采砂區(qū)海底管道失效風險分析及防治

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

受海域使用權限制，海底管道需要穿越各種復雜的海底地貌，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)鋪設完成后，會在海底管道兩側劃定禁采保護區(qū)，但越界非法采砂作業(yè)難以徹底管控和杜絕。據不完全統(tǒng)計，近十年來國內海域至少發(fā)生了3 起由于非法采砂導致的嚴重海底管道失效事故。另外，采砂區(qū)由于其松散的砂質海床，在風浪流的影響下，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)海底管道進行風險源識別，分析有害因素對海底管道的作用機理，采取行之有效的應對措施，對采砂區(qū)海底管道的安全運行至關重要。

1 采砂區(qū)海底管道風險源識別

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

一級風險因素為采砂作業(yè)，過度的采砂作業(yè)會導致采砂區(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，造成海底管道底部海床的破壞，導致起海底管道失效。

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險源。此類風險源引發(fā)的事故發(fā)生急促，產生的后果嚴重。

二級風險因素為極端天氣，以臺風、風暴潮等為主，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)定進行采砂，尤其越界在海底管道保護區(qū)域內的非法采砂作業(yè)，是影響海底管道安全運行的最重要的風險源，違規(guī)采砂引發(fā)的事故發(fā)生急促，產生的后果嚴重。

采砂船釋放抓斗式采砂設備，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備，插入海底管道所在區(qū)域海床進行采砂作業(yè)，會造成海底管道下部海床基礎發(fā)生沉陷甚至淘空。當海底管道的架空或淘空跨度超過允許的范圍時，海流流經被淘空的海底管道，引起海底管道周圍產生的渦激振動，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致采砂區(qū)邊緣的土體坡度發(fā)生變化，由于海底砂質沉積物本身具有較好的流動特性，當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”會進一步加強，進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和風暴潮。近年來，受全球氣候變暖和海平面上升的影響，沿海極端天氣災害風險顯著增加。

當臺風和風暴潮發(fā)生之時，風場和流場相耦合，產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，風浪、水流與海床三者之間的相互作用。砂質海床在三者作用下會發(fā)生淘蝕，海底砂質土壤發(fā)生液化，造成海床存在很大的流變性，當海底管道鋪設在這些性質不穩(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，產生錨害的風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生的影響較小，3000t 以上船舶拋錨，假設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，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，當錨的力量足夠使管道發(fā)生側向移動時，拖曳和掛鉤可導致海底管道發(fā)生側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行捕魚作業(yè)。漁船拖網對海底管道的影響取決于拖網形狀、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，拖網的強度相對較低，并被設計成盡量減小勾住海底障礙物，在拖網上也沒有硬點可以導致刺穿上覆土層。此外，管道大部分都進行了挖溝及自然回填，因此漁船拖網風險基本可忽略。

3 海底管道失效應對措施

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，可以采取以下應對措施。

(1)針對采砂作業(yè)，應當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)，收集相關證據，向當地政府、海事相關部門報告風險。積極尋求政府及行政監(jiān)管部門的幫助，請求政府有關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，擴大海底管道兩側保護區(qū)。

(2)對于極端天氣因素，海底管道運營單位應制定合理的海底管道監(jiān)控掃測計劃，以掃海調查為基礎，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，為風險防控提供更多的數據支持。對于高危區(qū)域海底管道，增加海底管道內外檢測頻次，尤其在惡劣天氣過后，應及時進行調查，掌握海底管道和海床地貌最新情況，發(fā)現異常及時進行評估和治理。

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

圖2 拖錨引起的海底管道破壞

4 結語

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)域的風險源和有害因素進行識別，分析風險源對海底管道的作用機理，針對性的采取行之有效的應對防治措施，可以有效降低采砂區(qū)海底管道的失效風險。