考慮漁業(yè)作業(yè)影響的水下WYE保護(hù)罩分析

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(1.中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海 200335;2.中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京100028;3.海洋石油工程股份有限公司,天津300451;4.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)

油氣開發(fā)海域的漁業(yè)作業(yè)可能對水下結(jié)構(gòu)物造成一定破壞，嚴(yán)重時會引起油氣泄漏，導(dǎo)致環(huán)境與經(jīng)濟(jì)損失[1]。據(jù)中國海域海洋石油統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，近10年來，海管、海纜損壞事故不斷發(fā)生，其中漁船破壞8起，外力破壞4起，挖沙船破壞2起[2]。

中國海某氣田群位于某島東部目標(biāo)海域C漁場區(qū)域內(nèi)，最近的漁港是位于某島D漁港。該海域水產(chǎn)資源豐富，是幼魚、幼蝦及海藻繁育、生長和棲息的重要場所。據(jù)初步統(tǒng)計，2010年僅海南省生產(chǎn)漁船在該漁場的捕撈漁獲量占據(jù)該省總漁獲量的40.85%。因此，該水域漁業(yè)資源的變動對鄰近兩省有關(guān)市縣的漁業(yè)生產(chǎn)影響較大。

根據(jù)中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所對該氣田群漁業(yè)資源與漁業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀所進(jìn)行的調(diào)查報告顯示，該氣田群周圍海域是C漁場，是優(yōu)良的漁民作業(yè)漁場和重要經(jīng)濟(jì)魚類產(chǎn)卵場[3]。如果發(fā)生事故性溢油，將會對本海域重要經(jīng)濟(jì)魚類產(chǎn)卵場、魚類資源密集區(qū)和海洋捕撈作業(yè)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成巨大的環(huán)境災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失。

中國海該氣田群開發(fā)工程項目于2015年8月通過投資批準(zhǔn)，開展工程建設(shè)工作。2016年3月，上級部門要求加強(qiáng)該氣田水下采油樹及控制設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施的保護(hù)，并請建設(shè)單位參照惠州26-1北水下設(shè)備、設(shè)施的保護(hù)方法，開展防漁網(wǎng)等外力保護(hù)措施。海油工程項目組應(yīng)建設(shè)單位的要求，對該項目中海油工程公司負(fù)責(zé)的海底管道終端管匯(PLEM)、水下分配單元(SUTU)、水下三通等水下生產(chǎn)設(shè)備的漁網(wǎng)保護(hù)結(jié)構(gòu)以及水下基礎(chǔ)的設(shè)計方案的合理性和可行性進(jìn)行了研究和論證。

基于以上需求，對南海某氣田項目水下Y型三通結(jié)構(gòu)(WYE)，可能造成的破壞及泄漏風(fēng)險進(jìn)行了調(diào)查，分析了漁業(yè)作業(yè)的漁網(wǎng)拖掛載荷及防護(hù)方式，討論了國際成熟規(guī)范(ISO13628-1)對其進(jìn)行保護(hù)設(shè)計分析的適用性，并采用SACS軟件對漁網(wǎng)載荷作用下WYE保護(hù)罩進(jìn)行了在位計算分析及校核[4]。

1 成熟標(biāo)準(zhǔn)的適用性分析

目前，中國海某氣田項目所處海域的漁業(yè)活動、漁船及拖網(wǎng)等數(shù)據(jù)缺失，不能對漁網(wǎng)載荷進(jìn)行較為準(zhǔn)確的判斷；而且國內(nèi)沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可供作為確定漁網(wǎng)載荷的依據(jù)。國際上，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO13628-1(2005)和NORSOK U-001中推薦了作用在水下結(jié)構(gòu)物上的漁網(wǎng)拖掛載荷。

通過研究發(fā)現(xiàn)，ISO13628-1中的漁網(wǎng)載荷源自挪威石油標(biāo)準(zhǔn)化組織的NORSOK U-001，而且NORSOK U-001中漁網(wǎng)載荷的樣本取自挪威北海海域。由于漁船的主機(jī)功率直接影響作用在水下結(jié)構(gòu)物上的漁網(wǎng)載荷，下面通過對比目標(biāo)海域和挪威船舶的主機(jī)功率，對ISO13628-1標(biāo)準(zhǔn)推薦的漁網(wǎng)載荷在中國海該氣田項目中的適用性進(jìn)行研究。

1.1 項目海域漁船分析

出于對海洋漁業(yè)和環(huán)境保護(hù)的考慮，該氣田群工程項目組計劃進(jìn)一步加強(qiáng)該項目海底管道、水下生產(chǎn)設(shè)備等水下關(guān)鍵設(shè)施的保護(hù)與可靠性設(shè)計。該氣田群周邊海域的漁業(yè)作業(yè)船舶拖網(wǎng)設(shè)備和錨噸位等相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，是開展上述工程設(shè)施可靠性設(shè)計的重要輸入數(shù)據(jù)。基于此，項目組對中國該海域的漁業(yè)情況進(jìn)行了初步的調(diào)研。

項目組首先對目標(biāo)海域內(nèi)最重要的漁港——D漁港內(nèi)進(jìn)港漁船的基本情況進(jìn)行了調(diào)研。D漁港內(nèi)進(jìn)港靠泊的船舶主要是在C漁場海域內(nèi)進(jìn)行作業(yè)的漁船[5]。根據(jù)中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)工程研究所提供的數(shù)據(jù)，D漁港進(jìn)港漁船基本情況見表1。

由表1可見，D漁港進(jìn)港漁船數(shù)量最多的是50 HP(37.2 kW)以下功率較小范圍內(nèi)的漁船，其次是中等功率范圍的漁船；大功率的漁船總體所占比率較小。總之，D漁港內(nèi)進(jìn)港漁船以500 HP以下的中小型漁船為主。

對該海域整體的漁業(yè)船舶調(diào)研發(fā)現(xiàn)[6]，中國該海域單拖漁船功率多在183～441 kW(250～600 HP)范圍，網(wǎng)板形式以橢圓型網(wǎng)板和V形網(wǎng)板為主，可以進(jìn)一步說明目標(biāo)海域的漁船主機(jī)功率不超過600 HP。

表1 D漁港進(jìn)港漁船數(shù)量統(tǒng)計表

1.2 挪威漁船數(shù)據(jù)分析

挪威漁業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀代表了世界上最為先進(jìn)的漁業(yè)生產(chǎn)模式[7]。根據(jù)汪劍萍[8]的調(diào)查，在1981年，挪威在200～300 m水深作業(yè)的拖網(wǎng)漁船功率在1 500～2 000 HP。

挪威在1990年實(shí)施IVQ配額制度以后，漁船數(shù)量呈下降趨勢(見表2)，但單個漁船的捕撈能力增強(qiáng)了(見表3)，船舶的單船功率向更高水平發(fā)展[9-10]。挪威2004年建成船長94 m 的拖圍混合漁船，主機(jī)功率6 000 kW；2011年建造柴油電動雙螺桿拖網(wǎng)漁船長約70 m，載重量1 500 t。

表2 挪威實(shí)際作業(yè)漁船數(shù)量統(tǒng)計(1985—2010年)

表3 挪威漁船馬力統(tǒng)計(1990-2010年)[11]

1.3 適用性分析結(jié)論

對比2016年D漁港漁船(見表1)與挪威漁船數(shù)據(jù)(表2與表3)可以看出，目標(biāo)海域的漁船功率明顯小于挪威的漁船功率，說明目標(biāo)海域的漁網(wǎng)拖掛載荷總體上小于挪威海域的漁網(wǎng)拖掛載荷。另外，調(diào)研中沒有統(tǒng)計到近年來挪威漁船的相關(guān)數(shù)據(jù)，因此無法對挪威漁船與目標(biāo)海域漁船進(jìn)行直接對比，但從上文挪威漁船的發(fā)展態(tài)勢來看，挪威的漁船將繼續(xù)沿著降低漁船數(shù)量，提高單船功率的方向發(fā)展，這更進(jìn)一步說明將ISO13628-1規(guī)范推薦的漁網(wǎng)載荷作為中國海該項目水下結(jié)構(gòu)物的設(shè)計載荷是保守的。

2 漁網(wǎng)載荷下WYE保護(hù)罩在位分析及校核

在對國際成熟規(guī)范進(jìn)行適用性分析的基礎(chǔ)上，基于設(shè)計需求與ISO13628-1規(guī)范，采用SACS軟件建立模型，對漁網(wǎng)載荷作用下中國海該項目的WYE保護(hù)罩進(jìn)行了在位計算分析及校核。

2.1 模型建立

中國海某項目WYE模塊與保護(hù)罩SACS三維模型見圖1。WYE模塊帶壓開孔保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，是為了保護(hù)構(gòu)件在運(yùn)行過程中不受漁業(yè)設(shè)備載荷的影響。漁網(wǎng)摩擦與網(wǎng)板拖拉考慮了8個方向的設(shè)計載荷，分別是0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°(各個角度在X-Y平面從X正軸逆時針計起)。計算中偏保守考慮，假定各個方向的每個載荷施加在保護(hù)罩的左、右上角。

圖1 中國海某項目WYE模塊與保護(hù)罩SACS三維模型

漁網(wǎng)摩擦與網(wǎng)板拖拉載荷0°角作用時的受力示意于圖2、3。實(shí)線箭頭代表水平方向的載荷，虛線箭頭則表示與水平向夾角為45°的載荷。其他方向的漁網(wǎng)載荷以同樣類似方式施加在結(jié)構(gòu)上。

圖2 施加在WYE模塊上的漁網(wǎng)摩擦載荷

圖3 施加在WYE模塊上的網(wǎng)板拖拉載荷

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 網(wǎng)板沖擊載荷分析

關(guān)于網(wǎng)板沖擊載荷，在13 kJ沖擊載荷作用下，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)完整性校核。網(wǎng)板局部沖擊載荷校核見表4。從表4可以看出，無論是彎矩、力，還是能量與撓度，塑性相關(guān)物理量都大于彈性對應(yīng)的物理量。

表4 網(wǎng)板局部沖擊校核彈塑性比較

網(wǎng)板局部沖擊校核結(jié)果見表5。從表5中可以看出，總應(yīng)變?yōu)?.41%，小于Norsok N-004中15%的推薦應(yīng)變極限值，滿足設(shè)計要求。

表5 網(wǎng)板局部沖擊校核結(jié)果

2.2.2 構(gòu)件組名義應(yīng)力校核

基于SACS模擬計算結(jié)果，根據(jù)API RP 2A-WSD規(guī)范[12]進(jìn)行所有構(gòu)件名義應(yīng)力UC值的校核。在歸一化校核中，所有應(yīng)力的影響都不應(yīng)該大于1。漁網(wǎng)載荷作用下構(gòu)件組名義應(yīng)力UC值的最大值見表6。從表6可見，在漁網(wǎng)載荷作用下，各構(gòu)件組名義應(yīng)力的最大UC值介于0.09～0.28之間，均小于1，滿足計算設(shè)計要求。

表6 構(gòu)件名義應(yīng)力最大值的校核結(jié)果

2.2.3 節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力校核

結(jié)合SACS計算結(jié)果與API RP 2A-WSD，對漁網(wǎng)載荷作用下節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力校核進(jìn)行分析。漁網(wǎng)載荷作用下WYE模塊的節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力校核結(jié)果見表7，按照構(gòu)造UC值從大到小排列，選取前5個最大的UC值列于表中。從節(jié)點(diǎn)沖剪校核結(jié)果來看，漁網(wǎng)載荷UC值最大為0.235 < 1、構(gòu)造UC值最大為0.900< 1，滿足計算設(shè)計要求。

表7 節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力校核結(jié)果

綜上，結(jié)構(gòu)分析結(jié)果證明目前所設(shè)計的WYE模塊可為在位分析提供足夠的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1)目標(biāo)海域的漁船功率明顯小于挪威的漁船功率，目標(biāo)文昌海域的漁網(wǎng)拖掛載荷總體上小于挪威海域的漁網(wǎng)拖掛載荷。挪威的漁船將繼續(xù)沿著降低漁船數(shù)量，提高單船功率的方向發(fā)展，說明將ISO13628-1規(guī)范推薦的漁網(wǎng)載荷作為中海該項目水下結(jié)構(gòu)物的設(shè)計載荷是合理的。

2)基于中國海某氣田開發(fā)項目的設(shè)計基礎(chǔ)，以SACS模擬計算結(jié)果與API RP2A規(guī)范為校核依據(jù),分析結(jié)果表明，目前該氣田開發(fā)項目中水下WYE結(jié)構(gòu)物的主體結(jié)構(gòu)和漁網(wǎng)保護(hù)罩設(shè)計方案滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,漁網(wǎng)防護(hù)能力滿足規(guī)范要求。

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