懸跨海底管道安全評估和風險分級

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

懸跨海底管道安全評估和風險分級

王巍巍

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

為確定不同程度懸跨海底管道的安全性，以避免渦激共振為控制條件對不同振動方向和不同邊界條件下海底管道懸跨臨界長度計算方法進行分析，發現懸跨海底管道的安全長度與約化速度和邊界條件具有正相關性；提出以不同條件下得出的臨界懸跨長度值作為分級依據的懸跨海底管道風險分級方法,案例分析結果表明，該方法可識別出亟需治理的懸跨段，使有限的資源得到最優的分配。

懸跨；海底管道；風險分級；臨界長度；約化速度；渦激共振

隨著國際社會對海洋環境的日益重視，海洋油氣設施的安全性評估[1]技術愈發受到國內外專業技術人員的關注，海底油氣管道作為海洋工程的重要結構設施，是海洋油氣開發的重要生命線。海底管道的安全關系著油氣開發的進程，關乎著人類乃至生命賴以生存的海洋環境的健康。海底管道所處海洋環境極其惡劣，不可避免的要承受海浪流的沖刷，造成海底管道的懸跨裸露，當懸跨長度超過一定數值可能會發生渦激共振，進而造成疲勞[2]破壞，影響管道安全運行[3]。傳統的做法是分析海底管道懸跨的允許長度值，只要超過這個值就進行填埋等處理。由于該允許值在最終選擇時較保守，這樣一刀切的處理方式一定程度上造成了維護資源的浪費，從海底管道完整性管理的角度考慮，要求有限的維護資源必須應用到風險較高的地方，因此應該對不同程度的懸跨管段進行風險分級，既要識別出低風險不需要治理的懸跨段，也要識別出風險較高需要優先治理的懸跨管段，使有限的維護資源得到合理的分配。

1 懸跨海底管道安全長度計算

目前對于海底管道臨界懸跨長度，無論是在工程設計階段還是在后期調查治理階段，都偏重于采納動態懸跨臨界值[4]作為設計和后續處理的依據，因為動態懸跨引起的渦激振動[5]是懸跨海底管道的主要失效模式，該種失效的破壞性更強，后果更嚴重。動態懸跨計算[6]的依據目前主要有2個規范，分別是DNV1981《submarine pipeline system》和DNV RP F105 《free spanning pipelines》[7]。海底管道懸跨段在海底會受到波流的沖擊作用，在管道的周圍產生漩渦，引起管道的振動，當漩渦泄放的頻率接近管道的固有自振頻率時，會產生共振，叫做渦激振動，進而導致管道疲勞破壞或斷裂，因此海底管道需要控制懸跨長度[8-9]來避免渦激振動對管道造成的損傷。

海底管道的渦激振動有2個方向，一個是與來流速度平行的同向振動，另一個是與來流速度垂直的垂向振動，2個振動的發生與約化速度相關，因此在DNV RP F105規范中，定義了約化速度VR。

(1)

式中：fn為管跨固有頻率，

(2)

其他參數詳見DNV RP F105；并指出避免渦激共振可以通過控制約化速度來實現。當約化速度VR小于臨界約化速度VR,onset時，可以避免產生共振破壞。依振動方向不同，臨界約化速度有2個取值，一個是同向振動臨界約化速度，如式(3) 所示，另一個是垂向振動臨界約化速度，如式(4) 所示。式中所有參數的計算和取值參考DNV RP F105。

(3)

(4)

2 懸跨海底管道風險分級

海底管道在運行過程中，一般情況下每3—5年會進行路由勘察，以識別管道的路由偏移、懸空裸露、錨擊鉤掛損傷等，其中最常見的就是管道不同程度的懸空裸露，懸空管道疲勞[10]損傷風險的幾率大大增加，給管道的安全運行帶來極大的隱患。處理懸跨管段的常用措施就是對超過懸跨臨界長度的懸跨段進行拋砂填埋[11-12]，消除懸跨損傷的風險。目前業內對臨界懸跨長度的計算多從避免渦激共振的角度來確定，該方法計算結果受不同的振動方向和不同的邊界條件影響。

2.1 不同振動方向的影響

當水體作規則或不規則流經管跨時，由于渦旋尾流分離在管跨周圍形成變化的壓力場并最終作用在管跨上。管跨上的壓力可以看成由一個平行于來流方向和一個垂直來流方向上的力。平行于來流方向上的力稱為拖曳力。在海流速度變化情況下，與波浪類似，由于加速度的存在，還會產生慣性力。他們將可能引起管跨的同向振動；垂直于來流方向上的力稱為舉升力，它將引起管跨的周期性垂向振動。在管跨實際振動當中，這2個方向的振動是同時發生的。管跨的振動就是同向振動和垂向振動的合成，如圖1所示，其中X

圖1 管跨截面振動示意

代表同向振動，Y代表垂向振動。

2.2 不同邊界條件的影響

實際情況下，懸跨海底管道2端約束往往處于鉸支與固支之間，且經過海水的長期沖刷，其約束情況也會發生改變，因此在進行臨界懸跨長度分析時，既要考慮鉸支約束，又要考慮固支約束，分別計算不同約束情況下的臨界懸跨長度。從式(2)可見，懸跨長度與邊界條件C1是正相關的關系，即Leff∝C1，則C1越小，求得的懸跨長度越小。從鉸支和固支的邊界參數取值可知，鉸支情況下的管道的臨界跨長比固支情況小，約為固支情況下的2/3。通常在工程治理中，從安全角度考慮都是選擇鉸支約束下的臨界懸跨長度作為治理填埋的參考長度。

2.3 風險分級

結合不同的邊界條件和不同的振動方向，可計算得到4個懸跨臨界長度，其中鉸支邊界條件下的同向振動求得的懸跨長度最小，固支邊界條件下的垂向振動求得的懸跨長度最大。對不同的懸跨長度進行風險分級，分級的依據就是不同邊界條件和不同振動方向下得到的不同懸跨長度值，詳細分級方法見表 1。

表1 懸跨風險分級

通過對懸跨管段進行風險分級，使得有限的治理資源能得到合理的分配，實現成本和成效的最優配比。

3 案例分析

3.1 案例信息

渤海某海底管道基本參數見表2。2015年水下勘測發現在里程19～21 km范圍內發現懸跨段18處，懸跨總長度約507 m，最大懸跨長度65.3 m，最小懸跨長度5.8 m，見表3。

表2 海管基本信息參數

表3 某海底管道2015年懸跨調查統計表

3.2 懸跨海底管道安全長度計算

計算得出該海管不同振動方向不同邊界條件下的臨界懸跨長度見表4。

表4 懸跨臨界長度計算結果

3.3 懸跨管段風險分級

根據前述懸跨風險分級方法，對該條海底管道2015年外調查的18處長度不等的懸跨管段進行風險分級，見圖2。實際長度小于10 m的為低風險，實際長度大于27 m的為高風險，長度在二者之間的為中風險。

圖2 2015年懸跨風險分布

由圖2可知，18個懸跨段中，有8處長度超過27 m，為高風險，占比達到44%；3處長度小于10 m，為低風險，占比17%；其余7處長度介于10～27 m之間，為中等風險，且中高風險管段占比超過80%，說明該管道的懸跨情況嚴重。對于低風險懸跨段，屬于安全懸跨，暫不處理；對于高風險懸跨，需要立即分配資源進行響應和處理；對于中風險懸跨，若資源不足，需要按懸跨長度從大到小合理分配有限的資源，對于無資源進行處理的中風險懸跨，需要密切監視其發展情況，以便及時作出響應，減緩風險。

4 結論

1)通過對海底管道渦激振動方向、振動固有頻率和邊界條件的分析，可知懸跨臨界長度與邊界條件參數和臨界約化速度都是正相關的關系。

2)從完整性角度的出發，提出海底管道懸跨風險分級的方法，該方法以不同振動方向和不同邊界條件下得到的臨界懸跨長度為依據對懸跨程度進行風險分級，針對不同風險等級的懸跨采取不同的處理措施，使資源分配更加合理科學。

3)案例分析表明，通過風險分級的方法明確了18個懸跨中哪些是不用治理的安全懸跨，哪些是必須治理的危險懸跨，哪些需要視治理資源的情況或治理或監視的，為油氣管道管理者后續響應計劃和措施的制定提供了科學的依據，可以更有效地分配維修維護資源，避免過度治理。

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Safety Assessment and Risk Classes of Free Span Submarine Pipelines

WANGWei-wei

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300451, China)

In order to identify the safety of submarine pipeline with different free span lengths, and avoid the vortex induced vibration, the critical free span calculation method for different vibration directions and different boundary conditions was analyzed. It was found that the free span safety length is positively related to reduced velocity and boundary condition. A free span pipeline risk classification method based on the critical free span lengths with different conditions was proposed and applied in a case, the results showed that this method can identify the most dangerous free spans, and optimally distributing the limited resources.

free span; submarine pipeline; risk classes; critical length; reduced velocity; vortex induced vibration

P756.2

A

1671-7953(2017)05-0115-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.030

2016-11-08

修回日期：2016-11-28

中國海洋石油總公司科技項目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 05 GC 00 GC 2014-02)

王巍巍(1983—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋工程結構設計、評估及海洋工程設備、設施完整性管理