抛锚对海底管道的碰撞损害

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(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003)

抛锚对海底管道的碰撞损害

周沛林，周宏

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003)

锚击是造成海底管道第三方损伤的重要因素。分析锚击对海底管道的撞击损害，撞击分析中，根据挪威船级社的海底管道保护风险评估规范(DNV-RP-F107)的指导意见，分析船舶抛锚作业撞击海底管道的能量、海底管道壁凹坑吸收的能量和海底管道保护层吸收能量的计算方法，并通过2个工程计算实例，得出5.25 t和20.0 t锚重落入海底时海底管道的损坏等级，确定合理的埋深，为海底管道安全敷设提供参考。

海底管道；拖锚；撞击；能量

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，它是连续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[1-3]，如凹坑、刮凿、擦痕、穿孔、悬空、弯曲及变形等。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，分析海底管道与抛锚之间的力学关系，计算安全的埋深，成为保障海底管道安全运行的一项重要研究内容。

1 海底管道损坏分级

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，工程船舶发生走锚或锚链发生断裂；(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海底管道受损程度划分

参照DNV-RP-F107[4]标准，海底管道的受损程度可分为3级：(1) 次损坏(D1级)。海底管道不需要修复，也不会导致泄漏。海底管道壁上凹坑的最大深度为管径的5%，通常不会立即影响海底管道的运行。不过，应该采取检验和技术评估的手段。(2)中损坏(D2级)。海底管道需要修复，但也不会导致泄漏。当海底管道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%)。修复可以推迟一段时间，经过结构完整性评定后可以继续运行。(3) 重损坏(D3级)。发生泄漏，海底管道壁被砸穿孔或者海底管道破裂，必须立即停止油气输送并进行线路修复，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底管道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DNV-RP-F107标准，基于以下一些假设，计算“最坏状态”下锚落水并撞击海底管道的能量：(1) 锚是坚硬的，撞击时不会变形；(2) 锚是直接下落的，不旋转；(3) 海底管道是静止的；(4) 撞击能量转移至海底管道的时间很短，且大部分转移的能量被海底管道的凹坑所吸收；(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，锚的下沉速度为一个常量。锚下沉达到受力平衡时的方程为

式中：m为锚的质量；V为锚的体积；ρw为海水密度；g为重力加速度；A为锚在下沉方向上的投影面积;v为锚在水中的极限速度；Cd为锚的阻力系数[5],取0.8;T为时间。

其触底时的最高速度即最终速度可简化为

式中：ρa为锚的密度。

锚在水中达到极限速度时，其动能ET为

除了动能ET外，实际撞击能量EE还包括附加的水动力能量EA，则实际撞击的能量变为

图1 凹坑示意图

式中：ma为附加质量，ma=ρwCaV,其中，Ca为锚的附加质量系数。

2.2海底管道被撞凹坑的吸收能

撞击的典型失效模式是在海底管道壁上形成凹坑或穿孔，如图1所示。假设刃型载荷垂直作用于海底管道上，凹坑极深，几乎贯穿整个横断面[5]，则钢质海底管道吸收能的计算公式为

式中：mp为管壁的塑性弯矩；σy为屈服应力;δ为管的变形凹坑深度；t为海底管道壁厚；D为海底管道外径。

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E的结果可以判断海底管道受锚撞击后的损坏情况。

2.3海底管道埋深保护层能力

挖沟并填埋海底管道在一定程度上可以额外保护海底管道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关系为

式中：γ′为填埋材料的有效单位重力，取11 kN/m3;D为海底管道的直径；Ap为海底管道的投影面积；z为穿透深度；Nq,Nr为承载系数，通常Nq取99，Nr取137。

3 工程实例

依据锚撞击海底管道的计算模型，假设锚达到极限速度，海底管道设计参数如下：外径273.1 mm,壁厚11.1 mm,屈服应力530 MPa，共选取2种不同大小的无杆锚，分别计算该海底管道在不同埋深条件下受锚撞击的能量，并判断海底管道的损坏情况。挡水面积S的计算公式为

质量为5 250 kg锚的参数为:锚的长度A=2 728 mm,锚的宽度B=1 910 mm,锚的厚度C=846 mm,锚爪长度D=1 760 mm,锚爪间距离E=1 364 mm。因此，S=4.5 m2。

质量是20 000 kg的锚的参数为:锚干长度A=4 262 mm,锚的宽度B=2 985 mm,锚的厚度C=1 320 mm,锚爪长度D=2 750 mm,锚爪间距离E=2 130 mm。因此，S=10.99 m2

3.1实例1

3.1.1 锚的冲击能

根据分析，利用式(2)计算锚触底前的速度，锚的质量m为5 250 kg,计算出此艘渔船的锚的挡水面积A为4.50 m2,重力加速度g取9.81 m/s2,锚的密度7 850 kg/m3,海水的密度取值为1 025 kg/m3,拖曳系数Cd为0.8，计算得vT=4.93 m/s。

锚在撞击海底管道时,除了锚本身由于重力产生的动能,还会在下落中携带一定质量的水,这部分动能在计算时也要考虑进去,因此根据式(4)计算得掉落的锚对海底管道的有效撞击能量EE=76 296.96 J。

3.1.2 管道自身吸收的能量

计算对海底管道造成5%壁厚凹陷(工程上认为5%的凹陷为管道仍然可以安全使用的最大伤害值)的损害所需的能量。

首先根据式(6)计算出管道的塑性弯矩mp=16 325.325 N；再根据式(5)计算对海底管道撞击出5%壁厚的凹陷需要的能量E=3 304.36 J。

计算得到锚在触底时产生的动能为76 296.29 J,而管道可以接受的最大撞击能量为3 304 J。所以，锚在触底时产生的能量远远超过了管道所能接受的撞击能量范围,必须采取一定的保护方法。

3.1.3 回填掩埋吸收的能量

经过计算可知，如果对海底管道不采用任何保护措施，掉落的锚会损害海底管道，所以必须采取一定的保护措施防止海底管道受到损害。掩埋回填是保护海底管道最有效也是最常见的方法,它能够有效地吸收锚对海底管道的撞击能量，减小海底管道受到的损害，而且施工相对简单。

通过对渤海海底的地质分析，单位重量填充物质的有效容重γ′采用较保守的值11 kN/m3，填充物质的承受能力系数Nq和Nr取值分别为99和137，管道的直径为273.1 mm，管道的截面积Ap为0.059 m2。

在本例中锚的重量为5 250 kg，根据式(7)可以计算出不同厚度下，掩埋土层的吸收能力为

Ep=0.5·γ′·D·Nr·Ap·z+γ′·Nq·Ap·z2=12 141.1z+64 251z2

根据第2节的计算结果可知,5.25 t的锚在触底时产生的动能EE为76 296.29 J。

若要使海底管道不受掉落锚的损害,必须使掩埋回填的土层完全吸收锚的动能,即掩埋土层吸收的能量等于锚的动能,即

12 141.1z+64 251z2=76 296.29

解一元二次方程得，z=0.99 m。

3.2实例2

散货船的锚重为20.0 t,比渔船锚的质量大很多,所以对海底管道的损害也大很多,需要重点考虑,根据舾装数计算出此锚的挡水面积A为10.99 m2,根据式(2)计算得锚在触底时的最终速度为vT=6.15 m/s，因此锚在触底时产生的动能EE=452 304.10 J。

根据计算，实例2中散货船的锚重为20.0 t,在触底时产生的动能为452 304.10 J,这些能量如果撞击管道会造成损害,所以要采取保护措施吸收这些能量,防止造成海底管道撞击损害。

根据式(7)可以计算出不同厚度的掩埋土层的吸收能力Ep=12 141.1 z+64 251 z2，根据第2节的计算,20.0 t的锚在触底时产生的动能EE=452 304.10 J,掩埋土层吸收的能量等于锚的动能,即

12 141.1z+64 251z2=452 304.10

解一元二次方程得，z=2.56 m。

经计算,重量5.25 t和20.0 t的锚能够砸入海底的深度分别为0.99 m和2.56 m。

4 结 论

本文参照有关标准，建立落锚直接正面撞击海底管道能量的计算方法和海底管道损坏情况的判断方法，有助于确定海底管道敷设的挖沟埋深。通过计算,得到2种实例中锚在触底前的最终速度分别为4.93 m/s和6.15 m/s,在触底时产生的动能分别为76 296.29 J和452 304.10 J。最后,计算得掩埋土层能够吸收的能量。经计算，海底管道自身能够吸收的最大能量为3 304.36 J,锚的动能对海底管道的撞击会造成严重损害,必须采取一定的保护措施防止发生撞击受损事故。在现有渤海地区掩埋回填的条件下,2种锚能够砸入土壤的深度即掩埋层的深度分别为0.99 m和2.56 m。

[1] 谭箭，李恒志，田博．关于事故性抛锚对海底管道损害的探讨[J]．船海工程，2008 (01)：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 (03)：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 (06)：30-33．

[4] DNV.Risk Assessment of Pipeline Protection: DNV-RP-F107[S]．2001.

[5] DNV.Global Buckling of Submarine Pipelines Structural Design due to High Temperature/High Pressure:DNV-RP-F110 [S]．2007.

ImpactDamageofAnchortoSubmarinePipeline

ZHOU Peilin, ZHOU Hong

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China)

Anchor is one of the key factors of submarine pipeline third party accidents. The anchor impact on the submarine pipelines is analyzed. In the initial impact analysis, based on DNV of seabed pipeline protection risk assessment guiding opinions about the specification (DNV-RP-F107), calculation method of the energy of the impact of anchor operation on the submarine pipeline, the energy absorbed by the pit of the sea wall and energy absorbed by the sea tube protective layer are analyzed. Two examples are given, with the conclusions that the damage grades of the pipelines are drawn when 5.25 t and 20.0 t anchor fell into the sea, and the reasonable buried depth is determined. It provides reference for the safety of the sea pipe laying.

submarine pipeline; anchor dragging; impact; energy

2016-06-02

周沛林(1990-)，男，硕士研究生

1001-4500(2017)04-0097-04

U662

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