渔网拖挂对水下生产系统防沉板基础影响分析

尹汉军， 顾永维， 张 强， 何 鑫

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.南海深水天然气开发项目组， 广东 深圳 518067)



渔网拖挂对水下生产系统防沉板基础影响分析

尹汉军1， 顾永维1， 张 强2， 何 鑫1

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.南海深水天然气开发项目组， 广东 深圳 518067)

随着水下生产系统在中国深水油气田的逐步应用，渔网对其拖挂作用引起了越来越多的关注，而适当的渔网拖挂载荷以及需要进行保护设计的水深对水下生产系统设计的影响也显得极为重要。该文按照ISO13628规范选取了渔网拖挂载荷，通过计算分析渔网拖挂载荷对水下生产系统防沉板基础设计的影响，说明了准确的渔业活动调查以及适合于中国海域的渔网拖挂作用的设计规范对未来的水下生产系统在中国海域大范围应用的巨大意义，为今后深海开发提供参考。

水下生产系统；防沉板；拖挂载荷；深海开发

0 引言

随着中国深水油气田开发进程的加快，越来越多的水下生产系统得到了应用。在此过程中，渔网拖挂作用对水下生产系统，特别是水下结构系统的影响越来越引起人们的关注。目前水下生产系统是否考虑渔网拖挂载荷作用，主要参考ISO13628-15规范的要求，设计水深大于750 m且无特殊要求可以不考虑渔网拖挂载荷[1]。但是渔业活动时所用的渔船、渔网等多方面因素均影响着渔网对水下生产系统的拖挂作用，简单的采用国外的标准并不适用于中国海域的水下生产系统开发和设计。该文具体分析了渔网拖挂作用对水下防沉板基础结构系统的影响，说明了渔业活动调查对水下生产系统，特别是使用水下防沉板基础的水下生产系统的重要性。

1 渔网拖挂载荷的考虑

目前渔网拖挂分析的主要依据是ISO13628，水深小于750 m，一般需要考虑渔网拖挂影响，并设计合理的拖挂保护结构。对于考虑渔网滑过设计的水下结构系统，渔网拖挂设计载荷按表1选取[2]。

表1 渔网拖挂设计载荷

对于使用表1中载荷设计和计算水下结构系统存在两个问题：(1)水深选取是否合适；(2)载荷大小的选取是否合适。渔网拖挂载荷对于使用水下防沉板基础的水下结构系统的影响主要体现在两个方面：(1)局部冲击；(2)系统整体稳定性。局部冲击会影响到结构构件的尺寸选取，但对系统影响有限。而对系统的整体稳定性影响，关系到结构系统基础尺寸设计、结构总重量，甚至涉及到结构系统类型的选择、安装船舶的配置、水下设备之间的连接方式、整个油气田的开发模式等，因此分析渔网拖挂对设计的影响是十分重要的，渔网拖挂对于设计的影响主要体现在基础承载力和稳定性的设计上。

2 拖挂载荷对防沉板基础设计的影响

拖挂载荷对于水下生产系统防沉板基础设计的影响主要体现在基础提供的竖向、水平以及扭转的承载能力上。

2.1 基础的有效尺寸分析

从防沉板基础传递到土壤的荷载包括水平荷载、倾覆弯矩、扭矩、竖向荷载。而由于倾覆弯矩引起的荷载偏心会降低基础的有效承载面积，从而降低基础的承载能力。根据荷载偏心计算有效面积，该有效面积用于承受所有的竖向荷载以及部分水平荷载。假设基础的宽度为B(m)，长度为L(m)，有效面积计算如下[3，4]：

式中：ex为在x轴方向的偏心距离，m；ey为在y轴方向的偏心距离，m；Mx为绕x轴向弯矩，N·m；My为绕y轴向弯矩，N·m；Fv为竖向荷载，N；L′为防沉板有效长度，m；B′为防沉板有效宽度，m。

2.2 扭转稳性分析

基础设计时需要考虑到扭转稳性，特别是扭转荷载比较大的情况下，扭转荷载会降低浅基础的整体竖向承载能力，也会降低浅基础的滑移稳性。

基础的抵抗扭转能力可分为两部分，即基础底部抵抗扭矩[5]以及裙板的抵抗扭矩。

防沉板的抵抗扭转能力：

式中：Ttip为基础底部抵抗扭矩，N·m;Tskirt为裙板的抵抗扭矩，N·m。

若防沉板基础所受到的最大扭矩为MZ，则设计安全系数SF=Tresis/MZ。表1渔网拖挂载荷中300kN拖拽力对最大扭矩为MZ的影响很大。如果不考虑渔网拖拽力则在满足安全系数的条件下，对防尘板的扭转抵抗能力要求将会降低，从而可以降低基础尺寸要求。

2.3 抗滑稳性分析

2.3.1 扭矩对于水平承载力的折减作用

式中：Hmax′为考虑扭转折减后的最大水平承载能力，N；Hd为不考虑扭矩影响的不排水条件下基础的最大滑移抵抗能力，N；Hd′为不考虑扭转影响的排水条件下基础的最大滑移抵抗能力，N；λT为扭转影响下的折减系数，无量纲，n=1～2，m=2～2.5。

2.3.2 不排水水平承载力分析

式中：Hd为不考虑扭矩影响的不排水条件下基础的最大滑移抵抗能力，N；Hdmax为考虑扭矩影响的不排水条件下基础的最大滑移抵抗能力，N；ΔH1为土壤被动滑移抵抗能力，N；ΔH2为侧向摩擦产生的滑移抵抗能力，N；A为基础底板设计面积；su tip为基础底部粘土不排水剪切强度，Pa。

2.3.3 排水水平承载力分析

式中：Hd′为不考虑扭转影响的排水条件下基础的最大滑移抵抗能力，N；Hd max′为考虑扭转影响的不排水土壤的最大滑移抵抗能力，N；Δp为基础对土壤表层压力，Pa；p0′为土壤有效埋置应力，Pa；φ为土壤内摩擦角(°)；ΔH为裙板水平抵抗能力，N；Bmin′为防沉板最小水平尺寸，m。

2.4 竖向承载力分析

2.4.1 不排水竖向承载力计算

不排水竖向承载力计算公式为：

式中：F为修正系数，无量纲；su tip为不排水条件下基础底部所处土层的不排水剪切强度；Bmin′为防沉板最小水平尺寸；A′为基础的有效面积,m2；k为不排水剪切强度随着深度变化的增长率，无量纲；Nc为5.14，无量纲常数；Kc为修正系数，无量纲。

2.4.2 排水条件下竖向承载力计算

排水条件下承载力计算公式为：

式中：Qd′为土壤对基础的最大竖向承载力,N；p0′土壤有效埋置应力,Pa；Nq为与内摩擦角φ有关的无量纲函数；Kq，Kγ为修正系数，无量纲；Nγ为与内摩擦角φ有关的无量纲经验函数；γ'为土壤单重,kN/m3。

2.5 渔网拖挂载荷影响分析

通过以上分析可以看出，渔网拖挂载荷会降低基础的有效尺寸，当渔网拖挂载荷增大时，为保持足够的稳性，则需要更大的基础尺寸。

3 算例分析

以中国南海某海域的水下防沉板基础的深水水下管汇为例进行分析，改管汇考虑了渔网拖挂的影响。其某一极端工况下的载荷及管汇参数分别见表2、表3，计算结果及对其比见表4，图1为计算结果对比图。

表2 某一极端工况下载荷表

表3 管汇参数

图1 计算结果对比图

表4 计算结果

竖向承载力安全系数抗滑移安全系数抗倾覆安全系数考虑渔网拖挂2．981．511．92自选均值4．342．643．5不考虑渔网拖挂5．5710．518．81

为了更加清楚地说明渔网拖挂作用的影响，对不考虑渔网拖挂和自选拖挂载荷(比规范小的拖挂载荷)进行计算，并对基础进行了优化设计，优化后的基础尺寸见表5，优化后基础在不考虑渔网拖挂和自选拖挂载荷下的安全系数见表6。

表5 优化后的基础尺寸

表6 优化后基础的安全系数

从表5、表6可以看出，不考虑渔网拖挂或者使用较小载荷进行计算的结构基础的尺寸和裙板尺寸有很大的下降，这对设计和建造带来较大的好处，并且对于安装资源的选取以及安装风险的控制有着巨大的影响，也将会降低安装的难度，节省安装费用。

4 结论

由文中的分析及计算可以看出，渔网拖挂载荷对于水下生产系统的开发有着巨大的影响。若不考虑渔网拖挂载荷或者使用较小载荷设计，基础的尺寸会有很大的降低，这将会对整个系统的设计、建造、安装、施工资源的选取等各个方面产生影响。设计合理的水下产品基础，应选取适当的渔网拖挂载荷及保护结构使用的设计水深。因此，开展渔业活动分析以及制定适合中国海域的拖挂设计规范具有十分重要的意义。

[1] ISO 13628-15. Petroleum and Natural Gas Industries-Design and Operation of Subsea Production Systems-Part 15. Subsea Structures and Manifolds[S].2011.

[2] ISO 13628-1.Petroleum and Natural Gas Industries-Design and operation of subsea production systems-Part 1: General Requirements and Recommendations[S].2011.

[3] API RP 2GEO-2011.Geotechnical and foundation design considerations[S].2011

[4] API RP 2A-WSD 21st Ed-2000.Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platform-Working Stress Design[S].2000.

[5] Finnie I M S，Morgan N.Torsional Loading of Subsea Structures[C].Proceedings of the 14th Int， Offshore and Polar Engineering Conference, ISOPE,Toulon, France, 2004.

Impact Analysis of Snag Load to MUDMAT Foundation of
Subsea Production System

YIN Han-jun1, GU Yong-wei1, ZHANG Qiang2, HE Xin1

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451,China;2. South China Sea Deep Water Gas Development PMT, Guangdong Shengzhen 518067, China)

With the subsea production system more and more apply in China deep water oil & gas filed, the fishing gear impact give rise to more and more attention, and the suitable fishing gear load andfishing protection needed water depth become crucial for subsea productionsystem design. In this paper the fishing gear load was selected according ISO13628 standard, and the impact of fishing gear load to subsea mudmat foundation was analyzed. From the calculation result it can be seen that the exactly fishery action survey and the suitable standard are significance for the subsea production extensiveness apply in China, and provided a reference for future deep water development.

subsea production system；mudmat foundation； snag load； deep water development

2014-10-14

国家工信部海洋工程装备科研课题“水下生产系统设计及关键设备研发(一期)”专项经费资助。

尹汉军(1979-)，男，工程师。

1001-4500(2015)03-0068-05

P756

A