拖網作業(yè)對海底管道影響的理論分析與模型試驗

賈 旭 于春潔

(中海油研究總院 北京 100028)

賈旭，于春潔.拖網作業(yè)對海底管道影響的理論分析與模型試驗［J］.中國海上油氣，2015，27(5)：116-120，129.

在海洋石油、天然氣開采工程中，海底管道是油氣輸送的重要設施。海底管道常年在海流和波浪等沖刷作用下會出現裸露和懸空狀態(tài)，其懸空高度和長度視具體工程情況有所不同。當海底管道裸露或懸空時，如果該海域有漁業(yè)活動，易出現對管道造成撞擊、拖越等情況而威脅到管道的安全，需要在工程設計、施工中加以考慮。本文針對東海海域漁業(yè)活動，通過理論分析和模型試驗，確定拖網對海底管道的作用荷載，并依照DNV-RP-F111規(guī)范，針對圓形網板、桁桿等結構對海底管道的撞擊力和拖越力進行理論分析。在此基礎上，分別在空氣中和水中對海底管道開展了撞擊和拖越試驗，研究了不同拖網速度、不同漁具結構類型對不同懸空高度管道的作用力，并與基于規(guī)范的理論分析結果進行了對比，結果表明工程設計中采用理論計算結果偏于保守，可以適當優(yōu)化。

1 拖網作業(yè)對海底管道作用的理論分析

根據東海漁業(yè)作業(yè)調查資料，選擇桁桿拖網和單拖網作為主要研究對象［1］。桁桿拖網中的桁桿一般為40m長的空心圓桿，外徑330 mm、內徑318 mm、質量1 900 kg，典型拖網速度為1.1 m/s左右，作業(yè)水深一般在100 m范圍以內；單拖網中的圓形網板質量通常約為170 kg，最大可達400 kg，拖網速度為1.8 m/s左右，作業(yè)水深一般可達300 m。這表明，我國東海的漁業(yè)設施尺寸、質量及拖網速度等遠小于挪威北海的實際情況。根據DNV-RP-F111規(guī)范，漁業(yè)活動對海底管道等的作用形式包括撞擊與拖越，因此根據推薦的理論計算方法分別計算分析了圓形網板和桁桿對海底管道的撞擊力和拖越力。

1.1 圓形網板對海底管道的撞擊力

拖網漁具在拖曳的過程中與海底管道相撞，拖網漁具的動能轉化到管道上所產生的力即是漁具對管道的撞擊力［2-3］。由于撞擊時間非常短，大部分撞擊能量將轉化為管道的局部變形。根據DNV-RPF111規(guī)范，采用簡化的計算方法，即計算圓形網板質量產生的撞擊能量Es和圓形網板附加質量產生的撞擊能量Ea，選取Es和Ea較大者作為管道撞擊能量，再根據撞擊能量確定撞擊力，從而求出撞擊凹坑深度。

1)圓形網板質量產生的撞擊能量Es。

式(1)中：Rfs為圓形網板(鋼板)質量的折減系數，可根據理論計算和漁業(yè)調查資料確定；mt為圓形網板質量；Ch為懸空高度修正系數，可由理論計算確定；V為圓形網板運動速度。

2)圓形網板附加質量產生的撞擊能量Ea。

其中

式(2)、(3)中：Fb為附加質量產生的沖擊力；Rfa為附加質量折減系數；fy為海管材料屈服強度；t為海管管壁厚度；ma為附加質量；kb為抗彎剛度；其他符號意義同前。

3)最大撞擊能量Eloc。

4)撞擊力Fsh。

5)撞擊凹陷深度Hpf。

式(6)中：OD為海管外徑；其他符號意義同前。

1.2 圓形網板對海底管道的拖越力

拖越力分析是針對拖網漁具和管道接觸并翻越管道的過程。在這一過程中，管道將根據拖網漁具的不同而可能受到垂直力、水平力或兩者組合［4］。

拖越水平力Fp：

拖越垂向力Fz：

式(7)、(8)中：CF為板拖曳力系數，CF=8.0×(1-e-0.8ˉH) ；ˉH為無量綱高度為懸空高度；B為圓形網板高度的一半；kw為拉伸剛度系數為彈性模量；Aw為曳綱(拖曳纜繩)面積；Lw為曳綱長度；其他符號意義同前。

同理，將以上計算中的圓形網板換成桁桿，即可計

算桁桿對管道的撞擊力和拖越力。

2 拖網作業(yè)對海底管道影響的模型試驗

根據東海海域的漁業(yè)活動，開展了漁具對海底管道撞擊力和拖越力的模型試驗［5］。內容包括：①空氣中和水下管道的撞擊試驗，考慮了圓形網板和桁桿漁具設施及管道不同懸空高度(分別為0.14D、0.43D和0.87D，D為管道模型直徑)的組合工況；②空氣中和水下管道的拖越試驗，其中圓形網板的拖越試驗考慮了不同管道懸空高度的影響。

2.1 試驗裝置

1)試驗水槽。試驗水槽長60 m、寬40 m、深2.5 m，工作水深0.2～2.0 m。

2)變頻拖曳系統(tǒng)。主要包括電機、變頻器、滑塊、鋼絲繩、滑輪、滑道以及固定裝置等(圖1)。該系統(tǒng)依靠電機的轉動提供動力，拖拉滑塊在滑道內沿水平方向運動。滑塊的另一端通過繩索連接圓形網板或者桁桿模型，以不同的速度撞擊或者拖越管道模型，滑塊-纜索-圓形網板(桁桿)系統(tǒng)在行進過程中可保持恒定的相對位置，確保以恒定角度撞擊結構物模型。試驗中通過變頻器控制電機轉速，進而控制拖曳速度。

圖1 海底管道撞擊力和拖越力模型試驗中變頻拖曳系統(tǒng)裝置圖Fig.1 Frequency conversion towed system in subm arine pipelinemodel test under impact load and pull over load

3)兩向力傳感器。兩向力傳感器與管道模型兩端相連，可直接測量水平和垂向的撞擊力、拖越力。其優(yōu)點是可以對作用力進行直接測量，缺點是不可浸沒在水中。為實現水下撞擊試驗，通過剛性導板將測力計與被撞擊物連接。兩向力傳感器裝置如圖2所示，水下撞擊現場如圖3所示。

圖2 海底管道撞擊和拖越力模型試驗兩向力傳感器裝置圖Fig.2 Two force sensor in submarine pipelinemodel test under impact load and pull over land

圖3 海底管道撞擊和拖越力模型試驗水下撞擊現場圖Fig.3 Field of subsea im pact in submarine pipeline m odel test under im pact load and pull over land

4)光纖光柵應變傳感器。試驗中將光纖光柵傳感器封裝在物體表面，當物體受力產生應變時，光柵的寬度會產生改變，導致光信號波長的變化。光信號通過光纖傳輸給光纖信號解調儀，通過分析波長的變化值可計算出相應的響應應變，進而反算作用力。由于光纖光柵傳感器輸出的是光信號，因此無需進行防水處理，直接用于水下試驗，同時兼?zhèn)洳皇芡饨与姶判盘柛蓴_的優(yōu)點。

2.2 相似準則及模型材料和尺寸的確定

1)相似準則。流體力學模型試驗涉及眾多相似準則，如雷諾相似、歐拉相似、柯西相似等。但在開展具體試驗工作時，由于流體屬性、材料屬性以及重力加速度等不能同時等比例縮放的原因，難以同時滿足這些相似準則應用的條件。當考慮具體問題時，應在確保幾何相似的前提下，根據所研究問題的主要特征，選擇主要的相似準則。對本試驗而言，重點考慮重力相似，即試驗模型根據幾何相似和重力相似(試驗與原型中的弗勞德數相等)來確定。選取模型與原型的幾何比尺為1∶10，則速度比尺為1∶3.16，受力比尺為1∶1 000。

2)模型材料和尺寸。根據幾何比尺和漁業(yè)調查資料所給的基本數據，確定模型材料和尺寸如下：

①管道。小管徑管道直徑3.45 cm、長0.90 m、壁厚3.00 mm；大管徑管道直徑7.2 cm、長0.9 m、壁厚4.0 mm。

②曳綱。纖維玻璃繩，直徑1.5 mm。

③圓形網板。鋼質，長 20 cm、高 12 cm、厚2 cm，質量396 g。

④桁桿。鋼質，長50 cm，質量1 900 g。

2.3 管道模型的撞擊試驗結果

圓形網板的撞擊力試驗結果見圖4，可以看出：圓形網板對管道撞擊時，在空氣中和水中的撞擊力相差不大，整體趨勢是隨著速度的增大而增大；理論計算結果較試驗結果偏大，為試驗結果的1.5～2.0倍。

圖4 圓形網板對不同懸空高度管道的撞擊試驗結果Fig.4 Results of traw l board impact on different suspended pipelines

桁桿的撞擊力試驗結果見圖5，可以看出：桁桿對懸空管道撞擊時，在空氣中和水中的撞擊力基本一致，整體趨勢是隨著速度的增大而增大；理論計算結果較試驗結果在各流速下整體偏大100～150 kN。

圖5 桁桿對不同懸空高度管道的撞擊試驗結果Fig.5 Results of beam traw l impact on different suspended pipelines

工程設計中，在缺乏相關試驗的情況下通常按照規(guī)范在理論上進行海底管道撞擊設計。通過本次試驗得知，對海底管道撞擊力理論計算結果偏于保守，建議在設計中可以根據具體情況進行優(yōu)化。

2.4 管道模型的拖越試驗結果

在空氣和水中分別對管道模型(管徑D=3.45 cm)進行了拖越試驗。管道懸空高度不同時，理論計算中的圓形網板拖曳力系數會有所變化，但桁桿拖曳力系數不受懸空高度的影響。直徑D=3.45 cm管道在不同懸空高度時的拖越力系數見表1。

圓形網板對管道的拖越力試驗結果見圖6，可以看出：水平拖越力在速度較小時，理論計算結果與試驗結果很接近；水平拖越力在速度較大時，理論計算值大于試驗結果。就整體趨勢而言，隨著拖網速度的增加及管道懸空量的加大，圓形網板在水平和垂直方向產生的拖越力都增大，但垂向拖越力明顯小于水平方向分量。另外，水中試驗測力結果與空氣中試驗測力結果基本一致。

表1 直徑3.45 cm管道在不同懸空高度時的拖越力系數Table 1 Pull over coefficients of D=3.45 cm pipline on different suspended heights

桁桿對管道的拖越力試驗結果如圖7所示，可以看出：桁桿對管道的拖越力在空氣和水中試驗結果接近，且隨著桁桿速度的增加而逐漸增大，在速度為1～3 m/s時桁桿對管道的拖越力在60～280 kN之間；理論計算結果較試驗結果偏大。

圖6 圓形網板對不同懸空高度管道的拖越試驗結果Fig.6 Results of traw l board pull over on different suspended pipelines

圖7 桁桿的拖越試驗結果Fig.7 Resu lts of beam traw l pull over on the pipeline

工程設計中，由于缺乏相關試驗，通常采用按照規(guī)范在理論上進行海底管道的拖越力設計，通過試驗得知，對海底管道拖越力理論計算的結果偏于保守，建議在工程設計中可以根據具體情況進行適當優(yōu)化。

3 結論

本文根據東海漁業(yè)調查資料，開展了漁業(yè)活動對海底管道影響的理論分析和試驗研究，重點考慮了圓形網板和桁桿對海底管道的影響。針對海底管道的模型試驗表明，理論計算所得的撞擊力、拖越力普遍高于試驗觀測結果。圓形網板撞擊力與拖越力、桁桿撞擊力與拖越力的水下試驗結果與空氣中的試驗結果基本一致，各作用力均隨拖網速度的增加而增大。隨著管道懸空高度增大，圓形網板產生的撞擊力和拖越力均有所增大，但桁桿的撞擊力和拖越力則不受懸空高度變化的影響。根據與試驗結果的對比可知，理論計算對各作用力的計算結果偏大，工程設計中使用理論計算的結果偏于保守，建議可以根據具體情況進行優(yōu)化。

［1］于春潔，賈 旭，朱偉亮，等.以水下生產設施為中心的漁船安全作業(yè)范圍［J］.中國海上油氣，2014，26(6)：93-97.Yu Chunjie，Jia Xu，Zhu Weiliang，et al.A safe operation zone of trawlgear to subsea production system［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26(6)：93-97.

［2］DETNORSKE VERITAS.DNV-RP-F111 Interference between trawl gear and pipelines［S］.DNV，2006.

［3］MELLEM T，SPITEN J，VERLEY R，et al.Trawl board impact on pipelines［C］.OMAE，1996.

［4］VERLEY R L P，MOSHAGEN B H，MOHOLDT N C，et al.Trawl forces on free-spanning pipelines［C］.International Journal of Offshore and Polar Engineering，1991.

［5］朱清澄，崔國平，曲學忠，等.小型漁船單拖網網具與圓形網板改進設計與試驗［J］.中國水產科學，1997，4(4)：37-42.Zhu Qingcheng，Cui Guoping，Qu Xuezhong，et al.An experiment on the small otter trawl and the improvementof otter board［J］.Journal of Fishery Sciences of China，1997，4(4)：37-42.