渤海海域岸電工程錨害分析

陳澤光，李東杰，吳奇兵，李文濤

（中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450）

渤海油田是國內(nèi)最大的海上油氣田，是京津冀及國內(nèi)重要的能源生產(chǎn)基地。目前我國海上平臺(tái)主要采用以伴生天然氣或者原油作為燃料的自發(fā)電形式。黨的十九大報(bào)告提出“必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念”，推進(jìn)綠色發(fā)展、能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命。2018年6月，國務(wù)院發(fā)布了“關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)”的意見，提出“打好渤海綜合治理攻堅(jiān)戰(zhàn)”。2018年11月，生態(tài)環(huán)境部、發(fā)展改革委、自然資源部三部委聯(lián)合印發(fā)了《渤海綜合治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》，確定開展陸源污染治理行動(dòng)、海域污染治理行動(dòng)、生態(tài)保護(hù)修復(fù)行動(dòng)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防范行動(dòng)等四大攻堅(jiān)行動(dòng)。為響應(yīng)國家綠色發(fā)展和環(huán)境治理的相關(guān)戰(zhàn)略計(jì)劃和政策，加快渤海地區(qū)海上油田現(xiàn)有生產(chǎn)用電模式的轉(zhuǎn)變，踐行“綠色低碳”開發(fā)理念，中國海油提出利用陸地大電網(wǎng)為海上油田生產(chǎn)供電的方案（簡(jiǎn)稱 “岸電”），通過岸電替代油田自發(fā)電方式，大幅削減海上溫室氣體和污染氣體的排放量，是中國海油實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展與綠色發(fā)展的良好實(shí)踐。

隨著渤海灣岸電海纜線路數(shù)量的不斷增加，船錨鉤掛而造成的海纜損壞風(fēng)險(xiǎn)越發(fā)嚴(yán)重。據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類活動(dòng)造成 70%以上的海纜故障，而其中三分之一是錨害，IEEE 海纜鋪設(shè)規(guī)范也把錨害列為人為損壞之首[1-2]。因此，為保障渤海區(qū)域海洋石油開發(fā)生產(chǎn)和岸電高壓海纜安全、平穩(wěn)運(yùn)行，特開展渤海區(qū)域岸電高壓海纜錨害分析研究，為高壓海纜的安全運(yùn)行和風(fēng)險(xiǎn)管控提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 錨害分析方法概述

1.1 拋錨作業(yè)對(duì)海纜的撞擊概率

錨落入水中后會(huì)發(fā)生漂移現(xiàn)象， 以錨的落水點(diǎn)為圓心，將海底區(qū)域劃分為相同步長(zhǎng)的圓環(huán)，錨的撞擊概率示意圖見圖1。

圖1 錨的撞擊概率示意圖Fig. 1 Schematic diagram of anchor impact probability

假設(shè)錨在海底的觸底點(diǎn)與落水點(diǎn)垂直投影之間的距離小于圓環(huán)半徑，錨著陸在以墜落點(diǎn)的垂直投影為圓心，錨的撞擊概率P，用公式表示為[3]：

式中：r為圓環(huán)半徑，m。

撞擊條件概率會(huì)受到偏移角度和實(shí)際海水深度的影響。每一圓環(huán)內(nèi)的撞擊條件概率Phit,r由以下公式求得：

式中：P(ri≤x≤r0)為 錨掉落在半徑ri與r0之間圓環(huán)內(nèi)的撞擊概率；P(x≤r0)為 錨觸底在半徑為r0的圓內(nèi)的撞擊概率；P(x≤ri)為 錨觸底在半徑為ri的圓內(nèi)的撞擊概率；ri為 內(nèi)圓半徑，m；r0為外圓半徑，m。

式中：Ar為相應(yīng)環(huán)形區(qū)域的面積，m2。

拋錨作業(yè)對(duì)于海纜的撞擊概率是用各個(gè)圓環(huán)內(nèi)的單位面積撞擊概率乘以各個(gè)圓環(huán)內(nèi)的海底電纜的可能撞擊面積：

式中：Phit,sl,r為海底電纜在每一圓環(huán)內(nèi)受到撞擊損害的概率；為每個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)單位面積的撞擊概率，m-2；Lsl為每個(gè)圓環(huán)內(nèi)海纜的長(zhǎng)度，m；D為海纜的直徑，m；B為貓爪方向與電纜走向平行時(shí)錨的寬度，m。

錨觸底后對(duì)海纜的總撞擊概率Panchor可由下式求得[4]：

式中：mi為以入水點(diǎn)的垂直投影為圓心、以10 m 半徑所分圓環(huán)的數(shù)量。

1.2 錨的貫入深度

（1）落錨貫入深度計(jì)算

一般情況下，隨著船舶噸位的增大，錨重相應(yīng)增大，拋錨后沉入水底的深度也隨之增大。由行業(yè)內(nèi)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)公式，得到投錨入水深度Y隨錨重X變化的關(guān)系[5]為：

（2）拖錨貫入深度計(jì)算

設(shè)錨爪長(zhǎng)度為OC=h，錨爪展開角度為θ(取最大值，θ≈ 40°)，錨冠厚度為OD=h1，錨入土深度為D，船舶拋錨后，在以下不同情況下錨入土的深度[6]：

錨爪全部沒入海床：

錨冠全部沒入海床：

1.3 海纜錨害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

通過劃分海纜路由錨害風(fēng)險(xiǎn)可能性等級(jí)和錨害后果等級(jí)，利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法，確定海纜路由錨害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[7-9]。

（1）錨害風(fēng)險(xiǎn)可能性等級(jí)劃分

參考國際大電網(wǎng)組織技術(shù)報(bào)告（CIGRE TB 398）中提出的海底電纜故障頻率，結(jié)合渤海區(qū)域岸電高壓海纜工程實(shí)際對(duì)海纜路由錨害風(fēng)險(xiǎn)可能性等級(jí)進(jìn)行劃分（表1）。

表1 海纜路由錨害風(fēng)險(xiǎn)可能性等級(jí)劃分Table 1 Classification of risk possible grades of sea cable routing anchor damage

（2）錨害后果等級(jí)劃分

結(jié)合渤海區(qū)域岸電高壓海纜錨害（落錨和拖錨）破壞程度、事故造成的海纜系統(tǒng)的生產(chǎn)損失等因素綜合確定海纜路由錨害后果等級(jí)（表2）。

表2 海纜路由錨害后果等級(jí)劃分Table 2 Classification of sea cable routing anchor consequences

（3）海纜錨害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法進(jìn)行海纜錨害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分。將海纜錨害風(fēng)險(xiǎn)可能性等級(jí)和海纜錨害后果等級(jí)置于二維矩陣中得到風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分矩陣，其中X軸描繪后果，Y軸描繪可能性，從而確定海纜錨害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[10]，即：

矩陣形式見表3，風(fēng)險(xiǎn)（R）描述及等級(jí)劃分見表4。

表3 海纜錨害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣Table 3 Sea cable anchor damage risk grade matrix

表4 海纜錨害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分Table 4 Classification of sea cable anchor damage risk grades

2 渤海海域高壓海纜錨害分析

以渤海地區(qū)河北區(qū)域岸電工程為例進(jìn)行錨害分析，本工程位于河北唐山市東南海域，又稱秦皇島32-6、曹妃甸11-1油田群岸電應(yīng)用工程 （圖2）。包含三段路由，分別為曹妃甸登陸點(diǎn)至CFD 油田海上變電站平臺(tái)路由、樂亭登陸點(diǎn)至QHD32-6 油田海上變電站平臺(tái)路由和CFD 油田變電站平臺(tái)至 QHD32-6 油田變電站平臺(tái)路由。選取該工程CFD 油田變電站平臺(tái)至 QHD32-6 油田變電站平臺(tái)路由段進(jìn)行錨害分析計(jì)算。

2.1 錨害撞擊概率分析

選取250 000 t運(yùn)輸?shù)V船作為撞擊概率計(jì)算示例。錨重為17.8 t，京唐港25萬噸規(guī)劃航道水深26 m，錨偏移角2°，故該船錨在掉落過程中的側(cè)向偏差為：

圖2 本工程位置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the project location

此運(yùn)輸?shù)V船觸底的錨若掉落點(diǎn)在海纜經(jīng)過區(qū)域第一個(gè)10 m范圍內(nèi)的圓的撞擊平均條件概率為：

故250 000 t的運(yùn)輸?shù)V船的錨掉落在其余圓環(huán)內(nèi)的撞擊平均條件概率為0。此錨掉落于該圓形范圍內(nèi)的單位（m-2）撞擊概率為：

在其余環(huán)內(nèi)的撞擊概率均為0，每個(gè)圓環(huán)內(nèi)，海纜長(zhǎng)度為20 m；海纜直徑由工程數(shù)據(jù)可得為0.25 m，250 000 t船舶錨的寬度為2.869 m，則落錨在第一個(gè)10 m圓內(nèi)撞擊海纜的概率為：

同理可得，CFD 油田變電站平臺(tái)至 QHD32-6油田變電站平臺(tái)路由段其他船舶類型的總撞擊概率見表5。

表5 不同船型船錨與海纜的總撞擊概率Table 5 Total impact probability of anchor and cable of different ship types

由計(jì)算結(jié)果可得，在CFD11-1CEPJ至QHD32-6岸電路由段，不同船舶落錨時(shí)，其落錨撞擊點(diǎn)均位于落錨垂直投影點(diǎn)10 m范圍之內(nèi)，且撞擊概率隨著船舶載重的增大而增大。CFD11-1CEPJ至QHD32-6岸電互聯(lián)路由區(qū)域排水量大于5 000 t的船舶的錨掉落在10 m范圍圓環(huán)外的撞擊平均條件概率為0，10 m圓環(huán)內(nèi)的撞擊概率最大為0.198 （排水量25萬噸）。排水量小于5 000 t的拖船、小型客輪的最大落錨撞擊范圍為距落錨點(diǎn)垂直投影40 m，總撞擊概率為100 t拖船0.064，小型客輪為0.092 7（排水量3 000 t）。

2.2 錨貫入量分析

（1）落錨貫入深度

當(dāng)海底電纜受到撞擊時(shí)，其受到的傷害程度主要取決于掉落物體的能量和保護(hù)層所能吸收的能量之差。一般情況下，隨著船舶噸位的增大，錨重相應(yīng)增大，拋錨后沉入水底的深度也隨之增大。由地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)可知河北區(qū)域三段岸電路由地質(zhì)為多為淤泥、細(xì)砂質(zhì)（4 m范圍以內(nèi)），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（6），計(jì)算得到代表船型不同錨重下貫入深度（表6）。

表6 代表船型錨重貫入深度Table 6 Anchor penetration depth of represents ships

由《秦皇島32-6、曹妃甸11-1油田群岸電應(yīng)用工程基本設(shè)計(jì)文件》可得，CFD11-1CEPJ至QHD32-6CEPJ互聯(lián)路由段航道穿越區(qū)域設(shè)計(jì)埋深為4 m。海纜均采用回填及其他保護(hù)措施。由計(jì)算結(jié)果分析可得，在不考慮海纜埋設(shè)保護(hù)情況下，CFD11-1CEPJ至QHD32-6CEPJ互聯(lián)路由區(qū)域，目前交叉航道最大通航條件為200 000 t，現(xiàn)通航條件下，船舶落錨時(shí)，船錨貫入深度小于海纜埋深深度，考慮到最大設(shè)計(jì)通航條件（250 000 t），250 000 t運(yùn)輸?shù)V船落錨貫入深度大于海纜設(shè)計(jì)埋深，為4.38 m。

（2）拖錨貫入深度

根據(jù)式（7）和式（8）計(jì)算得到不同船型拖錨時(shí)僅錨爪沒入海床和錨冠全部沒入海床兩種情況下的貫入深度（表7）。

不考慮海纜埋設(shè)保護(hù)情況下，由拖錨貫入深度計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)發(fā)生拖錨時(shí)，若僅錨爪沒入海底，則載重100 t拖船、小型漁船錨貫入深入為0.46 m，400 000 t“BERGEACONCAGUA”號(hào)拖錨貫入深度為1.73 m。與河北區(qū)域岸電項(xiàng)目海纜設(shè)計(jì)埋深對(duì)比，在船舶拖錨時(shí)，僅錨爪沒入海底時(shí)，船錨貫入深度均小于海纜設(shè)計(jì)埋深。

當(dāng)發(fā)生拖錨時(shí)，若錨冠完全沒入海底，則載重100 t拖船、小型漁船錨貫入深入為0.71 m，400 000 t “BERGEACONCAGUA” 號(hào)拖錨貫入深度為3.74 m。與河北區(qū)域岸電項(xiàng)目海纜設(shè)計(jì)埋深對(duì)比，在船舶拖錨時(shí)，船舶錨冠完全沒入海底時(shí)，船錨貫入深度均小于海纜設(shè)計(jì)埋深。

2.3 錨害風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)以上海纜錨害計(jì)算結(jié)果，結(jié)合海纜路由保護(hù)措施，利用海纜錨害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法，對(duì)河北區(qū)域岸電工程CFD11-1CEPJ至QHD32-6CEPJ互聯(lián)路由段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)，結(jié)果見表8。

在采取砂礫覆蓋、拋石覆蓋、人工回填碎石和毛石、覆蓋水泥壓塊等保護(hù)措施后，河北區(qū)域岸電高壓海纜各錨害風(fēng)險(xiǎn)均為低風(fēng)險(xiǎn)。

表7 拖錨時(shí)錨爪全部沒入海床貫入深度Table 7 When towing, penetration depth with all the anchor claws are sunk into the seabed

續(xù)表 7

表8 CFD11-1CEPJ至QHD32-6互聯(lián)路由海纜錨害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)表Table 8 Risk classification table of cable anchor damage in CFD11-1CEPJ to QHD32-6 interconnection routes

3 安全對(duì)策措施及建議

3.1 岸電海纜監(jiān)測(cè)

建立渤海區(qū)域岸電項(xiàng)目海纜綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過開閉站實(shí)行海纜的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過對(duì)海纜溫度、擾動(dòng)、埋深、AIS等運(yùn)行信息的在線監(jiān)測(cè)、實(shí)現(xiàn)對(duì)海纜的綜合監(jiān)護(hù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控海纜可能遭受的危害事件；對(duì)于突發(fā)的危害事件進(jìn)行事先報(bào)警及定位，協(xié)助相關(guān)人員及時(shí)、準(zhǔn)確地保護(hù)海纜，消除安全隱患最大限度地提高海纜的運(yùn)行效率；同時(shí)海事船只信息系統(tǒng)能記錄事件的時(shí)間及肇事船只，為將來事故追查提供便利。

3.2 岸電海纜巡查

渤海岸電海纜涉及的范圍較廣，海纜巡查可以多種方式相結(jié)合：陸岸人員巡檢+路由船的復(fù)查+潛水探查+無人機(jī)的巡查等方式組合進(jìn)行。

（1）登陸段應(yīng)進(jìn)行定期巡視，周期為每周一次。定期巡視一般安排在潮位最低時(shí)進(jìn)行。海纜登陸段有異常時(shí)，應(yīng)每天巡視一次。

（2）中間海域應(yīng)重點(diǎn)檢查海床面地形起伏情況與堆石防護(hù)層厚度、海底路由線的海纜地質(zhì)是否嚴(yán)重沖埋及能否埋設(shè)到所需深度、是否存在妨礙埋設(shè)施工的海底障礙物。

（3）潛水探查：潛水探摸目視檢查對(duì)部分裸露和石油平臺(tái)附近的海底電纜狀況進(jìn)行巡查。

（4）船舶巡查：利用守護(hù)平臺(tái)之間的拖輪或船舶對(duì)平臺(tái)之間及平臺(tái)周邊區(qū)域的海底電纜路由進(jìn)行日常巡查，檢查漁船、工程船及商船異常拋錨情況。

（5）無人機(jī)檢查：針對(duì)陸岸到平臺(tái)之間的海洋可以采用無人機(jī)巡檢方式對(duì)海底電纜進(jìn)行檢查、異常情況拍照。

3.3 海纜運(yùn)行管理

（1）在AIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上深入研究，開發(fā)基于AIS的海纜運(yùn)維預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠通過監(jiān)控在海纜安全區(qū)內(nèi)船只的AIS信號(hào)，對(duì)海纜保護(hù)區(qū)內(nèi)船只航速減慢到告警值或停航的情況立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，監(jiān)控人員通過高頻廣播向船只發(fā)送警報(bào)，同時(shí)利用政企聯(lián)動(dòng)機(jī)制，通知海事部門驅(qū)離危險(xiǎn)船只，保障海纜安全。

（2）岸電管理部門可以利用通信公司對(duì)進(jìn)入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的海纜路由周邊拋錨區(qū)、靠泊區(qū)等區(qū)域的移動(dòng)終端用戶發(fā)出提示短信。通過智能提醒，降低沒有安裝AIS系統(tǒng)或已關(guān)閉AIS系統(tǒng)的小型船舶損傷海纜的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）岸電管理部門應(yīng)與港口對(duì)接，建立港企協(xié)同工作機(jī)制。由供電部門牽頭，港口方配合，向靠泊的大型船舶宣傳岸電海纜保護(hù)要求，重點(diǎn)向靠泊船舶講解跨越航道的線路路由、海事部門劃定的錨地、海纜保護(hù)信號(hào)等知識(shí)，強(qiáng)化船員海纜保護(hù)意識(shí)。