船舶錨泊作業對海底管道安全風險分析

李海學，朱青春，魏頌珂

1.中海油安全技術服務有限公司，天津 300450

2.必維（天津）安全技術有限公司，天津 300201

3.中國石油集團海洋工程有限公司，北京 102600

據國家統計局數據，2021 年我國原油對外依存度高達72%，天然氣對外依存度達到46%。為了保障我國能源供給和經濟高速發展，近海石油天然氣開采得到了極大的重視，獲得了迅速的發展。海底輸送管道作為最便捷、安全、可靠的輸送方式被首選使用，隨之而來的是產生了海底管道的安全運營與繁忙的船舶運輸之間的矛盾。近年來，國內外相繼發生了多起海底管道受損事故，據事故原因統計，最主要的原因是船舶錨泊作業。主要表現在兩個方面：一是船錨下落直接撞擊海底管道，由于船錨自身重量大，落錨時船錨貫穿海底管道正上方土層，對海底管道產生巨大的沖擊力，造成海底管道結構損傷；二是船錨被拖拽過程中與海底管道相遇，船錨入土深度超過了海底管道的埋深，在船舶強大的動力系統作用下，最終鉤拽拉斷海底管道。

本文基于船舶AIS 數據，采用耦合的歐拉-拉格朗日方法，定量計算船舶落錨、拖錨過程中船錨的入土深度，對落錨擊中渤海灣某海底管道的概率進行分析計算，得出船舶錨泊作業對海底管道破壞的風險，同時從管理方面提出了適用的措施建議。

1 船舶落錨對海底管道的風險分析

本文選取通行船舶較多的某海底管道海床典型點位土壤特性，計算船舶落錨的貫入深度和落錨擊中管道的概率，從而得出船舶落錨對海底管道的總體風險。

1.1 錨貫入深度分析

本文選取該水域通行的中大型船舶常使用的霍爾錨作為計算模型[1-2]，用非線性有限元軟件ABAQUS計算船錨貫入海床的深度。由于海底管道敷設主要采用挖溝深埋的方式，因此船舶落錨撞擊海底管道時，存在海床土體對撞擊能量的吸收、海床土體大變形等一系列復雜問題。

1.1.1 耦合的歐拉-拉格朗日方法

本文采用耦合的歐拉-拉格朗日方法模擬計算[3]，該算法結合了歐拉算法和拉格朗日算法的優點，其采用拉格朗日網格離散結構物，采用歐拉網格離散海底土壤，使其網格固定而允許材料在網格中自由流動，可以較好地分析涉及大變形和材料破壞等問題，特別適用于模擬船錨貫入土壤引起土壤變形的過程。船錨與海底土壤間的接觸面采用拉格朗日域邊界來描述，很好地解決了船錨界面描述與網格大變形問題。這點不同于ALE方法的允許網格運動，通過不斷產生新網格來適應上一步計算得到的變形。ABAQUS軟件采用歐拉體積分數EVF（Eulerian Volume Fraction）來追蹤歐拉材料在網格中的分布狀態，通過指定EVF 的值來表示歐拉單元中充滿材料的比例。EVF=0表示該單元中沒有歐拉材料，EVF=1表示該單元被歐拉材料充滿，如此，歐拉材料的流動即可表征土體的變形與運動。歐拉體參數的施加也可以計算初始時的EVF，通過材料指派來賦值[4-6]。

1.1.2 有限元模型建立[7-8]

選用26 t錨的參數[9]，建立簡化的有限元模型，使用R3D4 單元建立離散的剛體模型[10]，在錨柄上指定參考點，在參考點上賦予錨的質量。

采用八節點歐拉單元EC3D8R 模擬土體，將錨置于EVF=1土體表面，如圖1所示。錨和土體接觸采用通用接觸。

圖1 錨貫入模擬的有限元模型

1.1.3 海底土壤特性

海底土壤具有各向異性、非均質性和非連續性等復雜的性質，因而應力應變關系表現出強烈的黏滯性、非彈性和非線性等復雜的力學特征。土壤受到物體沖擊后，受到的壓力和剪切力均會引起塑性體積變形。查閱地質勘探資料，可知計算點位處的土壤特性參數，如表1所示。

表1 典型點位土壤特性參數

1.1.4 荷載與邊界條件

對模型施加重力場，并對土體進行地應力平衡。設置初始狀態，錨與土體接觸面以下歐拉單元的EVF值為1，接觸面以上EVF值為0。錨鏈孔距離水面20 m，計算得到錨貫入土體初速度為18 m/s，錨的運動通過對錨柄參考點施加初速度實現。對土體模型底面和側面施加速度邊界條件，歐拉邊界采用無反射邊界，近似于無限元邊界。

1.1.5 貫入深度計算結果

第一，B4 點位，錨在貫入過程中，最大貫入深度為1.753 m，最終回彈至1.552 m 深度。第二，B8點位，錨在貫入過程中，最大貫入深度為2.086 m，最終回彈至1.982 m深度。見圖2。

圖2 基于有限元的船錨貫入深度計算模型

通過對海底管道典型點位進行船錨貫入深度計算可知，26 t重船錨貫入該區域海床的深度為1.5～2.0 m。

1.2 船舶落錨擊中海底管道分析

1.2.1 海底管道附近船舶通航情況

通過查詢AIS 船舶軌跡熱力圖，船舶主要航跡不經過該海底管道，但該海底管道上方依然存在一些過往船舶，主要為天津港至蓬萊港的船舶。通過查詢AIS 數據庫，可知2021 年從該海底管道上方通過的船只數為55 800 艘次，其中普通貨船占比達60.2%，漁船占比達21.6%，油輪占比為3.8%，拖輪占比為2.0%，其余為客船、高速船和其他船舶，占比較小。

1.2.2 落錨擊中管道的概率

通常船舶在極端天氣下，失去動力等因素下會進行緊急拋錨，如果剛好在管道上方，就會對管道造成極大的風險。通過查閱大量的文獻資料，發現有關于緊急拋錨頻率的文獻非常稀少，以John Brown統計的30年拋錨頻率數據來看，漁船因為噸位較小，抗風能力差，拋錨頻率最高，占所有船舶拋錨頻率的74.0%，而且捕撈期間漁船因作業需要亦會經常拋錨，因而對管道影響最大；其次是干貨船，拋錨頻率占所有船舶拋錨頻率的15.5%，干貨船、集裝箱船等由于噸位較大，平均錨重也大，拋錨對管道的影響程度較大；其余船只拋錨頻率均很小，對管道的影響程度也較小。參考DNV RP F107[11]及相關文獻的描述和實驗結果，較為保守的考慮船舶漂移（船舶失去控制）引起的拋錨、落錨擊中管道的概率可用式（1）計算[12]。

式中：FHit為落錨擊中管道的概率，Nship為具有錨泊可能的船舶數量，FDrift為漂移概率，PHuman為不在管道附近進行拋錨的概率，PHit為落錨擊中管道的概率。

通過計算可知，該海底管道上方船舶主要通行管段，其平均每千米的落錨概率為9.43E-06，低于1.0E-05，因此總體風險可控。

2 船舶拖錨分析

船舶拖錨主要存在以下3 種情形。一是船舶通過拋出短錨鏈，通常為水深的1.5 倍，使船錨在海底隨船拖動，借以降低船速的一種輔助操船方式。通常，該情況錨貫入深度較小，在海床表面移動。二是船舶拋錨過程中的拖錨，船錨落在海床上時，先貫穿一定的垂直距離，然后傾倒，錨柄和錨爪之間的夾角逐漸減小，錨爪逐漸嵌入土壤，直到錨部分或全部嵌入海床。在這個過程中，錨將在土壤里進行水平拖曳，另外也可能存在旋轉、出土和再次嵌入等。通常，該情況錨貫入深度較大，但移動距離較小。三是船舶在錨地拋錨停泊期間的走錨，當船舶受到風、流、浪等外力大于錨和錨鏈產生的抓力，且外力的方向不斷地改變，船錨就會被帶出海床失去固定船舶的作用，被船舶帶著在海中移動。2004年的一項調查顯示，有40%的錨泊船舶在臺風中經歷過走錨。如今，隨著航海界對船舶走錨原因認識的不斷提高和對策措施的不斷改進，走錨現象已不至于如此頻繁，但仍時有發生，仍然是威脅海底管道健康運營的主要因素。“中大1號”輪（2008年）、“皖太湖貨9009”輪（2012 年）、“粵清遠工9388”船（2018 年）、“福景001”輪（2022 年）等船舶走錨事件，都曾給當地海事、航運企業的安全監管和應急工作帶來了很大的壓力。

2.1 拖錨后果分析

中大型船舶經常使用的錨為霍爾錨，錨柄的截面通常是矩形或圓形，錨爪與錨柄之間的最大夾角為45°。船舶拖錨時，船錨先被拋至海床上，由于錨并不是以自由落體的方式直接落入海底的，因此錨在接觸海底時的實際沖擊能較小，在不同土質工況下入土深度相差不大，然后隨著錨鏈拖拉，錨爪逐漸嵌入土壤，直到錨全部嵌入海床，這時錨的入土深度即為錨嚙入海底的最大深度，錨入土深度可用式（2）計算[13]。

式中：T 為錨入土深度，m；H 為錨爪高度，m；α為錨爪展開角度，（°）；B為錨身厚度，m。

表2 給出了船錨入土深度，從表中可以看出，誤拋錨或緊急拋錨時錨入土深度均會超過海底管道通常的設計埋深1.5 m，對該海底管道形成拖錨損傷的威脅。

表2 船錨入土深度

2.2 拖錨可能性分析

1）貨船（普通貨船、集裝箱和油輪）。根據AIS 系統船舶軌跡熱力圖可知，船舶主要航跡避開該管道，在部分管段存在部分船舶通行，與管道為垂直交越。除遇緊急情況外，貨船很少有拖錨的情況，且船舶錨地距離管道約4 n mile。因此拖錨的可能性較小。

2）漁船。該海底管道處漁船為保持航行穩定或捕魚作業，存在通過拋出短鏈使錨在海底隨船拖動的情況，但該情況錨貫入深度很小，在海床表面移動，因此拖錨損壞管道的可能性較小。

3）工程船。平臺附近船舶主要為海洋石油工程船舶，管理狀況良好，對管道路由位置明確，施工作業前有相關施工作業方案，能夠避免拖錨損傷。

2.3 拖錨風險分析

誤拋錨或船舶緊急拋錨時錨入土深度均可達到海底管道埋深，對管道形成拖錨損傷的威脅，但船舶拖錨的可能性較小，同時管道附近船舶處于錨泊狀態時（在錨地），距該海底管道較遠，因此發生拖錨損傷海底管道的風險較低。

3 結束語

研究表明，船舶發生落錨和拖錨損害該海底管道的風險總體較低，但一旦發生就會造成嚴重的后果，因此，應從海底管道管理方、船舶方、海事部門等相關單位共同努力，以進一步保護海底管道安全運營。

海底管道管理單位應結合AIS 系統，在周邊船舶較多時加強巡護，防止過往漁船拖網作業；采用AIS 系統的區域提醒功能，在船舶進入/離開該范圍時，自動觸發報警、高頻電臺廣播和遠程喊話，避免船舶對管道造成損壞；根據路由勘查結果，從治理的可靠性、治理徹底程度以及治理成本以及海底生態環境保護等多方面綜合考慮，增加主要通航段管道埋深。

海洋石油工程作業船舶在平臺附近作業時，應嚴格要求提前做好施工作業方案，防止墜物、拖錨造成管道損傷。

其他船舶應嚴格遵守航行法律法規，及時更新海圖，禁止在海底管道保護區內從事挖沙、鉆探、打樁、拋錨、拖錨、底拖捕撈、張網或者其他可能破壞海底管道安全的海上作業[14]。

海事部門應加強對船公司、船舶的監督管理，及時發布相關海事通告，提醒過往船舶注意避讓海上平臺、海底管道、海底電纜。