抛锚作业撞击海底管道的影响分析

刘 欢，冯梅芳，张文海

（1.中国石油冀东油田公司，河北唐山 063200；2.挪威船级社（中国）有限公司，上海 200336）

抛锚作业撞击海底管道的影响分析

刘 欢1，冯梅芳1，张文海2

（1.中国石油冀东油田公司，河北唐山 063200；2.挪威船级社（中国）有限公司，上海 200336）

抛锚作业可能会撞击海底管道，对管道的安全运行造成威胁。文章分析了船舶抛锚作业撞击海底管道的能量、海管壁凹坑吸收的能量和海管保护层吸收的能量的计算方法，并给出了工程计算实例，得出不同锚重、埋深条件下海管的损坏等级，确定了合理的埋深，为海管安全敷设提供必要的参数。

海管；抛锚；撞击；危害

0 引言

海底管道是海洋油气资源开发生产系统的重要组成部分，近些年随着近海石油工业的发展，海底管道也得到了更为广泛的应用。它是连续的输送大量油气最快捷、最经济、最安全、最高效的方式，具有连续输送、运油能力大、铺设工期短、管理方便和操作费用低等优点，但同时也存在检查维护不方便、一旦出现事故修复困难等缺点。

海底管道不仅受到海洋水文环境和海床运动、海底地形地貌变化的影响，还受到过往船只抛锚所带来的外界影响。因此，在安装、运行管理的过程中难免会出现各种损伤和缺陷，如凹坑、刮凿、擦痕、穿孔、悬空、弯曲及变形等[1-3]。在海底管道受到的各种威胁中，撞击属于偶然性载荷破坏，是造成海底管道破坏的主要原因之一。因此，分析海管与抛锚之间的力学关系，计算安全的埋深，就成为保障海底管道安全运行的一项重要的研究内容。

1 海底管道损坏分级划分

通常情况下，抛锚点与海底管道的距离越远，锚撞击管道的概率就越小，管道受到锚撞击的风险就越小。

1.1 抛锚作业与海底管道可能撞击的情况

对海底管道有影响的抛锚作业主要有以下几种：

（1）恶劣天气条件下，工程船舶发生遛锚或锚链发生断裂。

（2）渔业捕捞用具及拖锚对海底管道的撞击和拖拉。

（3）各类航行船舶在避让等紧急情况下采取的抛锚作业。

（4）船员人为操作失误，导致脱锚。

1.2 管道损坏等级划分

参照标准DNV RP-F107[4]，视海管的受损程度，损坏可分为三级：

（1）次损坏 （D1）：海管不需要修复，也不会导致泄漏。海管壁上凹坑的最大深度为管径的5%，通常不会立即影响海管的运行。不过，应该采取检验和技术评估的手段，确认海管的结构完整性和通过清管球的能力。

（2）中损坏 （D2）：海管需要修复，但也不会导致泄漏。当海管壁上的凹坑会限制其内部检验时，通常需要进行修复 （凹坑的最大深度超过管径的5%）。不过，修复可以推迟一段时间，再经过结构完整性评定后可以继续运行。

（3）重损坏 （D3）：发生泄漏。海管壁被砸穿孔或者海管破裂，必须立即停止油气输送和进行线路修复，损坏的部分必须修补或替换掉。

2 锚正面撞击海底管道的能量计算

锚抛入水中并撞击海管的作用机理是复杂的，它包括许多参数，如锚的形状、尺寸以及撞击方向。根据标准DNV RP-F107，基于以下一些假设，计算 “最坏状态”下锚落水并撞击海管的能量：

（1）锚是坚硬的，撞击时不会变形。

（2）锚是直接下落，不旋转。

（3）海管是静止的。

（4）撞击能量转移至海管的时间很短，且大部分转移的能量被海管的凹坑所吸收。

（5）撞击时锚达到了其下落的极限速度。

2.1 锚的冲击能

锚被抛入水中后下沉，经过一段时间后，达到下沉的极限速度，即：当锚的重力与排出水的体积和流动阻力达到平衡时，锚的下沉速度就是一个常量。锚下沉达到受力平衡时的方程为：

式中m——锚的质量/kg；

V——锚的体积/m3；

ρwater——海水密度/（kg/m3）；

ma——附加的质量/kg，ma=ρwaterCaV；

g——重力加速度/（m/s2）；

A——锚在下沉方向上的投影面积/m2；

vT——锚在水中的极限速度/（m/s）；

Cd，Ca——锚的阻力系数和附加的质量系

数[5]， 分别取1.0和0.6。

2.2 海管保护层能力

2.2.1 混凝土配重保护层

混凝土配重保护层通常能保护海管不受潜在的撞击损坏。根据Jensen J J的研究[6]，混凝土配重保护层吸收的能量与穿透体积和混凝土压碎强度有关。混凝土配重保护层受撞击情况如图1所示。吸收能量 （kJ）的计算公式为：

式中Y——压碎强度/MPa，是标准密度混凝土的立方抗压强度的3倍；

b——锚撞击面的宽度/m；

h——锚撞击面的长度/m；

x0——穿透深度/m。

2.2.2 埋深保护层

挖沟并填埋海管在一定程度上可以额外保护海管免受落锚和拖锚的损坏，但作用是有限的，这主要取决于挖沟的深度和撞击物的尺寸。根据实体试验，坠落物被砂砾层吸收的能量 （kJ）关系为：

式中γ′——填埋材料的有效单位重力/（kN/m3），

取11 kN/m3；

D——海管的直径/m；

AP——海管的投影面积/m2；

z——穿透深度/m；

Nq，Nγ——承载系数，通常Nq=99，Nγ=137。

通常自然回填的砂层吸收的能量比砂砾的小很多，其抗撞击能力是砂砾覆盖层的2%～10%。

2.3 撞击能量

由于有混凝土配重保护层和挖沟填埋层的保护，锚撞击海管的实际能量是：

2.4 海管被撞凹坑的吸收能

撞击的典型失效模式是在海管壁上形成凹坑或穿孔 （见图2）。假设刃型载荷垂直作用于海管上，凹坑极深，几乎贯穿整个横断面，则钢质海底管道吸收能 （kJ）的计算公式为：

式中mp——管壁的塑性弯矩/N·m，mp=1/4σyt2；

σy——屈服应力/MPa；

δ——管的变形凹坑深度/m；

t——海管壁厚/m；

D——海管外径/m。

泄漏和整体破裂可能性是一个累积的条件概率，撞击能量增加，此概率也增加。对比E0和E的结果，就能判断海管受锚撞击后的损坏情况。

3 工程实例

某海上油田海管铺设水深为90 m，海管设计参数见表1，依据本文上述建立的锚撞击海管的计算模型，共选取5种不同大小的无杆锚 （见表2），分别计算该海管在不同埋深条件下受锚撞击的能量，并判断海管的损坏情况。

计算结果见表3，可知海管埋深2m以上时能够防止抛锚对海管造成的损害，实现对海管的有效保护。

表1 海管设计参数

表2 锚的投影面积

表3 海管在不同埋深时保护效果比较

4 结束语

本文参照有关标准，建立了落锚直接正面撞击海管能量的计算方法和海管损坏情况的判断方法，有助于确定海管敷设的挖沟埋深及其他有关设计参数。虽然海底管道存在泄漏风险，但可以通过合理的管道路由设计、合理的外层保护和埋深设计、定期检验检测等综合保护措施来提高海底管道的安全性。

[1]谭箭,李恒志，田博.关于事故性抛锚对海底管线损害的探讨[J].船海工程，2008，（1）：142-144.

[2]王再明，米小亮，张超.施工船舶抛锚作业对海底管道的影响研究[J].交通信息与安全，2010,（3）：93-96.

[3]刘学涛，张磊，郭振邦，等.锚泊作业对海底管道撞击概率的研究[J].石油工程建设，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

刘 欢 （1981-），男，四川金堂人，工程师，2004年毕业于西安石油大学石油工程专业，现从事海洋石油作业安全监督管理工作。

2011-11-15