關于事故性拋錨對海底管線損害的探討

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(武漢理工大學 航運學院，武漢 430063)

海底石油管線是海洋油氣資源開發和利用的生命線，它的安全與否直接影響著海洋石油工業和海洋生物與環境的發展。海底石油管線在安裝與油氣輸送過程、漁業捕撈等人類海洋活動以及其他事故性拋錨作業中，難免會產生各種各樣的損傷和缺陷，如出現表面凹坑、擦痕、裂紋、彎扭及變形損傷等。海底石油管線的損傷和缺陷可分為兩類：一類是發生在管道內部或外部，沒有產生任何油氣泄漏，如果管道的應力在許用應力之內，油氣運輸可以不中斷，可等待日后管線的評估和維修；另一類是管線中的油氣產品會發生泄漏，在這種情況，必須立即停止油氣產品的輸送，進行管線維修，事故性拋錨作業就是引起這種破壞的一個重要方面。因此，為保障海底石油管線石油運輸安全，避免遭受重大經濟損失和海洋生物生態環境的破壞，必須對事故性拋錨損傷石油管線的概率及損害程度進行評估和分析，為管線的維修、結構承載潛力的挖掘提供科學合理的決策依據，從而大大提高海底石油管線的綜合經濟效益。

1 事故性拋錨對海底管線撞擊概率

1.1 事故性拋錨作業的分類

對海底管線有影響的事故性拋錨可分為：

1) 在海底管線上方或附近的鉆井平臺進入施工水域時，由拋錨服務船對平臺進行錨泊作業時，拋錨服務船可能由于操作失誤而發生脫錨事件。

2) 從鉆井作業到完工期間，錨鏈可能發生斷裂事件。

3) 漁業捕撈用具及拖錨等對海底石油管線的拖拉與撞擊。

4) 沿航道航行和非航道航行的各類其他船舶在緊急情況下的拋錨作業。

1.2 撞擊概率的計算

文獻[1]中曾對錨泊作業撞擊對海底管線的概率做過研究，認為由于操作失誤、緊急情況下拋錨等原因而發生的事故性錨泊作業，錨墜落撞擊海底管道的概率為：

Panch i=Ni·P1i·P2i

式中：Panch i——第i個錨脫錨或緊急情況下拋錨撞擊海底管道的概率；

Ni——第i個錨的拋錨次數；

P1i——由于誤操作第i個錨脫錨或緊急情況下拋錨的概率；

P2i——第i個錨脫錨后掉落在管道上(裸露)或管道上方(填埋)的概率；

i——錨的編號。

P1i的值可采用統計資料或查閱相關文獻(如DNV數據庫)或統計資料獲得。

P2i可采用如下方法求解：首先，求解錨墜落在一定范圍內的概率，然后根據海底管道在此區域內的布置，求解撞擊管道的概率。

總的撞擊概率Panch為：

式中：n——墜落錨的個數。

2 海底管線被錨擊中后損害程度

撞擊事件發生后是否對管線造成損害，造成多大的損害，必須進行撞擊能量的分析。Bjornoy和Rengard等[2]對不同材料及具有不同尺寸的凹陷、切痕及同時具有凹陷和切痕的管線進行試驗，獲得了大量有價值的試驗結果，用于研究受損管線的殘余強度及發展修正有關的標準等。Estefen和Netto等[3]利用實驗及大變形和彈塑性理論研究了幾種海洋損傷石油管線模型的殘余強度，并將殘余壓力容限的實驗結果與非線性差分數值結果進行比較，實驗與數值計算結果接近。Ellinas和Walker 等[4]研究了海洋損傷石油管線，給出了一個撞擊載荷P與撞擊點處損傷深度d之間有用的經驗關系式：

式中：D——管道的直徑;

K——給定常數，為150；

mp——管道壁的塑性瞬時能量。

損傷的局部深度dx可由下式計算：

式中：x——離開撞擊點的距離。

實際工作中，25 m以內的水深中拋錨，往往是一錨到底，不用錨機剎車剎減出鏈速度。試驗證明，自重為Wa的錨，在深水中不用錨機剎車剎減出鏈速度的情況下自由拋錨時，其下降的最高速度即最終觸底前速度va可由試驗公式計算[5]：

式中：Wa——錨重，t。

以5 t錨為例進行計算，其最終速度為va=6.15 m/s，這時錨具有的動能：

其動量為：

p=mv=5 000×6.15=30 750 kg· m/s。

以霍爾錨為例，船舶誤拋錨在管線頂部，一般情況下，錨入土深度為：

T=Hcosα+B/2

式中：T——錨入土深度；

H——錨爪高度；

α——錨爪展開角度；

B——錨身厚度。

在這種情況下若錨與海底管線做完全非彈性碰撞，管線所受的損傷非常大。試比較56式普通彈頭7.9 g，開槍初速度為710 m/s，其動能為：

其動量為：p=mv=0.007 9 ×710=5.61 kg· m/s。

在這種條件下，在100 m距離上可射穿6 mm厚的鋼板、15 cm磚墻, 30 cm厚土層、40 cm厚木板，兩者相比較，每次事故性錨海底管線的損傷程度可見一斑。

3 應對措施

目前國內對海底管線保護的課題主要集中于防腐蝕方面[6]，如外部涂層(熔結環氧(FBE)涂層、聚乙烯(PE)涂層、煤焦油瓷漆涂層、煤焦油環氧涂層、復合涂層)和陰極保護聯合的方法進行防護等(在此不作進一步研究)，而對管線埋深方案的研究卻極為有限。

鑒于事故性拋錨、管線腐蝕、海床運動等對海底管線的損害，筆者通過對埋深方案的研究認為在管線設計時應考慮如下：

1) 合理的管道線路設計。在選擇海底管道線路時，應盡量在海底地形平坦且穩定的區域，避開海床起伏較大、沖淤嚴重、具有活動斷層或軟弱土層區域，同時還要盡可能避開船運航道、漁業活動區、礦業活動區，這樣可以降低管道因遭受外物撞擊、漁網拖掛、海床運動等破壞的概率。

2) 油、氣在管線中流動時會使管線產生輕微振動，使埋設管線浮出管溝。

3) 風浪和海流作用也會造成管線振動，使混凝上層破壞，甚至造成管線裸露，并可能導致管線產生疲勞破壞。波流沖刷作用：當海底管道埋深不足時，在波流反復沖刷作用下會逐漸裸露出海底而呈懸跨狀態，波流流經懸跨管線時會在管道后部釋放旋渦引起管線振動。當懸跨管線自振頻率與旋渦釋放頻率相近時管線發生渦激共振，使管線在很短的時間里發生疲勞或強度破壞。

4) 合理的管線埋深設計。海底管線埋深設計過程即采取措施防止管線損壞的過程，它是防止管線損壞最重要的環節，腐蝕、波流沖刷等造成的海底管線損壞在一定程度上都可以通過合理的設計來防止。

海底管線埋深設計時，應考慮管線的埋設方式(如自然回填或人工埋設)以及海底和填料的性質等，采用將海底管線埋設、用砂袋或混凝土對管線進行外部防護、給懸空管線加固定支撐等方法來防止管線底部被波流沖刷淘空而發生渦激振動。在設計時選取合理的計算理論和計算方法對設計參數進行準確計算，并根據海底管線工作環境條件、工程施工難易、施工單位能力等實際情況來選擇最有效可行的安全防護方法。

以某島登陸點向外26 km(淺水段)海底天燃氣管線埋深方案為例：河口段施工方案均需對河口段約16 km的區域進行預挖溝人工回填，規劃河床底面距管線頂部2.5 m，而且埋設管頂至-9.4 m(85高程)。按照3 000 t級航道的水深要求，海底管線的埋深必須達到-11.50 m以上(85高程)。后挖溝埋設段中兩段穿越沙波處需要深埋，其余后挖溝部分海底面距管線頂部1.5 m。預挖基坑的開挖斷面和基坑回填：基坑底寬為5 m，按1∶3邊坡開挖，基坑的深度大約為3.1 m(從規劃河床面至管頂端為2.5 m，加上管的直徑)，基坑底標高為-10.0 m(85高程)，而與航道相交處的基坑底標高為-11.50 m(3 000 t級航道水深至少為6.5 m，另埋管至規劃河床底深為3.5 m，再考慮85高程)。基坑的會議案是在海底管線鋪完之后進行，先拋一層2.1 m厚的碎石(0～100 mm)，然后拋放1 m厚的塊石層(0～720 mm)。而后挖溝的回填方式為自然回填。該航區以3 000 t級船舶為代表船型，單錨重約為1.5 t。以1.5 t霍爾錨為例，錨高2.03 m，錨爪展開角度約為45°，錨爪高度約為錨高的一半即1.015 m，厚0.664 m，船舶誤拋錨在管線頂部，錨入土深度為：

T=Hcosα+B/2=

即使整個錨桿垂直全部沒入海底，此時錨入土深度為2.03 m，也不致造成海底管線損傷。

4 結束語

海底管線是高風險的工程，其高風險主要來自惡劣的環境條件的腐蝕、波流沖刷、事故性拋錨的破壞、不規范的拖網捕撈作業、管線自身的材料和焊縫缺陷、管道附件缺陷、海床運動等。可以通過合理的管道線路設計、合理的管道埋深設計、嚴控材料質量、運行期間定期檢測等措施來防止海底管線損壞事故發生，提高海底管線的安全性。

[1] 劉學濤,張 磊,郭振邦,等.錨泊作業對海底管道撞擊概率的研究[J].石油工程建設.2005 (6),31-33.

[2] Bjornoy O H, Rengard O.Residual strength of dented pipelines, DNV test results[A] .10th International Offshore and Polar Engineering Conference[C],2000.11,182-188.

[3] Estefen S F, Netto T A, Alves T M J.Residual strength of damaged offshore pipelines.Pipeline Technology, ASME, 1992 OMAE,V: 233-238.

[4] Ellinas C P, Walker A C.Damage on offshore tubular bracing mambers, IBASE Colloquium, Copenhagen, 1983.

[5] 王春華.淺談備錨與拋錨[J].天津航海，1999(1),11-12.

[6] 朱承德.海底管線的外部防護[J].材料保護，1994(4),30-33.