拖网捕鱼作业对水下M型跨接管安全的影响及评估方法

潘悦然，任小川，翟 墨，张世宽

(1.海洋石油工程股份有限公司 天津 300451；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452)

0 引 言

我国南海有大量油气田和水下生产设施，其中，跨接管是用于连接水下管线终端、水下管汇和采油(气)树等水下结构物的管道系统，是深海油气开发中必不可少的关键性结构。拖网捕鱼作业是近现代采用数量最多的一种捕鱼方法，在拖网过程中，渔网具极有可能与水下跨接管发生钩挂，从而使跨接管受损，甚至对跨接管结构产生不可修复的破坏。本文以南海某 M 型跨接管为例，进行跨接管在拖网钩挂下的安全评估，估算风险并提出保护方案。

1 跨接管设计参数与几何尺寸

针对南海某4in(101.6mm)M型跨接管构型，利用ABAQUS有限元分析软件建立三维结构模型并开展强度分析。水下跨接管结构设计参数如表1所示，构型尺寸如图1所示。

图1 水下跨接管构型及主尺寸(mm)Fig.1 Shape and dimensions of 4-inch jumper

表1 跨接管结构设计参数Tab.1 Structural design parameters of jumper

2 跨接管结构受力分析

水下跨接管结构的有限元模型、坐标系统和载荷方式见图2，总体坐标系统中Z轴平行于跨接管水平跨距方向，Y轴为跨接管垂直方向，整体M型跨接管位于Y-O-Z平面内，X轴垂直于跨接管平面。

跨接管模型使用“PIPE31H”单元模拟管道梁和“ELBOW32”单元模拟弯头，连接器使用等效梁单元，根据连接器外径、高度和重量进行等效。跨接管的水下重量通过加载重力加速度进行等效模拟，跨接管单位长度重量考虑内衬层、最大的介质密度，主要的功能载荷考虑内压、外压和温度[1]。

本次评估中拖网作业对跨接管加载方式主要考虑2种载荷方式。

载荷方式 1：渔网与跨接管底部发生集中载荷，通过在跨接管底部特定位置加载集中载荷进行模拟。加载位置通过沿跨接管底部跨长间隔 1m的不同位置进行筛选，选取应力结果大的位置作为最终的加载位置，如图2所示。

载荷方式 2：渔网对跨接管肩跨拖拽作用载荷，通过对跨接管竖跨和肩跨部分加载均布载荷进行模拟，分别对左右两位置的竖跨进行分析，选取应力结果大的位置作为最终的加载位置，如图2所示。

图2 跨接管受力分析模型Fig.2 Analysis model of 4 inch jumper

根据上述分析方法对4in跨接管进行结构分析，分别得到跨接管到达最小屈服应力和最小拉伸强度时的载荷大小。分析结果见表2。

表2 跨接管受力分析结果Tab.2 Analysis result of 4-inch jumper

图3为4in跨接管载荷方式1到达屈服应力分析结果示意，图4为4in跨接管载荷方式2到达屈服应力分析结果示意。

图3 载荷方式1应力分析结果Fig.3 Analysis result of load mode 1

图4 载荷方式2应力分析结果Fig.4 Analysis result of load mode 2

3 拖网作业参数估算

主要依据 DNVGL-RP-F111[3]推荐，分析中使用到的相关网板数据见表3，并进行了一定的保守假设。

表3 网板参数Tab.3 Trawl net parameters

基于以上数据，根据DNVGL-RP-F111推荐核算公式，估算拖网作业可能对跨接管产生的作用力 Fp，估算公式见式(1)：

其中：V为拖网速度(m/s)，mt为网板质量(kg)，参见表3；CF为经验系数，方形网板可由式(2)估算，钢制V形网板由式(3)估算。

其中：Hsp为跨接管底部距离泥面高度(m)，本文模型为 1.3m；Do为跨接管外径(m)，本模型为0.1143m；B为网板高度的一半。

kw为曳网的刚度(单位 N/m)，在缺少具体数据的情况下可由式(5)估算：

其中，Lw为曳网的长度(m)，一般情况下此长度为水深的 2.5～3.5倍，保守考虑选取 2.5倍水深，本文模型选取水深为200.2m。

根据上列估算公式和假设参数估算拖网作业对跨接管的作用力，针对4in跨接管估算的分析结果见表4。

表4 拖网作业对跨接管作用载荷估算Tab.4 Load estimation of trawl operation on 4-inch jumper

拖网作业可能干涉跨接管的频率，以区域内预测到的拖网渔船穿越该区域的次数为计算标准。以南海某区域为例：假设每年有5艘拖网渔船在该区域长期作业，每月内拖网作业3次，每次作业持续7d。每天在该区域内拖网 5次，按一天拖网 5次，1次持续2h，拖网平均速度 2m/s进行计算，可以得到 1天内的拖网距离为 72km，根据该区域的边界长度，1天内可穿越该区域 4次，则每月穿越次数为 84次(3×7×4)；每年可以考虑作业 11个月，则每年穿越该区域次数为 924次；5艘拖网渔船长期作业，则该区域发生的渔船穿越次数为4620次。

4 风险估算

使用表5的典型风险矩阵对拖网作业对跨接管损害的风险进行评估。评估结果等级根据拖网干涉和破坏等级相加的风险等级进行划分，风险等级划分见表6。

表5 风险评估矩阵Tab.5 Risk assessment matrix

表6 风险等级划分Tab.6 Risk classification

风险评估矩阵中的拖网干涉跨接管频率等级可按表7进行划分，此划分方法参考DNVGL相关研究报告。

根据对跨接管应力分析结果，因为载荷方式1得到破坏载荷要大于载荷方式 2，所以选取载荷方式 1的载荷结果进行破坏等级划分。表8为 4in跨接管破坏等级划分。

根据表7估算的拖网干涉频率等级和表4、8的破坏载荷等级划分，以及拖网作业载荷对4寸跨接管风险评估矩阵进行了计算，得到的风险等级结果见表9。

表9 4 in跨接管风险等级计算结果Tab.9 Risk level of 4-inch jumper

根据以上风险评估计算，风险等级略高。需说明的是由于缺少对目标区域拖网捕鱼作业中渔船数量、详细的拖网设备等实际调查数据，风险评估计算中的不确定数据采用保守原则进行假设。

5 结论与建议

基于风险矩阵评估方法对目标跨接管进行评估。通过建立有限元模型、确定风险等级、发生频次，计算跨接管的累计损伤，针对累计损伤破坏等级进行评估，以确定跨接管结构是否安全[4]。在渔业船舶活动频繁时期建议增加守卫船舶、监察频次，并对其进行警告、驱逐等。在跨接管的风险等级划分后需进行必要防护。针对本文中跨接管的保护，建议采用“防沉板+保护罩+格栅”的形式[5]。