(qū)海底管道的失效風(fēng)險。