渤海海域岸电工程锚害分析

陈泽光，李东杰，吴奇兵，李文涛

（中海油安全技术服务有限公司，天津 300450）

渤海油田是国内最大的海上油气田，是京津冀及国内重要的能源生产基地。目前我国海上平台主要采用以伴生天然气或者原油作为燃料的自发电形式。党的十九大报告提出“必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念”，推进绿色发展、能源生产和消费革命。2018年6月，国务院发布了“关于全面加强生态环境保护，坚决打好污染防治攻坚战”的意见，提出“打好渤海综合治理攻坚战”。2018年11月，生态环境部、发展改革委、自然资源部三部委联合印发了《渤海综合治理攻坚战行动计划》，确定开展陆源污染治理行动、海域污染治理行动、生态保护修复行动、环境风险防范行动等四大攻坚行动。为响应国家绿色发展和环境治理的相关战略计划和政策，加快渤海地区海上油田现有生产用电模式的转变，践行“绿色低碳”开发理念，中国海油提出利用陆地大电网为海上油田生产供电的方案（简称 “岸电”），通过岸电替代油田自发电方式，大幅削减海上温室气体和污染气体的排放量，是中国海油实现高质量发展与绿色发展的良好实践。

随着渤海湾岸电海缆线路数量的不断增加，船锚钩挂而造成的海缆损坏风险越发严重。据历史数据统计，人类活动造成 70%以上的海缆故障，而其中三分之一是锚害，IEEE 海缆铺设规范也把锚害列为人为损坏之首[1-2]。因此，为保障渤海区域海洋石油开发生产和岸电高压海缆安全、平稳运行，特开展渤海区域岸电高压海缆锚害分析研究，为高压海缆的安全运行和风险管控提供技术指导。

1 锚害分析方法概述

1.1 抛锚作业对海缆的撞击概率

锚落入水中后会发生漂移现象， 以锚的落水点为圆心，将海底区域划分为相同步长的圆环，锚的撞击概率示意图见图1。

图1 锚的撞击概率示意图Fig. 1 Schematic diagram of anchor impact probability

假设锚在海底的触底点与落水点垂直投影之间的距离小于圆环半径，锚着陆在以坠落点的垂直投影为圆心，锚的撞击概率P，用公式表示为[3]：

式中：r为圆环半径，m。

撞击条件概率会受到偏移角度和实际海水深度的影响。每一圆环内的撞击条件概率Phit,r由以下公式求得：

式中：P(ri≤x≤r0)为 锚掉落在半径ri与r0之间圆环内的撞击概率；P(x≤r0)为 锚触底在半径为r0的圆内的撞击概率；P(x≤ri)为 锚触底在半径为ri的圆内的撞击概率；ri为 内圆半径，m；r0为外圆半径，m。

式中：Ar为相应环形区域的面积，m2。

抛锚作业对于海缆的撞击概率是用各个圆环内的单位面积撞击概率乘以各个圆环内的海底电缆的可能撞击面积：

式中：Phit,sl,r为海底电缆在每一圆环内受到撞击损害的概率；为每个环形区域内单位面积的撞击概率，m-2；Lsl为每个圆环内海缆的长度，m；D为海缆的直径，m；B为猫爪方向与电缆走向平行时锚的宽度，m。

锚触底后对海缆的总撞击概率Panchor可由下式求得[4]：

式中：mi为以入水点的垂直投影为圆心、以10 m 半径所分圆环的数量。

1.2 锚的贯入深度

（1）落锚贯入深度计算

一般情况下，随着船舶吨位的增大，锚重相应增大，抛锚后沉入水底的深度也随之增大。由行业内相关经验数据及相关公式，得到投锚入水深度Y随锚重X变化的关系[5]为：

（2）拖锚贯入深度计算

设锚爪长度为OC=h，锚爪展开角度为θ(取最大值，θ≈ 40°)，锚冠厚度为OD=h1，锚入土深度为D，船舶抛锚后，在以下不同情况下锚入土的深度[6]：

锚爪全部没入海床：

锚冠全部没入海床：

1.3 海缆锚害风险等级划分

通过划分海缆路由锚害风险可能性等级和锚害后果等级，利用风险矩阵法，确定海缆路由锚害风险等级[7-9]。

（1）锚害风险可能性等级划分

参考国际大电网组织技术报告（CIGRE TB 398）中提出的海底电缆故障频率，结合渤海区域岸电高压海缆工程实际对海缆路由锚害风险可能性等级进行划分（表1）。

表1 海缆路由锚害风险可能性等级划分Table 1 Classification of risk possible grades of sea cable routing anchor damage

（2）锚害后果等级划分

结合渤海区域岸电高压海缆锚害（落锚和拖锚）破坏程度、事故造成的海缆系统的生产损失等因素综合确定海缆路由锚害后果等级（表2）。

表2 海缆路由锚害后果等级划分Table 2 Classification of sea cable routing anchor consequences

（3）海缆锚害风险等级划分

利用风险矩阵法进行海缆锚害风险等级划分。将海缆锚害风险可能性等级和海缆锚害后果等级置于二维矩阵中得到风险等级划分矩阵，其中X轴描绘后果，Y轴描绘可能性，从而确定海缆锚害风险等级[10]，即：

矩阵形式见表3，风险（R）描述及等级划分见表4。

表3 海缆锚害风险等级矩阵Table 3 Sea cable anchor damage risk grade matrix

表4 海缆锚害风险等级划分Table 4 Classification of sea cable anchor damage risk grades

2 渤海海域高压海缆锚害分析

以渤海地区河北区域岸电工程为例进行锚害分析，本工程位于河北唐山市东南海域，又称秦皇岛32-6、曹妃甸11-1油田群岸电应用工程 （图2）。包含三段路由，分别为曹妃甸登陆点至CFD 油田海上变电站平台路由、乐亭登陆点至QHD32-6 油田海上变电站平台路由和CFD 油田变电站平台至 QHD32-6 油田变电站平台路由。选取该工程CFD 油田变电站平台至 QHD32-6 油田变电站平台路由段进行锚害分析计算。

2.1 锚害撞击概率分析

选取250 000 t运输矿船作为撞击概率计算示例。锚重为17.8 t，京唐港25万吨规划航道水深26 m，锚偏移角2°，故该船锚在掉落过程中的侧向偏差为：

图2 本工程位置示意图Fig. 2 Schematic diagram of the project location

此运输矿船触底的锚若掉落点在海缆经过区域第一个10 m范围内的圆的撞击平均条件概率为：

故250 000 t的运输矿船的锚掉落在其余圆环内的撞击平均条件概率为0。此锚掉落于该圆形范围内的单位（m-2）撞击概率为：

在其余环内的撞击概率均为0，每个圆环内，海缆长度为20 m；海缆直径由工程数据可得为0.25 m，250 000 t船舶锚的宽度为2.869 m，则落锚在第一个10 m圆内撞击海缆的概率为：

同理可得，CFD 油田变电站平台至 QHD32-6油田变电站平台路由段其他船舶类型的总撞击概率见表5。

表5 不同船型船锚与海缆的总撞击概率Table 5 Total impact probability of anchor and cable of different ship types

由计算结果可得，在CFD11-1CEPJ至QHD32-6岸电路由段，不同船舶落锚时，其落锚撞击点均位于落锚垂直投影点10 m范围之内，且撞击概率随着船舶载重的增大而增大。CFD11-1CEPJ至QHD32-6岸电互联路由区域排水量大于5 000 t的船舶的锚掉落在10 m范围圆环外的撞击平均条件概率为0，10 m圆环内的撞击概率最大为0.198 （排水量25万吨）。排水量小于5 000 t的拖船、小型客轮的最大落锚撞击范围为距落锚点垂直投影40 m，总撞击概率为100 t拖船0.064，小型客轮为0.092 7（排水量3 000 t）。

2.2 锚贯入量分析

（1）落锚贯入深度

当海底电缆受到撞击时，其受到的伤害程度主要取决于掉落物体的能量和保护层所能吸收的能量之差。一般情况下，随着船舶吨位的增大，锚重相应增大，抛锚后沉入水底的深度也随之增大。由地质调查数据可知河北区域三段岸电路由地质为多为淤泥、细砂质（4 m范围以内），根据经验公式（6），计算得到代表船型不同锚重下贯入深度（表6）。

表6 代表船型锚重贯入深度Table 6 Anchor penetration depth of represents ships

由《秦皇岛32-6、曹妃甸11-1油田群岸电应用工程基本设计文件》可得，CFD11-1CEPJ至QHD32-6CEPJ互联路由段航道穿越区域设计埋深为4 m。海缆均采用回填及其他保护措施。由计算结果分析可得，在不考虑海缆埋设保护情况下，CFD11-1CEPJ至QHD32-6CEPJ互联路由区域，目前交叉航道最大通航条件为200 000 t，现通航条件下，船舶落锚时，船锚贯入深度小于海缆埋深深度，考虑到最大设计通航条件（250 000 t），250 000 t运输矿船落锚贯入深度大于海缆设计埋深，为4.38 m。

（2）拖锚贯入深度

根据式（7）和式（8）计算得到不同船型拖锚时仅锚爪没入海床和锚冠全部没入海床两种情况下的贯入深度（表7）。

不考虑海缆埋设保护情况下，由拖锚贯入深度计算结果可知，当发生拖锚时，若仅锚爪没入海底，则载重100 t拖船、小型渔船锚贯入深入为0.46 m，400 000 t“BERGEACONCAGUA”号拖锚贯入深度为1.73 m。与河北区域岸电项目海缆设计埋深对比，在船舶拖锚时，仅锚爪没入海底时，船锚贯入深度均小于海缆设计埋深。

当发生拖锚时，若锚冠完全没入海底，则载重100 t拖船、小型渔船锚贯入深入为0.71 m，400 000 t “BERGEACONCAGUA” 号拖锚贯入深度为3.74 m。与河北区域岸电项目海缆设计埋深对比，在船舶拖锚时，船舶锚冠完全没入海底时，船锚贯入深度均小于海缆设计埋深。

2.3 锚害风险分析

根据以上海缆锚害计算结果，结合海缆路由保护措施，利用海缆锚害风险等级划分方法，对河北区域岸电工程CFD11-1CEPJ至QHD32-6CEPJ互联路由段进行风险分级，结果见表8。

在采取砂砾覆盖、抛石覆盖、人工回填碎石和毛石、覆盖水泥压块等保护措施后，河北区域岸电高压海缆各锚害风险均为低风险。

表7 拖锚时锚爪全部没入海床贯入深度Table 7 When towing, penetration depth with all the anchor claws are sunk into the seabed

续表 7

表8 CFD11-1CEPJ至QHD32-6互联路由海缆锚害风险分级表Table 8 Risk classification table of cable anchor damage in CFD11-1CEPJ to QHD32-6 interconnection routes

3 安全对策措施及建议

3.1 岸电海缆监测

建立渤海区域岸电项目海缆综合在线监测系统，并通过开闭站实行海缆的实时远程监控。通过对海缆温度、扰动、埋深、AIS等运行信息的在线监测、实现对海缆的综合监护，实时监控海缆可能遭受的危害事件；对于突发的危害事件进行事先报警及定位，协助相关人员及时、准确地保护海缆，消除安全隐患最大限度地提高海缆的运行效率；同时海事船只信息系统能记录事件的时间及肇事船只，为将来事故追查提供便利。

3.2 岸电海缆巡查

渤海岸电海缆涉及的范围较广，海缆巡查可以多种方式相结合：陆岸人员巡检+路由船的复查+潜水探查+无人机的巡查等方式组合进行。

（1）登陆段应进行定期巡视，周期为每周一次。定期巡视一般安排在潮位最低时进行。海缆登陆段有异常时，应每天巡视一次。

（2）中间海域应重点检查海床面地形起伏情况与堆石防护层厚度、海底路由线的海缆地质是否严重冲埋及能否埋设到所需深度、是否存在妨碍埋设施工的海底障碍物。

（3）潜水探查：潜水探摸目视检查对部分裸露和石油平台附近的海底电缆状况进行巡查。

（4）船舶巡查：利用守护平台之间的拖轮或船舶对平台之间及平台周边区域的海底电缆路由进行日常巡查，检查渔船、工程船及商船异常抛锚情况。

（5）无人机检查：针对陆岸到平台之间的海洋可以采用无人机巡检方式对海底电缆进行检查、异常情况拍照。

3.3 海缆运行管理

（1）在AIS系统的基础上深入研究，开发基于AIS的海缆运维预警系统。系统能够通过监控在海缆安全区内船只的AIS信号，对海缆保护区内船只航速减慢到告警值或停航的情况立即发出报警信号，监控人员通过高频广播向船只发送警报，同时利用政企联动机制，通知海事部门驱离危险船只，保障海缆安全。

（2）岸电管理部门可以利用通信公司对进入移动网络信号覆盖的海缆路由周边抛锚区、靠泊区等区域的移动终端用户发出提示短信。通过智能提醒，降低没有安装AIS系统或已关闭AIS系统的小型船舶损伤海缆的风险。

（3）岸电管理部门应与港口对接，建立港企协同工作机制。由供电部门牵头，港口方配合，向靠泊的大型船舶宣传岸电海缆保护要求，重点向靠泊船舶讲解跨越航道的线路路由、海事部门划定的锚地、海缆保护信号等知识，强化船员海缆保护意识。