采砂區海底管道失效風險分析及防治

趙百龍 劉美艷 夏新(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

受海域使用權限制，海底管道需要穿越各種復雜的海底地貌，在近海區域不可避免的穿越采砂區。盡管海底管道在穿越采砂區鋪設完成后，會在海底管道兩側劃定禁采保護區，但越界非法采砂作業難以徹底管控和杜絕。據不完全統計，近十年來國內海域至少發生了3 起由于非法采砂導致的嚴重海底管道失效事故。另外，采砂區由于其松散的砂質海床，在風浪流的影響下，極易造成的海底管道懸空，針對采砂區的海底管道懸空治理每年都花費巨大。對采砂區海底管道進行風險源識別，分析有害因素對海底管道的作用機理，采取行之有效的應對措施，對采砂區海底管道的安全運行至關重要。

1 采砂區海底管道風險源識別

采砂區海底管道失效的風險源，按影響大小和造成的損失大小進行分級，可以分為三級有害因素。

一級風險因素為采砂作業，過度的采砂作業會導致采砂區邊坡垮塌，造成非采砂區泥砂向采砂區輸移流動，若海底管道保護區域距離采砂區邊緣較近，則可能其能在較短的時間內，造成海底管道底部海床的破壞，導致起海底管道失效。

另外，越界采砂、盜采等非法采砂作業，也是影響海底管道安全的重要一類風險源。此類風險源引發的事故發生急促，產生的后果嚴重。

二級風險因素為極端天氣，以臺風、風暴潮等為主，能夠增強海底擾動作用，會影響海床的形態、沉積物分布，嚴重破壞海底管道所在區域的海底地形地貌及上覆沉積層。

三級風險因素為其他影響因素，包括錨害及漁業作業、航運、水動力條件變化等，此類風險會引起海底沉積物層厚度及分布的變化，造成海底管道上覆保護層有效程度降低。但此類因素由于能量等級較低，引起海床、海底管道變化的能量也較小。

2 不同風險源作用機理

2.1 采砂作業

采砂作業對海底管道影響主要體現為違規采砂和采砂造成海床垮塌兩方面。

違規采砂是指違反采砂規定進行采砂，尤其越界在海底管道保護區域內的非法采砂作業，是影響海底管道安全運行的最重要的風險源，違規采砂引發的事故發生急促，產生的后果嚴重。

采砂船釋放抓斗式采砂設備，釋放的抓斗直接落在海底管道上部，可直接造成海底管道變形甚至穿孔，造成大型的泄漏事故。采用大型絞吸或耙吸式采砂設備，插入海底管道所在區域海床進行采砂作業，會造成海底管道下部海床基礎發生沉陷甚至淘空。當海底管道的架空或淘空跨度超過允許的范圍時，海流流經被淘空的海底管道，引起海底管道周圍產生的渦激振動，海流和海底管道之間的相互作用會加劇管道的振動甚至發生共振，引起海底管道上覆保護層的破壞，海底管道局部發生屈曲或損傷，屈曲會導致管道的破壞，示例圖如圖1。

圖1 違規采砂造成的海底管道損壞

即便在海底管道保護區域之外的采砂區采砂，持續性采砂活動和過渡采砂也會導致采砂區邊緣的土體坡度發生變化，由于海底砂質沉積物本身具有較好的流動特性，當邊坡角度大于坡體沉積物穩定角度時，會引起邊坡的垮塌。加之在水動力的作用下，采砂區邊緣的“削高補低”會進一步加強，進而加劇邊坡的變化與失穩，這種垮塌會逐步蠶食海底管道保護區，造成海底管道所在海床破壞。

2.2 極端天氣

極端天氣主要指臺風和風暴潮。近年來，受全球氣候變暖和海平面上升的影響，沿海極端天氣災害風險顯著增加。

當臺風和風暴潮發生之時，風場和流場相耦合，產生對海底管道具有強烈破壞能力的作用力。同時，這種作用力能改變海底地形地貌，對海底沉積物重新掀起搬運，對海底管道所在區域具有重要塑造作用。

極端天氣引起強浪、強流所造成的劇烈沖刷，風浪、水流與海床三者之間的相互作用。砂質海床在三者作用下會發生淘蝕，海底砂質土壤發生液化，造成海床存在很大的流變性，當海底管道鋪設在這些性質不穩定海床上時很可能由于海底管道所在海床的塌陷、滑動、沖蝕而發生強度或變形破壞，進而影響海底管道安全[1]。

2.3 其他因素

其他影響海底管道安全運行的風險源，主要包括錨泊作業和漁業作業。

錨泊作業主要包括拋錨和拖錨。拋錨即船錨以一定的速度下落，直接砸中海底管道，造成海底管道泄漏或破壞。在采砂區海底管道范圍內，產生錨害的風險源主要來自附近船只拋錨。

研究表明沿海區域各類船舶拋錨作業對于海底管道的碰撞損傷風險不斷提高，拋錨撞擊海底管道及其上覆土體，是拋錨作業的主要影響過程。通常情況下，3000t 以下的船舶拋錨對管道產生的影響較小，3000t 以上船舶拋錨，假設錨位落于管道正上方，錨全部入土后的深度超過管道埋深，瞬間撞擊產生的能量會造成管道損害。但海底管道上敷土具有吸收落錨撞擊能量的作用，而撞擊造成的變形與錨的類型、大小和撞擊速度密切相關，所以錨的下沉速度越大，抓深越大，則造成海底管道破壞的可能性越大。

拖錨是指船舶拋錨之后，錨在水底拖動時鉤掛住海底管道，將海底管道拖斷或刺穿。對于拖錨路徑上的海底管道，外壁可能會受到破壞，當錨的力量足夠使管道發生側向移動時，拖曳和掛鉤可導致海底管道發生側向位移與局部懸跨增大。拖錨引起的海底管道破壞如圖2。

漁業作業是指漁船在海底管道附近進行捕魚作業。漁船拖網對海底管道的影響取決于拖網形狀、重量及速度。海底管道的上覆土等保護層可以提供對漁船拖網的保護。由于在海底管道區域作業的漁船為噸位較小的船舶，拖網的強度相對較低，并被設計成盡量減小勾住海底障礙物，在拖網上也沒有硬點可以導致刺穿上覆土層。此外，管道大部分都進行了挖溝及自然回填，因此漁船拖網風險基本可忽略。

3 海底管道失效應對措施

通過分析有害因素對海底管道的作用機理，針對分析的作用機理，可以采取以下應對措施。

(1)針對采砂作業，應當加強海底管道的巡護，及時制止采砂區附近的非法采砂作業，收集相關證據，向當地政府、海事相關部門報告風險。積極尋求政府及行政監管部門的幫助，請求政府有關部門加強對海上非法采砂的監管，加大對非法采砂行為的打擊力度，杜絕海上非法采砂活動。同時，與采砂政府主管部門積極溝通，加強對采砂企業管理，避免采砂區過度開采。尋求自然資源、海事部門支持，擴大海底管道兩側保護區。

(2)對于極端天氣因素，海底管道運營單位應制定合理的海底管道監控掃測計劃，以掃海調查為基礎，開展動態監測和評估，收集掌握海底管道周邊及采砂區邊界發展和演化情況，為風險防控提供更多的數據支持。對于高危區域海底管道，增加海底管道內外檢測頻次，尤其在惡劣天氣過后，應及時進行調查，掌握海底管道和海床地貌最新情況，發現異常及時進行評估和治理。

(3)盡快完善海面監視系統作為海底管道安全配套設施，監控往來船舶，尤其針對異常作業船舶。

(4)盡管制定了應對措施，海底管道運行單位依然需要制定專項應急搶修預案。落實突發情況應急處置措施和可動用資源，儲備充足的海底管道應急搶修的備件，隨時做好海底管道的應急搶修。

圖2 拖錨引起的海底管道破壞

4 結語

對于穿越采砂區海底管道，通過對采砂區海底管道區域的風險源和有害因素進行識別，分析風險源對海底管道的作用機理，針對性的采取行之有效的應對防治措施，可以有效降低采砂區海底管道的失效風險。