水下生产系统的渔网拖挂防护技术

王长涛, 李丽娜, 石　磊, 邢广阔

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)



水下生产系统的渔网拖挂防护技术

王长涛, 李丽娜, 石磊, 邢广阔

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

摘要：该文针对处于渔业作业区的水下生产系统的渔网防护需求，总结了水下结构物、海管、海缆及其他水下设施的防渔网拖挂技术，以及水下设施在受到渔网拖挂后，为避免影响扩大而进行的应急保护技术。

关键词：水下生产系统； 水下生产设施；渔网拖挂保护

0引言

处于渔业捕捞作业区的水下生产系统，时刻受到渔网拖挂的威胁，渔网对水下生产设施的拖挂，会对渔业捕捞和水下生产系统造成重大影响。一方面，如果渔网挂住水下生产设施而不能顺利解脱，会导致渔网破损，甚至渔民弃网，造成渔民的经济损失；另一方面，如果水下生产设施没有足够的防护能力，则会造成水下生产设施损伤、破坏，甚至油气泄漏。因此，处于渔业作业区的海洋油气水下生产系统在设计时要对渔业捕捞作业的影响给予足够的关注。这种关注应包括两方面，一方面是在水下生产设施的总体布置以及结构设计方面融入渔网可滑过设计理念，降低被渔网挂住的可能性，并且可以承受渔网拖挂的载荷；另一方面是在出现渔网钩挂水下设施的情况后，应防止造成进一步的危害，并避免或者减小对环境造成的污染。

1渔网拖挂对水下生产系统的影响

拖网是目前海洋渔业生产中效益较高的渔具之一，属于过滤性的运动渔具。它利用船舶的运动，拖曳渔具在海底或海水中前进，迫使渔具经过水域中的捕捞对象进入网囊，达到捕捞的目的，在世界范围内均有广泛的应用。拖网分为表层拖网、中层拖网和底层拖网三类，典型的拖网示意图如图1所示。

图1　拖网示意图

拖网中的底层拖网，由于其下缘触及海底，在进行捕捞作业的同时，会对露在泥面上的水下设施产生拖挂作用。渔网对于水下设施的拖挂作用主要体现在撞击、拖拉、摩擦和钩挂4个方面。其中，撞击、拖拉和摩擦作用是在拖网滑过水下设施的情况下发生的，只要水下生产设施可以承受相关载荷，就不会对渔业和油气生产造成影响，而钩挂则是在渔网被水下设施挂住，不能解脱的情况，如图2所示。在这种情况下，运动中的渔船和渔网被瞬间截停，会对水下生产设施造成巨大的拖曳力，而后，渔民为回收渔网，使用绞车继续拖拉，造成更大的破坏，因此，渔网钩挂是渔网拖挂影响中最危险的情况。表1为ISO 13628-1[1]推荐的北海海域网板拖网拖挂载荷，从表1中可以看出，渔网拖挂载荷足以对水下生产设施造成破坏。对于其它海域的网板拖网以及桁杆拖网，应根据具体的渔具形式、拖网速度、渔船的功率进行评估。渔网拖挂曾多次造成水下生产设施的破坏，进而导致人员伤亡和渔具损坏，酿成海上灾难[2]。因此，处于渔业作业区的海洋油气水下生产系统在设计时要重视渔网拖挂的影响，一方面要对水下生产设施进行渔网拖挂防护，另一方面在水下生产设施遭受渔网钩挂时及时补救，避免事态扩大。

表1　渔网拖挂载荷

图2　渔网钩挂示例

2渔网拖挂防护技术

面对渔网拖挂的威胁，处于渔业作业区的水下生产系统应采取主动的预防措施，使水下生产设施能够承受渔网拖挂载荷，并避免渔网钩挂，减小渔业捕捞作业对水下油气生产的影响。水下生产系统布局多样，且水下生产设施种类繁多，根据分布形式和尺寸属性可分为连续分布、细长的海管/海缆和分散布置、宽大的水下结构物两大类，对于不同类型的水下设施，应采取不同的保护措施。

2.1海管及海缆的防护

避免渔网拖挂海管和海缆最直接的方法是将其置于泥面以下，可通过挖沟或抛石(海管)的方法实现，但是需要支付高额的工程费用。由于海管自身具有一定的结构强度，同时，为满足海管的稳定性，通常在海管的外壁浇筑混凝土配重层，提高海管承受外部载荷的能力。因此，可以在不埋设的情况下，对海管进行抗渔网拖挂能力的评估。如果海管不能承受渔网拖挂载荷，则需要对海管进行埋设，挪威船级社(DNV)提供了一套评估的推荐做法。而对于海缆，其自身就属于易损设施，同时还需要满足在位稳定性的需求。因此，对海缆的防护通常采用埋设方式，使其既有足够的稳定性，又可以有效预防渔网拖挂。

图3　海管附属部件保护壳示意图

需要注意的是，海管/海缆的悬跨是导致渔网钩挂的主要原因。虽然在完工的时候，海管/海缆的悬跨高度或者埋设深度满足设计需求，但是受海流、潮汐的冲刷，会导致悬跨高度加大或者埋设的海管/海缆露出海床，增加海管/海缆受渔网钩挂破坏的风险。因此，需要在运行过程中定期进行海管/海缆悬跨和埋设情况的监测，必要时需进行抛石维护。

此外，海管上的附属部件，如法兰螺栓、外加的延寿阳极等，由于其突出于海管之外，通常成为渔网钩挂的对象。因此，对于这些附属部件需要进行保护，通常的做法是加装一个渔网可滑过的保护外壳，如图3所示，使其免受渔网拖挂。

2.2水下结构物的防护

对于水下管汇、采油树等水下结构物，由于有管线连接、设备操作和维护、泄漏和腐蚀的监测需求，不具备将其设置于泥面以下的可行性。可行的方式是采用足够牢固的基础(例如桩基础)和保护结构设计，即使在被渔网钩挂的情况下，水下生产设施也不会受到损伤。采用这种方案时，如果渔网被水下结构物挂住，会造成渔网部分损坏。因此，要实现渔业捕捞和油气生产之间的和谐共处，在对水下设施进行防护的同时，还要优化防护结构的设计，降低被渔网钩挂的可能性。

与海管/海缆不同，渔网被水下结构物钩挂的原因主要来自以下三个方面：

(1) 桁杆座、网板或位于外缘的沉子在网绳的牵引下被卡在水下设施上；

(2) 网纲被水下设施结构整体或突出的局部结构挂住；

(3) 水下设施突出的局部结构插入网囊的网眼。

针对上述原因，为使渔网可以滑过，水下结构物的优化方向如下：

(1) 保护结构自身，以及保护结构与泥面之间连续，避免桁杆座或网板、沉子进入；

(2) 保护结构选择梯台型外轮廓，从各个方向均可引导网具沿斜面上滑，越过结构物；

(3) 保护结构的外侧避免出现突出结构。

NORSOK[4]提供了更具实施性的渔网可滑过的水下结构物设计的推荐做法。典型的渔网可滑过结构物如图4所示，对于新型的渔网保护结构，需要进行模型试验，以验证其渔网可滑过性能。需要注意的是，对于水下管汇、水下分配单元等有介入和管线连接需求的水下设施，由于需要足够的介入和操作空间，无法实现连续的保护结构，或者实现连续的保护结构代价太高。此时，需要在满足渔网可滑过的需求和经济性之间进行折衷考虑。

图4　渔网可滑过结构物

3渔网钩挂的应急保护技术

由于对海管/海缆悬跨超高、露出海床等钩挂隐患等处理不及时，以及水下保护结构在渔网可滑过性能和经济性能上的折衷考虑等因素，使水下生产设施仍然存在被渔网钩挂的风险。在进行风险评估后，如果认为水下生产系统整体或者局部不能接受水下生产设施被渔网钩挂后可能导致的后续破坏，则需要对水下生产设施进行渔网钩挂的应急保护设计，防止水下生产设施被渔网钩挂后的影响范围扩大。

3.1海管及海缆的渔网钩挂应急保护技术

在水下生产系统中，海管和海缆的末端可能连接有重要但是比较脆弱的水下设施，如海管末端连接的带压开孔设施、脐带缆末端的水下分配单元等。这类设施在与之相连的海管/海缆受到渔网钩挂时，容易受到连带破坏，导致严重的后果。目前海管的水下带压开孔普遍使用机械式带压开孔三通，支路海管受到渔网钩挂后，除了支管可能被损伤外，钩挂引起的支管轴向拉力还会导致与之相连的机械三通密封失效，使被开孔的主管泄漏，造成环境污染。对于主管的开孔泄漏，需要与主管相关的油气生产系统停产、修复，造成重大的经济损失。

一种针对上述情况的应急设计方案是在支管接入带压开孔三通前接入一个压力平衡安全节点，以及位于其上游和下游的各一台单向阀，如图5(1)所示。其中上游的单向阀与安全节点通过法兰连接，安全节点套管的延长段插入单向阀中，使上游的单向阀板保持开启状态，如图5(2)所示。在支管受到渔网钩挂，使支管的轴向拉力超过安全节点的破断阈值后，安全节点会断开，避免对带压开孔三通和主管造成影响，同时其套管的延长段从上游单向阀中脱出，使上游单向阀关闭，而上游失压后，下游的单向阀在主管的压力作用下也随之关闭，避免了上下游介质的进一步泄漏。采用这种方案，既避免了在渔网钩挂的情况下与海管相连的重要设施的损坏，又将油气泄漏和环境污染降到最低，是一种经济有效的渔网钩挂应急保护设计方案。上述应急保护设计理念同样可以应用到海缆的渔网钩挂应急保护中。例如，在脐带缆与水下分配单元之间应用的脐带缆弱连接装置[5]，该装置可在脐带缆受到渔网钩挂的情况下，防止与之连接的水下分配单元遭受连带破坏，其设计技术可参考相关规范。

图5　压力平衡安全节点的应用示意图

图6　优化的水下保护结构

3.2水下结构物的渔网钩挂应急保护技术

对于存在被渔网钩挂风险的水下生产设施，除满足对渔网钩挂的防护需求以外，还要优化保护结构设计，将钩挂对渔业的影响降到最低，避免双方矛盾激化。在保护结构存在钩挂风险的部位，避免出现网板能进入的狭长缝隙、夹角以及突出结构。例如，图2(2)所示的结构，可优化为图6的方案，这样既满足了介入操作的空间需求，又可在发生渔网钩挂保护结构的情况下，渔民可通过停船、倒车等操作将渔网从钩挂状态解脱，既不会损伤渔网，也不会因为渔民急于收回渔网而采取极端的行为，对水下生产系统造成不可预知的后续破坏。

4结语

渔网拖挂对水下生产系统是一种外在的威胁，水下生产系统需要对其进行有针对性的防护。具体的渔网拖挂的防护方案，需要在对水下生产系统所在海域的渔业捕捞频率、渔船和渔具的能力进行调研，以及对渔网拖挂影响进行全面考虑风险评估和经济性评价后综合确定。此外，为降低渔业作业对水下生产设施的影响，还需要加强对渔民的宣传工作，普及水下生产设施保护、渔网钩挂解脱以及防止危害扩大的基本知识，以使双方均免受渔网拖挂造成的损失，真正实现渔业和油气生产的和谐共处。

参考文献

[1]ISO 13628-1. Petroleum and natural gas industries- Design and operation of subsea production systems -Part 1: General requirements and recommendations [S].2005.

[2]Committee on the safety of marine pipelines．Improving the Safety of Marine Pipelines[M]. Washington, D.C：National Academy Press，1994.

[3]DNV-RP-F111. Interference between trawl gear and pipelines[S]. 2009．

[4]NORSOK U-001. Subsea production systems[S].2005.

[5]ISO 13628-5. Petroleum and natural gas industries- Design and operation of subsea production systems -Part 5: Subsea umbilicals[S].2009.

Trawl Gear Protection Technology in Subsea Production System

WANG Chang-tao, LI Li-na, XING Guang-kuo

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

Abstract：Trawl gear protection technology for subsea production facility, subsea structure, subsea pipeline/cable is introduced and summarized. Emergency protection technology for fishing gear snagging subsea production facility is also introduced. Trawl gear protection technology in this paper can be a reference for relative subsea production system.

Keywords：subsea production system; subsea production facility; trawl gear protection

中图分类号:P75

文献标识码：A

文章编号：1001-4500(2015)06-0086-05

作者简介：王长涛(1983-)，男，工程师。