穿越航道区域的海底管道保护研究

胡 江，张庆所，运 涛

(中海石油(中国)有限公司天津分公司工程建设中心 天津300459)

0 引言

通常管道埋设于海底面以下一定深度，用以防止管道在相关事故中受损，确保管道设计寿命期内的安全。由于管道挖沟埋设，能够避免或减轻船舶抛锚对管道的损伤，业主或操作者通常都要求将管道在海底挖沟埋设，尤其是管道在穿越航路或航道区域，必须进行特殊的防护。

船舶在航行过程中应急抛锚为小概率事件，并且应急抛锚击中海底管道为极小概率事件，但是，船锚一旦击中没有防护或防护薄弱的管道，其危害程度通常是破坏性的。为此，一些穿越特殊区域的管道必须进行特别防护，以渤海油田某天然气管道为例，参考挪威船级社规范DNV-RP-F107(2010)Risk Assessment of Pipeline Protection和其他相关资料，在管道规划、设计过程方面进行专业论证，并确定合理路由及埋设深度。

1 船舶落锚分析

当管道路径穿越航道或航路区域时，为保证跨越航道、航路段管道的安全，应该进行风险评估。首先需要确定该航道往来船舶的类型、排水量以及所配备锚的数量、重量，然后进行落锚计算分析和该区域应急抛锚的概率分析，以便根据分析计算结果对该区段管线采取相应保护措施。

通常情况下，船舶采用正常抛锚方式，先通过锚机将锚从锚链孔缓慢送至水面以下一定位置(通常 1节锚链左右)，再让锚以近似于自由落体方式落下并嵌入海床。当船舶遇到紧急情况时，采用应急抛锚的方式来控制船速，应急抛锚时，船舶直接将锚从锚链孔丢下。常规抛锚和应急抛锚方式锚的运动过程计算原理基本一致，只是锚下落时的高度不同，在相同的海床底质情况下，随着船锚自由落体高度的减小，船锚触底时的速度和动能随之减小，锚嵌入海床的深度也相应减小。

2 船舶应急抛锚分析

在船舶应急抛锚时，船锚在重力作用下，产生类似自由落体运动，从锚链孔位置落入水中，在触及海床前，船锚受重力、浮力及海流的共同作用，随着船锚在水中速度增大，阻力会迅速增大，一般情况下，在下落50～100m后，浸没在水中的船锚达到最终速度，最后阻力与下落力相等，达到平衡，此时保持匀速下落。水深大小直接决定船锚下落过程中，触及海床前，是否达到平衡。根据不同的水深，采用能量守恒法进行分析，分析计算在船锚下落达到最终速度时的动能[3]，如式(1)所示：

式中：ET为物体的动能，kJ；m为物体的质量，kg；VT为最终的速度，m/s。

式中：ρ水、ρ锚为水和船锚的密度(ρ水值取1025kg/m3)；m为船锚的质量，kg；A为船锚在水平面上的投影面积，m2；Cd为拖拽系数(与锚的形状有关)；VT为船锚到底的最终速度，m/s。

将式(1)与式(2)合并，得到公式(3)：

式中：ρ水为水的密度(ρ水值取1025kg/m3)；A为船锚在水平面上的投影面积，m2；Cd为拖拽系数(与锚的形状有关)；V为船锚的体积，m3。

另外，计算船锚下落至海床时最终的冲击动能，还应该考虑附加水动力质量的影响。那么，最终的冲击动能公式应为：

这里附加质量ma(kg)＝ρ水CaV，不同种类物体的拖拽系数Cd和附加质量系数Ca见表1。

急抛锚时，决定船锚贯入海床深度的因素除了船锚到达海底时的速度外，还应与土壤的阻力等因素相关。对于管道是否在船锚的冲击下受损，也与管道的结构形式密切相关，如：钢套钢双层管的外管可以阻止部分冲击力，从而有效保护内管，另外混凝土配重层和防腐涂层也能够吸收部分冲击动能。

表1 摩阻系数 Tab.1 Drag coefficients

3 海底落锚冲击动能的吸收抵消

3.1 回填土壤吸收的冲击动能

管道进行挖沟铺设并填埋，在一定程度上可以额外保护管道免受落锚和拖锚的损坏，其作用大小主要取决于挖沟深度和填埋材料。根据实体试验，坠落物被回填土壤吸收的能量为：

式中：Ep为回填土壤吸收的能量，kJ；γ为回填土壤的有效单位重量，kN/m3；D为落物的直径，m；Ap为落物的底部面积，m2；z为落物贯穿土壤的深度，m；Nr、Nq为土壤承载力系数(注：不同性质的土壤承载力系数Nr、Nq参照TERZAGHI方程数据)。

3.2 混凝土配重层吸收的冲击动能

为了保证管道铺设在海底的稳定性，通常需要在管道外表面喷涂混凝土配重层来增加管道的重量。混凝土配重层也能在一定程度上抵抗异物的撞击。混凝土配重层吸收的能量与穿透体积和混凝土压碎强度有关。混凝土配重层受撞击情况下：

式中：Y为混凝土抗压碎强度(28d强度试验要求最小62MPa)；b为冲击物体的宽度，m；x0为物体贯入土壤的深度，m；h为物体下落深度，m。

根据DNV-RP-F107(2010)规范阐述，厚度为50mm的混凝土配重，吸收冲击能力约45kJ。

3.3 聚合物防腐涂层吸收的冲击动能

管道在外表面会喷涂聚乙烯防腐涂层(3LPE)，来保护管道不被海水腐蚀。另外，为了提高管道保温性能，还会给管道穿上一层不同厚度的聚氨酯泡沫外衣。以上这两层材料也会在一定程度上抵消外力对管道的冲击。表2是DNV-RP-F107(2010)规范阐述的不同聚合物材料的吸收冲击能量数值。

表2 聚合物涂层吸收能量 Tab.2 Energy absorption in polymer coating

4 验证结论

为了验证上述方法，以某海上油气田外输天然气管道为例。由于该管道穿越航路，为了保证管道安全需要进行挖沟埋设保护，计划后挖沟深度4m后，进行原土回填3.5m(沙质土壤)方式来保护管道安全。该管道的结构形式为单层防腐配重管，管外径355.6mm，壁厚14.3mm；外防腐层为厚度3.1mm的3LPE；配重层采用混凝土材质，厚度50mm，密度2950kg/m3。地质调查资料显示，习惯航路区域的底质土壤以沙质土为主。根据海事部门反馈，该行路行驶最大船舶为30万t油轮(VLCC)。采用以上数据来验证管道在3.5m埋深(填埋层厚度)的情况下，是否可以抵御16.8t重船锚(30万t油轮配置的锚重)的下落冲击。通过计算得出结果见表3。

表3 计算结果 Tab.3 Calculation results

根据DNV-RP-F107规范理念，从能量角度来验证海底管道在挖沟埋设方式下，在相应地质环境条件 下，选取较为保守的数据输入，来验证埋设深度、填埋层厚度、混凝土层的厚度，以及防腐层对船锚应急抛锚工况下，船锚撞击已防护海底管道的能力是否能够保证海底管道安全。以上验证结果显示，船锚最终的冲击动能(EE)小于回填土壤(Ep)、混凝土配重层(Ek)、防腐层吸收冲击动能之和，大于落锚的冲击能量，表明填埋层厚度3.5m可以抵御30万t VLCC油轮在应急抛锚工况下对管道的冲击。