FPB-Subsea在海底軟管裸露防護(hù)的應(yīng)用研究

胡春陽(yáng)，李成鋼，姜煥勇

(中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452)

0 引言

裸露或埋深較淺的海底軟管易遭受第三方破壞(如錨擊、漁船拖網(wǎng)沖擊或墜落物體等)，海底軟管受到外力破壞發(fā)生泄漏時(shí)，處理或鋪設(shè)新管都需要巨大費(fèi)用[1-3]。

目前，海底軟管的裸露防護(hù)措施主要有：人工填埋法(包括直接吹掃法、拋石填埋法以及抓斗回填法)、水泥壓塊覆蓋法、仿生水草法以及柔性覆蓋法等[4-7]。張宗峰等針對(duì)裸露或懸空的海底管線的防護(hù)，研究混凝土聯(lián)鎖排的防護(hù)機(jī)理，對(duì)混凝土聯(lián)鎖排+土工布防護(hù)型式進(jìn)行試驗(yàn)研究[8]。朱鵬鵬等分析了海底管道懸空原因，提出了單一的防護(hù)方案具有局限性，不能適應(yīng)復(fù)雜的海底環(huán)境，應(yīng)采用多種防護(hù)方案組合方式[9]。李俊等提出了一種海管懸空裸露局部拋石法防護(hù)技術(shù)，并開(kāi)展了試驗(yàn)及實(shí)踐研究[10]。A. C. G. Pires等介紹并討論了土工合成加強(qiáng)材料在埋地管道保護(hù)中的應(yīng)用，試驗(yàn)結(jié)果表明加強(qiáng)材料的存在能有效地降低傳遞到管道上的垂直應(yīng)力，降低管道應(yīng)變[11]。馬克菲爾防護(hù)墊在中海油海底管道懸空裸露防護(hù)方面得到應(yīng)用，防護(hù)后效果良好，但防護(hù)價(jià)格高[12-13]。

本文從技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)性方面，對(duì)比研究人工填埋法、水泥壓塊覆蓋法、水下柔性防護(hù)毯(FPB-Subsea)覆蓋法以及馬克菲爾防護(hù)墊覆蓋法各自特點(diǎn)，得出最優(yōu)的海底軟管裸露防護(hù)技術(shù)，依據(jù)國(guó)內(nèi)外相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)FPB-Subsea技術(shù)進(jìn)行了具體的理論分析，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范計(jì)算功率為365 kW的拖網(wǎng)漁船拖曳情況下所需FPB-Subsea的最小質(zhì)量，達(dá)到對(duì)海底軟管裸露防護(hù)的目的。

1 防護(hù)方法比選

1.1 人工填埋法

1.1.1 直接吹掃法

直接吹掃法將海底軟管兩側(cè)的泥沙分別吹到海底軟管上方，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底軟管的填埋防護(hù)，該方法的施工進(jìn)度與管溝形狀、埋深和取泥位置密切相關(guān)。

1.1.2 拋石填埋法

拋石填埋法采用浮吊船按單元小區(qū)格分層定量拋投的施工工藝進(jìn)行施工[14]。

1.1.3 抓斗回填法

抓斗回填法采用抓斗從海底軟管附近抓取土壤然后回填。

1.2 水泥壓塊覆蓋法

水泥壓塊覆蓋法是指通過(guò)使用耐腐蝕尼龍繩將水泥壓塊連接成網(wǎng)狀，使用專用投放裝置，將網(wǎng)狀水泥壓塊覆蓋到海底軟管正上方[15]。水泥壓塊覆蓋法示意圖如圖1所示。

圖1 水泥壓塊覆蓋法示意圖

1.3 馬克菲爾防護(hù)墊覆蓋法

馬克菲爾防護(hù)墊由土工布、瀝青混合料、雙絞合鋼絲網(wǎng)面加強(qiáng)筋、吊耳、特殊填料、各類添加劑混合而成。馬克菲爾防護(hù)墊覆蓋法示意圖如圖2所示。

圖2 馬克菲爾防護(hù)墊覆蓋法示意圖

1.4 FPB-Subsea覆蓋法

FPB-Subsea外保護(hù)層為一種非金屬高分子復(fù)合材料，材質(zhì)為高強(qiáng)滌綸，具有一定的抗沖擊性，外保護(hù)層內(nèi)部裝滿沙子水泥，F(xiàn)PB-Subsea吊筋的材料是超高分子量聚乙烯。FPB-Subsea覆蓋法示意圖如圖3所示。

圖3 FPB-Subsea覆蓋法示意圖

1.5 防護(hù)方法比選

人工填埋、水泥壓塊、馬克菲爾防護(hù)墊以及FPB-Subsea防護(hù)方法比選情況如表1所示[16]。

表1 人工填埋、水泥壓塊、馬克菲爾防護(hù)墊與FPB-Subsea防護(hù)方法對(duì)比

2 穩(wěn)定性分析

若海底軟管在海流、波浪和浮力作用下不能保持在海床上的穩(wěn)定性，可以采取提高海底軟管的水下質(zhì)量、錨固、鋪設(shè)壓塊或者在海床上開(kāi)挖溝槽進(jìn)行埋設(shè)等措施提高軟管穩(wěn)定性。本文通過(guò)收集某10英寸(1英寸≈25.4 mm)海底軟管規(guī)格以及所在區(qū)域風(fēng)浪流和土壤參數(shù)等數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行側(cè)向穩(wěn)定性以及垂向穩(wěn)定性分析[17-18]。

2.1 側(cè)向穩(wěn)定性分析

本文采用靜態(tài)分析法對(duì)10英寸海底軟管進(jìn)行側(cè)向穩(wěn)定性分析，靜態(tài)分析法為基于靜態(tài)力學(xué)平衡方程計(jì)算海底軟管穩(wěn)定條件下的最小質(zhì)量。根據(jù)DNV-RP-F109，當(dāng)海底軟管滿足以下條件時(shí)，可以認(rèn)為海底軟管滿足側(cè)向穩(wěn)定性要求[19]：

(1)

(2)

(3)

實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于操作期工況(工況時(shí)間大于12個(gè)月)，載荷組合一般選取10年波+100年流和100年波+10年流。根據(jù)式(1)～式(3)可得10英寸海底軟管側(cè)向穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

表2 10英寸海底軟管側(cè)向穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果

由表2可知，在載荷組合為10年波+100年流情況下，為保證10英寸海底軟管在運(yùn)行時(shí)的橫向穩(wěn)定性，軟管上方配重應(yīng)大于236 kg/m。在載荷組合為100年波+10年流情況下，為保證10英寸海底軟管在運(yùn)行時(shí)的側(cè)向穩(wěn)定性，海底軟管上方配重應(yīng)大于276 kg/m。

2.2 垂向穩(wěn)定性分析

海底軟管垂向穩(wěn)定性分析主要研究海底軟管在垂直于海床方向是否能保持穩(wěn)定狀態(tài)不上浮和有條件的下沉等，需根據(jù)路由區(qū)海床不同土壤特性，判斷海底軟管在垂向的穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于沙質(zhì)海床，因?yàn)樾☆w粒沙土的高浸透性，海底軟管能穩(wěn)定地存在于海床上，只需要校核在沙質(zhì)海床上的海底軟管水下質(zhì)量是否大于海底軟管即可。對(duì)于黏土質(zhì)海床，需要校核海底軟管是否穩(wěn)定，主要包括海底軟管是否上浮及黏土質(zhì)海床能否支撐海底軟管使其沉降數(shù)值滿足要求。

根據(jù)DNV-RP-F109，海底軟管裸露段應(yīng)該檢查其是否可能下沉或者漂浮。下沉應(yīng)考慮最大內(nèi)含物密度，如充水；漂浮應(yīng)考慮最小內(nèi)含物密度，如充空氣或空管。對(duì)于放置在低抗剪強(qiáng)度土壤上的軟管，可能需要考慮土壤應(yīng)力。本文運(yùn)用經(jīng)典土力學(xué)和OTC2277方法分別對(duì)某10英寸海底軟管進(jìn)行垂向穩(wěn)定性分析。

2.2.1 經(jīng)典土力學(xué)方法

為了評(píng)估10英寸海底軟管裸露段的下沉情況，以黏性土壤為例，采用布林奇-漢森(Brinch-Hansen)公式計(jì)算黏性土壤剪切力：

(4)

式中：Fμ為土壤剪切力；c為不擾動(dòng)土壤參數(shù)；Nc為黏性土參數(shù)；γs為海管水下質(zhì)量；d為海管下沉深度；Nq為無(wú)量綱承載力系數(shù)(黏性土取1)；B為海管下沉海床的接觸寬度；Nr為土壤參數(shù)(黏性土取0)。

黏性土壤剪切力公式可以簡(jiǎn)化如下：

Fμ=cNc+γsd

(5)

表3為在10英寸裸露的海底軟管內(nèi)充滿水的情況下，基于經(jīng)典土力學(xué)方法的海底軟管上方不同配重下的下沉情況計(jì)算結(jié)果。

表3 10英寸海底軟管下沉情況計(jì)算結(jié)果1 kg/m

從表3可知，在10英寸海底軟管內(nèi)充滿水的情況下，當(dāng)軟管上方配重大于149 kg/m時(shí)，10英寸海底軟管開(kāi)始下沉，整體陷于海底土壤但會(huì)穩(wěn)定在表層土壤。

2.2.2 OTC2277方法

以黏性土壤為例，基于OTC2277方法，海底軟管在安裝、運(yùn)行和水壓試驗(yàn)條件下的垂向穩(wěn)定性可通過(guò)式(6)進(jìn)行評(píng)估：

(6)

式中：γse為土壤單位重量；RV為單位體積土壤的抗浮性或抗沉性；γpemp為空管包括配重的單位重量；γpfill為充水的海底軟管包括配重的單位重量。

表4為在充滿水情況下基于OTC2277方法的10英寸海底軟管上方不同配重下的下沉情況的計(jì)算結(jié)果。

表4 10英寸海底軟管下沉情況計(jì)算結(jié)果2 kg/m

從表4可知，在10英寸海底軟管內(nèi)充滿水的情況下，當(dāng)海底軟管上方配重大于166 kg/m時(shí)，海底軟管開(kāi)始下沉，整體陷于海底土壤但會(huì)穩(wěn)定在表層土壤。

3 FPB-Subsea抗沖擊能量及選型

3.1 錨和拖網(wǎng)沖擊能量計(jì)算

根據(jù)DNV-RP-F107，撞擊過(guò)程中下落物體的沖擊能量包括物體的沖擊動(dòng)能和附連水能量[20]。物體的沖擊動(dòng)能取決于物體的質(zhì)量和最終速度，而附連水能量取決于附連水質(zhì)量和最終速度。下落物體的沖擊動(dòng)能計(jì)算公式如下：

(7)

式中：ET為沖擊動(dòng)能；m為物體的質(zhì)量；g為重力加速度；CD為阻力系數(shù)(取決于物體的幾何形狀)；A為下落物體的投影面積；ρω為海水的密度(取1 025 kg/m3)；V為物體排開(kāi)海水的體積。

附連水能量計(jì)算公式如下：

(8)

式中：EA為附連水能量；ma為附連水質(zhì)量；vT為速度。

將沖擊動(dòng)能和附連水能量結(jié)合起來(lái)可以得出下落物體的沖擊能量：

(9)

將霍爾錨相關(guān)規(guī)格參數(shù)代入式(9)，可得質(zhì)量為480 kg霍爾錨的動(dòng)能為6 042 J，附連水能量為473 J，沖擊能量為6 515 J。同理，表5分別計(jì)算出了質(zhì)量為450、550、700、950 kg 4種類型漁船拖網(wǎng)的沖擊能量。

表5 漁船拖網(wǎng)沖擊能量

由表5可知，隨著漁船拖網(wǎng)質(zhì)量的增加，沖擊能量也增加，漁船拖網(wǎng)質(zhì)量為950 kg的沖擊能量為4 275 J。同理，根據(jù)規(guī)范DNV-RP-F105計(jì)算，F(xiàn)PB-Subsea的抗沖擊能量為10 000 J左右，F(xiàn)PB-Subsea能滿足480 kg霍爾錨和950 kg漁船拖網(wǎng)的沖擊[21]。

3.2 FPB-Subsea選型

按照某海洋漁業(yè)廳提供的漁船登記基本信息，在其所有登記的41 362艘漁船中，鋼制漁船數(shù)量為4 115艘。在鋼制漁船中，各種類型的漁船統(tǒng)計(jì)情況如表6所示。

表6 各種類型的漁船統(tǒng)計(jì)情況

由表6可以得出，拖網(wǎng)漁船最多，因拖網(wǎng)的作業(yè)特點(diǎn)，對(duì)水下設(shè)施的損傷最大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，功率為365 kW及以下鋼質(zhì)漁船數(shù)量占總鋼制漁船數(shù)量的92.5%[22-23]，所以本文計(jì)算功率為365 kW拖網(wǎng)漁船拖曳下所需的FPB-Subsea的最小質(zhì)量。拖網(wǎng)漁船拖力計(jì)算依據(jù)如下：

(1)1馬力=0.735 kW。

(2)經(jīng)驗(yàn)公式：?jiǎn)挝幌抵狭?130 N/馬力(重力加速度取10 m/s2)。

(3)配重型漁船拖網(wǎng)裝置側(cè)視圖如圖4所示。

圖4 配重型漁船拖網(wǎng)裝置側(cè)視圖

假設(shè)網(wǎng)繩與海床之間的角度為30°，摩擦系數(shù)取0.6，功率為365 kW拖網(wǎng)漁船的系柱托力為64.6 kN，橫向拖力為55.9 kN，F(xiàn)PB-Subsea水中質(zhì)量為9.32 t，F(xiàn)PB-Subsea空氣中質(zhì)量為13.98 t[24]。

為了保證海底軟管穩(wěn)定性以及防止主機(jī)功率為365 kW以下拖網(wǎng)漁船的拖曳，本文將FPB-Subsea設(shè)計(jì)為由11個(gè)沙筒和8根吊筋構(gòu)成，吊筋寬度不小于0.04 m，每個(gè)沙筒長(zhǎng)度為6 m，沙筒直徑至少為0.334 m，沙筒內(nèi)部填充物密度不低于2 400 kg/m3。

4 結(jié)論

本文提出了一種FPB-Subsea海底軟管隱患防護(hù)技術(shù)，對(duì)比研究了人工填埋法、水泥壓塊覆蓋法、FPB-Subsea覆蓋法以及馬克菲爾防護(hù)墊覆蓋法，以10英寸海底軟管為例完成側(cè)向穩(wěn)定性以及垂向穩(wěn)定性分析，通過(guò)計(jì)算480 kg霍爾錨和950 kg拖網(wǎng)漁船的沖擊能量驗(yàn)證FPB-Subsea能否滿足沖擊要求，然后計(jì)算功率為365 kW的拖網(wǎng)漁船拖曳情況下所需FPB-Subsea的最小質(zhì)量，得到了如下結(jié)果：

(1)人工填埋法防護(hù)成本高，對(duì)環(huán)境影響大，需要重新環(huán)評(píng)。水泥壓塊覆蓋法會(huì)對(duì)海底軟管裸露段造成損傷，馬克菲爾防護(hù)墊、FPB-Subsea既能滿足防護(hù)要求，又不會(huì)對(duì)裸露段海底軟管造成損傷，但馬克菲爾防護(hù)墊費(fèi)用較高。

(2)海底軟管裸露在海床上，存在錨擊或漁船拖網(wǎng)沖擊的風(fēng)險(xiǎn)，為保證10英寸海底軟管在運(yùn)行時(shí)的側(cè)向及垂向穩(wěn)定性，海底軟管上方配重應(yīng)大于276 kg/m。

(3)為滿足海底軟管穩(wěn)定性以及要防止主機(jī)功率為365 kW以下的拖網(wǎng)漁船的拖曳，需要FPB-Subsea空氣中質(zhì)量至少為13.98 t，也可根據(jù)實(shí)際需要自由選擇FPB-Subsea的尺寸及質(zhì)量。

(4)FPB-Subsea不僅可以用于海底管道(軟管以及鋼制管道等)裸露段防護(hù)，也可以用于海底電纜裸露段防護(hù)。