拋錨作業撞擊海底管道的影響分析

劉 歡，馮梅芳，張文海

（1.中國石油冀東油田公司，河北唐山 063200；2.挪威船級社（中國）有限公司，上海 200336）

拋錨作業撞擊海底管道的影響分析

劉 歡1，馮梅芳1，張文海2

（1.中國石油冀東油田公司，河北唐山 063200；2.挪威船級社（中國）有限公司，上海 200336）

拋錨作業可能會撞擊海底管道，對管道的安全運行造成威脅。文章分析了船舶拋錨作業撞擊海底管道的能量、海管壁凹坑吸收的能量和海管保護層吸收的能量的計算方法，并給出了工程計算實例，得出不同錨重、埋深條件下海管的損壞等級，確定了合理的埋深，為海管安全敷設提供必要的參數。

海管；拋錨；撞擊；危害

0 引言

海底管道是海洋油氣資源開發生產系統的重要組成部分，近些年隨著近海石油工業的發展，海底管道也得到了更為廣泛的應用。它是連續的輸送大量油氣最快捷、最經濟、最安全、最高效的方式，具有連續輸送、運油能力大、鋪設工期短、管理方便和操作費用低等優點，但同時也存在檢查維護不方便、一旦出現事故修復困難等缺點。

海底管道不僅受到海洋水文環境和海床運動、海底地形地貌變化的影響，還受到過往船只拋錨所帶來的外界影響。因此，在安裝、運行管理的過程中難免會出現各種損傷和缺陷，如凹坑、刮鑿、擦痕、穿孔、懸空、彎曲及變形等[1-3]。在海底管道受到的各種威脅中，撞擊屬于偶然性載荷破壞，是造成海底管道破壞的主要原因之一。因此，分析海管與拋錨之間的力學關系，計算安全的埋深，就成為保障海底管道安全運行的一項重要的研究內容。

1 海底管道損壞分級劃分

通常情況下，拋錨點與海底管道的距離越遠，錨撞擊管道的概率就越小，管道受到錨撞擊的風險就越小。

1.1 拋錨作業與海底管道可能撞擊的情況

對海底管道有影響的拋錨作業主要有以下幾種：

（1）惡劣天氣條件下，工程船舶發生遛錨或錨鏈發生斷裂。

（2）漁業捕撈用具及拖錨對海底管道的撞擊和拖拉。

（3）各類航行船舶在避讓等緊急情況下采取的拋錨作業。

（4）船員人為操作失誤，導致脫錨。

1.2 管道損壞等級劃分

參照標準DNV RP-F107[4]，視海管的受損程度，損壞可分為三級：

（1）次損壞 （D1）：海管不需要修復，也不會導致泄漏。海管壁上凹坑的最大深度為管徑的5%，通常不會立即影響海管的運行。不過，應該采取檢驗和技術評估的手段，確認海管的結構完整性和通過清管球的能力。

（2）中損壞 （D2）：海管需要修復，但也不會導致泄漏。當海管壁上的凹坑會限制其內部檢驗時，通常需要進行修復 （凹坑的最大深度超過管徑的5%）。不過，修復可以推遲一段時間，再經過結構完整性評定后可以繼續運行。

（3）重損壞 （D3）：發生泄漏。海管壁被砸穿孔或者海管破裂，必須立即停止油氣輸送和進行線路修復，損壞的部分必須修補或替換掉。

2 錨正面撞擊海底管道的能量計算

錨拋入水中并撞擊海管的作用機理是復雜的，它包括許多參數，如錨的形狀、尺寸以及撞擊方向。根據標準DNV RP-F107，基于以下一些假設，計算 “最壞狀態”下錨落水并撞擊海管的能量：

（1）錨是堅硬的，撞擊時不會變形。

（2）錨是直接下落，不旋轉。

（3）海管是靜止的。

（4）撞擊能量轉移至海管的時間很短，且大部分轉移的能量被海管的凹坑所吸收。

（5）撞擊時錨達到了其下落的極限速度。

2.1 錨的沖擊能

錨被拋入水中后下沉，經過一段時間后，達到下沉的極限速度，即：當錨的重力與排出水的體積和流動阻力達到平衡時，錨的下沉速度就是一個常量。錨下沉達到受力平衡時的方程為：

式中m——錨的質量/kg；

V——錨的體積/m3；

ρwater——海水密度/（kg/m3）；

ma——附加的質量/kg，ma=ρwaterCaV；

g——重力加速度/（m/s2）；

A——錨在下沉方向上的投影面積/m2；

vT——錨在水中的極限速度/（m/s）；

Cd，Ca——錨的阻力系數和附加的質量系

數[5]， 分別取1.0和0.6。

2.2 海管保護層能力

2.2.1 混凝土配重保護層

混凝土配重保護層通常能保護海管不受潛在的撞擊損壞。根據Jensen J J的研究[6]，混凝土配重保護層吸收的能量與穿透體積和混凝土壓碎強度有關。混凝土配重保護層受撞擊情況如圖1所示。吸收能量 （kJ）的計算公式為：

式中Y——壓碎強度/MPa，是標準密度混凝土的立方抗壓強度的3倍；

b——錨撞擊面的寬度/m；

h——錨撞擊面的長度/m；

x0——穿透深度/m。

2.2.2 埋深保護層

挖溝并填埋海管在一定程度上可以額外保護海管免受落錨和拖錨的損壞，但作用是有限的，這主要取決于挖溝的深度和撞擊物的尺寸。根據實體試驗，墜落物被砂礫層吸收的能量 （kJ）關系為：

式中γ′——填埋材料的有效單位重力/（kN/m3），

取11 kN/m3；

D——海管的直徑/m；

AP——海管的投影面積/m2；

z——穿透深度/m；

Nq，Nγ——承載系數，通常Nq=99，Nγ=137。

通常自然回填的砂層吸收的能量比砂礫的小很多，其抗撞擊能力是砂礫覆蓋層的2%～10%。

2.3 撞擊能量

由于有混凝土配重保護層和挖溝填埋層的保護，錨撞擊海管的實際能量是：

2.4 海管被撞凹坑的吸收能

撞擊的典型失效模式是在海管壁上形成凹坑或穿孔 （見圖2）。假設刃型載荷垂直作用于海管上，凹坑極深，幾乎貫穿整個橫斷面，則鋼質海底管道吸收能 （kJ）的計算公式為：

式中mp——管壁的塑性彎矩/N·m，mp=1/4σyt2；

σy——屈服應力/MPa；

δ——管的變形凹坑深度/m；

t——海管壁厚/m；

D——海管外徑/m。

泄漏和整體破裂可能性是一個累積的條件概率，撞擊能量增加，此概率也增加。對比E0和E的結果，就能判斷海管受錨撞擊后的損壞情況。

3 工程實例

某海上油田海管鋪設水深為90 m，海管設計參數見表1，依據本文上述建立的錨撞擊海管的計算模型，共選取5種不同大小的無桿錨 （見表2），分別計算該海管在不同埋深條件下受錨撞擊的能量，并判斷海管的損壞情況。

計算結果見表3，可知海管埋深2m以上時能夠防止拋錨對海管造成的損害，實現對海管的有效保護。

表1 海管設計參數

表2 錨的投影面積

表3 海管在不同埋深時保護效果比較

4 結束語

本文參照有關標準，建立了落錨直接正面撞擊海管能量的計算方法和海管損壞情況的判斷方法，有助于確定海管敷設的挖溝埋深及其他有關設計參數。雖然海底管道存在泄漏風險，但可以通過合理的管道路由設計、合理的外層保護和埋深設計、定期檢驗檢測等綜合保護措施來提高海底管道的安全性。

[1]譚箭,李恒志，田博.關于事故性拋錨對海底管線損害的探討[J].船海工程，2008，（1）：142-144.

[2]王再明，米小亮，張超.施工船舶拋錨作業對海底管道的影響研究[J].交通信息與安全，2010,（3）：93-96.

[3]劉學濤，張磊，郭振邦，等.錨泊作業對海底管道撞擊概率的研究[J].石油工程建設，2005，（6）：30-33.

[4]DNV RPF107-2001,Risk Assessment of Pipeline Protection[S].

[5]Katteland L H，Oygarden B.Risk analysis of dropped objects for deep water development[A].Proc.of 14th OMAE[C].Copenhagen：OMAE，1995.443-450.

[6]Jensen J J.Impact Strength of Concrete Coating on Pipeline[R].Trondheim：SINTEF，1978.

Analysis of Impact of Anchoring Job on Submarine Pipeline

LIU Huan（PetroChina Jidong Oilfield Company,Tangshan 063200,China），FENG Mei-fang,ZHANG Wen-hai

Anchoring job may impact submarine pipeline and imperil it.The calculation methods of impact energy to a submarine pipeline during ship anchoring job and the corresponding absorbed energy by pipeline deformation and pipeline protective layer are analyzed.Based on a practical calculation example,the damage grades in the conditions of different anchor weights and pipeline buried depths are obtained,the rational pipeline buried depth is determined.The results offer necessary parameters for safe pipeline laying operation.

submarine pipeline;anchoring;impact;damage

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.006

劉 歡 （1981-），男，四川金堂人，工程師，2004年畢業于西安石油大學石油工程專業，現從事海洋石油作業安全監督管理工作。

2011-11-15