社會環(huán)境因素對海底管道埋設深度的影響

趙冬巖 王 琮 羅 超 王鳳云

(海洋石油工程股份有限公司)

社會環(huán)境因素對海底管道埋設深度的影響

趙冬巖 王 琮 羅 超 王鳳云

(海洋石油工程股份有限公司)

影響海底管道埋設深度的社會環(huán)境因素主要有漁業(yè)活動和航運活動。在比較國內(nèi)外有關海底管道埋設深度的法規(guī)、規(guī)范的基礎上,以我國在役的6條海底管道為例,通過計算分析了拖網(wǎng)撞擊和錨撞擊對海底管道的影響;并結合我國海域船舶及在役海底管道狀況提出了管道埋設深度推薦方案,可為今后我國海域海底管道埋設深度研究及相關法律、規(guī)范的制定提供技術參考。

社會環(huán)境因素 海底管道 埋設深度 漁業(yè) 航運

海底管道在海洋石油開發(fā)中發(fā)揮著重要的作用。由于工作環(huán)境復雜,海底管道的安全性一直為人們所關注。目前對海底管道安全問題的研究多集中于管道的腐蝕及波流沖刷所導致的失效問題,而對于第三方活動對海底管道安全的影響研究得相對較少。據(jù)有關事故資料分析,社會環(huán)境因素是造成管道失效的三大主要因素之一,而且其所占比例呈逐年上升的趨勢。

20世紀七八十年代國外一些機構就開展了海底管道埋設深度的研究,并發(fā)布了一些指導性文件,對不同海域海底管道的埋設深度作出了相關規(guī)定,比如DNV規(guī)范、ABS規(guī)范、英國法規(guī)、美國聯(lián)邦法規(guī)、ISO標準等。我國在此方面的研究較少,也未頒布相關規(guī)定和標準。在實際工程中,當涉及海底管道穿越航運區(qū)、漁業(yè)區(qū)、自然保護區(qū)及旅游區(qū)等海域時,相關區(qū)域的權益人都會擔心海底管道工程會影響到區(qū)內(nèi)相關利益,因而對海底管道埋設深度提出不切實際的要求,而海底管道建設單位往往因為沒有相應的研究成果及相關法規(guī)可依據(jù),常常會保守處理,從而導致項目成本增大,也影響了工程的實施。因此,有必要對社會環(huán)境因素對海底管道埋設深度的影響問題進行研究,并探討適用于我國情況的海底管道埋設深度的相關規(guī)定。

1 影響海底管道埋設深度的社會環(huán)境因素

影響海底管道安全的社會環(huán)境因素主要有漁業(yè)活動、航運活動等[1],它們均可能對海底管道造成破壞,是海底管道埋設深度設計中必須考慮的因素。

(1)漁業(yè)活動 影響海底管道埋設深度的漁業(yè)活動主要有拖網(wǎng)漁船作業(yè)和漁船拋錨,以及作業(yè)漁船掉落物體。拖網(wǎng)漁船拖網(wǎng)作業(yè)對海底管道埋設深度的影響主要表現(xiàn)為所用拖網(wǎng)板、桁桿或配重塊刮入海底土壤一定深度時造成對管道的撞擊,致使管道局部凹陷或涂層破壞(圖1)。漁船拋錨對海底管道埋設深度的影響主要表現(xiàn)為錨貫入海底土壤一定深度后撞擊管道,造成管道局部凹陷或涂層破壞。

圖1 拖網(wǎng)對海底管道的沖擊示意圖

(2)航運活動 航運活動對海底管道的影響主要表現(xiàn)為船舶偶然性的拋錨與拖錨撞擊管道造成損壞;同樣,航運船只掉落物體也會造成管道損壞。

2 現(xiàn)有法規(guī)、規(guī)范對海底管道埋設深度的規(guī)定

表1列出了挪威船級社、美國船級社及一些國家、地區(qū)或組織關于海底管道埋設深度的法規(guī)、規(guī)范及標準。

表1 關于海底管道埋設深度的法規(guī)、規(guī)范及標準

3 錨擊管道局部變形深度計算模型

錨和落物是影響海底管道安全的主要因素之一,也是影響管道埋設深度的主要因素之一。船舶錨泊作業(yè)中錨沖擊海底管道時,管道吸收的能量主要取決于錨在水中下落的最終速度(vc),該速度可以通過動能定理求得[2]:

式(1)中:m為錨的質量,kg;g為重力加速度,取g =9.81m/s2;ρw為海水密度,取ρw=1 025kg/m3;ρs為錨的密度,取ρs=7 850kg/m3;A為下落時錨的擋水面積,m2;CD為錨的拖曳力系數(shù)。

錨對管道的沖擊動能可表示為

管道混凝土配重層吸收能為[2]

式(3)中:fcw為管道所涂敷混凝土的破壞強度,Pa; V為混凝土配重層的體積,m3。

管道局部變形吸收的能量可由下式計算

管道局部的最終變形深度為[2]

式(5)中:fn為沖擊能的耗散/吸引系數(shù),fn=1.0; mp為等效彈性動量,mp=σyt2/4;Dm為鋼管平均直徑,mm,Dm=D-t;D為鋼管外徑,mm;t為鋼管壁厚,mm。

4 工程實例分析

4.1 拖網(wǎng)撞擊

選取我國在役的6條海底管道(其中管道1和管道2沒有混凝土配重層)分析對比拖網(wǎng)板撞擊對管道的影響,管道主要參數(shù)列于表2。計算中涉及的其它參數(shù)參考有關文獻1)海洋石油工程股份有限公司.社會環(huán)境因素對海底管道影響研究報告.2009.。根據(jù)前述公式可求得管道鋼管吸收能量、最大沖擊力以及鋼管最大永久變形量等(表3)。

表2 我國6條在役海底管道的主要參數(shù)

表3 拖網(wǎng)板撞擊管道計算結果

對表3中計算結果進行分析可知,在受到拖網(wǎng)板撞擊時,有混凝土配重層的管道,其混凝土配重層可以把撞擊所產(chǎn)生的能量完全吸收掉,因此拖網(wǎng)板的撞擊對鋼管不產(chǎn)生任何影響;而無混凝土配重層的管道,鋼管最大的永久變形量為1.41mm,與外徑的比值為0.84%,低于DNV規(guī)范規(guī)定的標準(Hp/D≤0.05η=3.5%),說明其對海底管道造成的破壞較小,變形在可接受范圍內(nèi);然而,根據(jù)計算分析得到的拖網(wǎng)板撞擊海底管道的頻率為91.4次/ (a·km),接近DNV規(guī)范中規(guī)定的鋼管零變形的撞擊頻率100.0次/(a·km)。因此,為保證海底管道的安全,應該對管道進行埋設,以避免拖網(wǎng)板對管道的撞擊。對于有混凝土配重層的管道,拖網(wǎng)板撞擊產(chǎn)生的能量相對較小,不會破壞混凝土配重層,因此對管道不會造成破壞。

4.2 錨撞擊

航運活動中船舶拋錨與拖錨撞擊管道有可能造成管道失效。錨貫入海床的深度與錨的重量、拋錨高度、海水深度、海底土壤類型等因素有關,而錨沖擊海底管道時管道吸收的能量主要取決于錨在水中下落的最終速度。

以質量為3.5t的霍爾錨為例。根據(jù)式(1)及有關參數(shù),可以計算出錨從距離海底1m到10m以及更高的高度自由下落的最終速度(表4)。分析計算結果可知,在自由下落10m左右時錨的下降速度就已經(jīng)接近自由沉降速度,此時錨的受力達到平衡并做勻速直線運動,因此進行計算分析時可直接采用自由沉降速度。

表4 錨下落的最終速度與自由下落高度

我國渤海、黃海、東海、南海等海區(qū)的航運情況差別不大,錨擊概率的大小主要與船舶流量相關。因此,本文以某港口某方向的船舶流量為例,進行了錨擊造成的管道失效概率的計算分析。根據(jù)錨擊墜物失效概率的計算方法[3]可以求出管道各區(qū)域(依據(jù)截面上各點的船舶流量進行區(qū)域劃分)的失效概率,其結果如表5所示。

表5 錨擊造成的管道各區(qū)域失效概率統(tǒng)計表

根據(jù)表5的計算結果可以得出,錨擊管道的發(fā)生概率很低,這說明錨擊管道造成的破壞并不常見。

我國海洋船舶80%以上為萬噸級以下船舶,其船錨質量在1～3t之間,且80%左右的錨為霍爾錨。本計算分析選取3t霍爾錨進行計算,管道參數(shù)見表2,混凝土配重層吸收的能量、鋼管吸收的能量以及鋼管的最大永久變形量等計算結果列于表6。

表6 3 t霍爾錨撞擊管道計算結果

對表6計算結果進行分析可得出,管道在受到3t霍爾錨撞擊時,鋼管的最小永久變形量為36.25 mm,最小變形量與外徑的比值為4.76%,這2個值遠遠超過了DNV規(guī)范規(guī)定的標準[4-5]。因此,為了保證管道安全,需要對管道進行埋設,以避免船錨對管道的撞擊。

5 我國海域海底管道埋設深度推薦方案

根據(jù)上述對比分析和計算分析,綜合考慮我國海洋船舶狀況,以及我國海域海底地質情況、在役海底管道情況和經(jīng)濟性等因素,提出了我國海域海底管道埋設深度推薦方案(見表7)。

表7 我國海域海底管道埋設深度推薦方案(100m水深以內(nèi))

[1] 王茜,趙建平.海底管道第三方破壞失效分析及對策[J].石油化工設備,2007,36(3):18-21.

[2] 粟京.DnV96版《海底管道系統(tǒng)規(guī)范》對沖擊防護的新規(guī)定[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督,1999,15(2):15-17.

[3] YASSERI S F,PRAGER J.Protection of pipelines in shipping lanes:proceedings of the24th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering(OMAE2005)[C]. OMAE2005-67018,2005.

[4] DET NORSKE VERITAS.DNV-RP-F111Interference between trawl gear and pipelines[S].Oslo:DNV,2001.

[5] DET NORSKE VERITAS.DNV-OS-F101Submarine pipeline systems[S].Oslo:DNV,2001.收稿日期:2010-01-26 改回日期:2010-03-05

(編輯:張金棣)

Abstract:Fishery and shipping activities are the main social environmental factors that affect the buried depth of subsea pipeline.Based on the comparison analysis of the related domestic and international regulations and norms for buried depth of subsea pipelines,the collision of trawl and anchor on the6subsea pipelines in service offshore China was analyzed and the suitable solution of subsea pipeline buried depth was proposed according to the status of vessels and the subsea pipelines in China.The proposal provides technical reference to the future study of subsea pipeline buried depth and compilation of relevant laws and regulations for China waters.

Key words:social environmental factors;subsea pipeline;buried depth;fishery;shipping

Social environmental factors impact on the buried depth of subsea pipeline

Zhao Dongyan Wang Cong Luo Chao Wang Fengyun
(Of f shore Oil Engineering Co.Ltd.,CNOOC, Tianjin,300451)

趙冬巖,男,高級工程師,長期從事海底管道研究。地址:天津市塘沽區(qū)丹江路1078號 (郵編:300451)。