基于能量法的跨航道海底管線抗落錨實驗研究

雷震名，譚紅瑩，龔海潮，王文亮，馬坤明，張萌萌，雷林

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300451；3.天津大學，天津300072）

基于能量法的跨航道海底管線抗落錨實驗研究

雷震名1，譚紅瑩1，龔海潮2，王文亮1，馬坤明1，張萌萌3，雷林1

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300451；3.天津大學，天津300072）

隨著跨航道海底管線應用越來越普遍，航道、水港等海域的拋錨作業對海底管道帶來的安全風險問題越來越引起人們的關注。文章針對海底管道堆石保護方法，通過模擬實驗研究了拋錨作業過程中海底管道的應力狀態，并對其進行了損傷分析。通過繪制不同影響因素下管道變形的對比曲線，研究了覆蓋石材、拋錨速度、埋深等因素對管道損傷的影響，并基于正交試驗原理分析了不同影響因素對海底管道響應的敏感性。結合標準DNV RP?F107中的能量計算方法研究了不同影響因素對海底管道響應的工況，分析得出管道的最小推薦設計埋深。

能量法；海底管道；拋錨作業；堆石保護；損傷分析

隨著海洋石油工業的不斷發展，海底管道得到了更為廣泛的應用。它具有輸送油氣量大、高效快捷、經濟安全等優點，但同時也存在檢查維護不方便、維修復雜困難等缺點。近些年跨航道的海底管道鋪設越來越多，拋錨作業給管道造成的威脅尤為突出。在以往的跨航道海底管道設計中，常常采用堆石保護或者深埋的方法來保護海底管道，但是遇到鋪設路線長和航道較寬的情況，仍采用這種設計方法就會大大增加工程成本造成浪費。由于缺乏全面的設計理論，采用當前國內工程界所確定的跨航道海底管道埋深設計方法存在風險，急需一種定量的分析方法，以解決管道穿越航道的問題［1-2］。

原型試驗的試驗結果能真實反應實際情況的工作狀態,對于評價實際管道的鋪設質量,檢驗設計理論都比較直接可靠,但是原型試驗存在費用大、檢測條件差等問題很難實際操作，而采用數值模擬分析如砂土、碎石保護層等非連續介質、非線性、各向異性結構時存在不少困難，因此本文采用縮尺模型試驗可以清晰、直觀地展示各種工況下整個結構受沖擊荷載作用變化的全過程。選取SUS304不銹鋼管來模擬實際工程中的鋼管，由于實際工程中的管道很長，受沖擊荷載作用時，管道兩端的變形很小，所以實驗中的管道采用只約束軸向變形的邊界條件?？s尺模型中選用實際工程中的海砂作為實驗材料，堆石保護層選取實際工程中常用的邊坡比，并運用能量法對海底管道在拋錨過程中管道吸收的能量、保護層耗散的能量和撞擊損耗的能量做了進一步計算。同時還通過正交試驗原理分析了不同影響因素對沖擊荷載作用下海底管道的敏感性。從而得出了較為合理的管道推薦設計埋深。

1 實驗設備及測試裝置

為了研究堆石保護結構中海底管道受拋錨沖擊荷載作用下附加應力的影響，自主開發設計出一套落錨試驗裝置。實驗裝置主要包括垂直拋錨架、模型槽、不同尺寸的霍爾錨、鋼管、海砂和碎石等。實驗用錨選取不銹鋼材質，以原型錨為基準按照20：1和25∶1的比例縮尺，錨的質量分別為4.2 kg和1.25 kg，錨桿的最大轉角為42°。模擬的海底管道由SUS304不銹鋼管制成，一根為拋錨的工作管，一根為溫度補償管。其基本尺寸為管長L=465mm,外徑D=63mm，壁厚t=1mm。鋼管上布置電阻式應變片傳感器，它可同時測試鋼管上環向和軸向的應變。實驗的測試裝置主要包括高頻動態應變儀和電阻式應變片傳感器。

2 實驗方法及測試參數

（1）測試參數。①測量不同埋深、拋錨高度、錨重條件下，沖擊荷載對海底管道的響應情況。②測量不同的堆石保護材料在（1）中各影響因素下沖擊荷載對海底管道的損傷程度。③模擬海洋環境下（其他的條件與（1）中相同），不同水深對受沖擊荷載作用管道的影響程度。

（2）實驗方法及數據處理。實驗采用動態應變檢測法，即采用高頻動態測試系統記錄鋼管在受沖擊荷載作用下的應變過程。從而得出鋼管環向和軸向的最大應變值，并觀測得到鋼管最大應變分布位置。從應變時程波形圖中還可得知沖擊荷載的作用時間及管道不同位置的應變變化。實驗設計方案，采用倒梯形保護結構，并用碎石、細砂等作為分層保護材料。通過關鍵參數的敏感性分析，如拋錨高度、埋深、保護層材料，進行不同拋錨條件和工況下的對比分析。

3 測量結果分析

3.1 不同拋錨高度下管道受沖擊荷載的影響

從圖1中可見垂直拋錨過程中，管道環向的應變比軸向的變化大。隨著拋錨高度的增加，位于碎石保護結構中的鋼管應變增大。隨著埋深的增加，鋼管的應變幅值變小。而在細砂保護結構中，鋼管對拋錨高度的敏感性降低，可見細砂保護結構受力均勻、傳力穩定，能量向四周穩定耗散。由此表明在確定分層回填結構時，上層宜采用大粒徑的石塊保護，下層緊貼管道處宜采用細砂回填。從圖中還可得知隨著拋錨高度的變化，鋼管的應變方向可能改變，并非一致受拉或一致受壓，可能由壓應變變為拉應變。這與實驗多次重復測試，保護層的松軟密實程度發生變化等因素有關。

圖1 海底管道在不同拋錨高度下的響應Fig.1 Response of the subsea pipline under different anchor heights

3.2 不同保護結構下管道受沖擊荷載的影響

如圖2所示不同粒徑級配的保護層對管道應變影響較大。從管道環向應變變化情況可知，碎石保護結構的應變幅值相對變化較小，說明保護結構吸收的能量多，對鋼管的保護效果較好；小碎石的應變變化幅值相對較大，受拋錨高度因素影響也大，對鋼管的保護效果相對更差。從而說明在管道回填時選用大粒徑的塊石保護效果更好。對于環向應變，隨著拋錨高度的增加，保護層粒徑級配的不同對管道應變的影響變小，說明拋錨高度對管道受沖擊荷載作用的影響較小。

圖2 海底管道在不同粒徑級配保護層下的響應Fig.2 Response of the subsea pipeline under protection by rockfill

對于不同比尺的試驗，當管道埋深較淺時，鋼管軸向應變隨拋錨高度的增大而減小，總體趨勢為軸向應變較環向應變更小。根據實驗結果可知，管道的埋深對細砂的應變影響較小，說明在管道附近保護結構粒徑較為均勻且較小時保護效果好，混凝土這種材料包裹在管道周圍能起到與細砂近似的保護效果，可避免受沖擊荷載作用時較大粒徑的碎石損壞管道，且還能起到增加管道配重的效果。當管道埋深變淺，隨拋錨高度增大，保護層石塊的粒徑越大鋼管的應變也越大，即管道屈曲和破壞的風險加大了。因此，海洋工程中采用合理的粒徑級配、深埋的方式對海底管道進行保護。

3.3 不同水深受拋錨高度的影響

為了更好的反映實際工程中海底管道所處的海洋環境，選取剛淹沒海床的水深、高于海床表面50mm的水深和高于海床表面100mm的水深進行測試。從測試結果得知鋼管的應變趨勢和不加水的工況保持一致。隨著水深和埋深的增大，鋼管的應變變小，這與干燥環境的測試結果也一致。此外，在水環境中的鋼管受拋錨高度因素的影響變小。

4 基于能量法分析落錨對海底管道的影響

拋錨作業對海底管道的作用機理較為復雜，需考慮錨的形狀、撞擊速度、管道埋深等多種因素的影響。目前，國際工程界尚未明確給出海管埋深的具體計算公式。根據DNV RP-F107［3-5］規范，考慮最不利工況，采取能量法分析落錨對海底管道的影響，進而研究海底管道的埋深問題。

4.1 錨的沖擊總能量

對于50m以上水深海域，錨在撞擊海管前會達到下沉的極限速度，此時錨的重力與排出水的體積和流動阻力達到平衡狀態。錨在下沉達到受力平衡方程式為

錨實際撞擊的能量除了考慮達到極限平衡狀態的動能外，還要考慮附加水動力的影響，因此，實際撞擊的總能量為

式中：m為錨的質量，kg；V為錨的體積，m3；g為重力加速度，m/s2；ma為附加的質量，kg，ma=ρwaterCaV；A為錨在下沉方向上的投影面積，m2；vT為錨在水中的極限速度，m/s；Cd，Ca為錨的阻力系數附加的質量系數，分別取0.6和1.0。

在實驗中由于考慮了保護層的作用，所以錨撞擊海管的實際能量為E0=EE-EP

（3）

4.2 保護層吸收的能量

為了避免海管受墮落物、拋錨、拖錨等的損壞，在管道上覆蓋保護層一定程度上可減小損害。沙礫保護層吸收的能量為

式中：γ′為填埋材料的有效單位重力，kN/m3，取11 kN/m3；D為海管的直徑/m；AP為海管的投影面積，m2；z

為貫入深度，m；Nγ,Nq為承載系數，取Nγ=137,Nq=99。

4.3 海管在沖擊荷載作用下凹坑的吸收能

鋼質海管在垂直沖擊荷載的作用下吸收的能量為

式中：mp為管壁的塑形彎矩為屈服應力，MPa；δ為管的變形凹坑深度，m；t為海管壁厚，m；D為海管外徑，m。

4.4 用能量法分析實驗模型

實驗按照標準DNV RP-F107中的能量計算方法研究了不同影響因素對海底管道響應的工況，實驗過程中所用的特征參數如下：（1）錨重：4.2 kg/1.25kg；（2）海管外徑：63mm；（3）海管壁厚：1mm；（4）海管的屈服應力：205mPa；（5）拋錨下落高度：1.3m/1.1m/0.8m。根據規范中的公式計算結果E比E0大，說明規范中的計算公式偏于保守，而且碎石的儲備能量比細砂大很多，海管在受到沖擊荷載作用下碎石保護結構的保護效果較好。通過圖3和圖4中的E-E0項對比可知深埋對海管的保護作用較好。

圖3 海管埋深160mm大錨受沖擊荷載作用能量分析Fig.3 Big anchor impact energy analysis for the subsea pipeline with 160mm burial depth

圖4 海管埋深120mm大錨受沖擊荷載作用的能量分析Fig.4 Big anchor impact energy analysis for the subsea pipeline with 120mm burial depth

表1 正交試驗因素水平表Tab.1Experiment factor

表2 正交試驗計算結果及極差標準差分析表Tab.2Result of experiment factor sensitivity analysis

5 正交試驗分析

前文已經對海底管道受沖擊荷載作用的影響因素逐一進行了討論，但是僅分析特定條件下的單因素對管道的損傷影響是不夠的，為了進一步了解拋錨過程中不同影響因素對海底管道的影響程度，以正交性試驗原理為基礎，對研究對象多因素、多水平的情況進行搭配，從而得出對實驗結果影響較大的因素。本實驗采用L12(3×23)正交表分析實驗結果［6］，選取海底管道受沖擊荷載作用后產生的應力值作為試驗指標。試驗因素包括：海管的埋深、錨的質量、拋錨高度、保護層材料。正交試驗因素水平如表1所示，參數敏感性分析結果如表2所示。

從表2可以得出在四因素三水平和二水平下，參數敏感性由大到小為：錨的質量、保護層材料、海管的埋深、拋錨高度。此結論可為實際工程中填埋管道提供了參考。

6 實驗結論

本文通過模擬實驗研究了海底管道堆石保護層抗錨害的能力，從而得出以下結論：

（1）海底管道的變形受拋錨高度、錨的質量、海底管道的埋深、保護層材料等因素的影響，參數敏感性由大到小為：錨的質量、保護層材料、海底管道的埋深、拋錨高度。在實際工程中，可參考參數敏感性的大小來選取管道鋪設的最佳方案。

（2）隨著保護結構顆粒級配變大保護層的儲備能量增大，保護結構對海底管道的保護能力加強。當海底管道受到的沖擊能較大時，采用增加海底管道的埋深更有效。

（3）通過縮尺模型實驗并與相關規范文獻［3，6-7］進行對比分析，建議拋錨作業繁忙的區域宜采用顆粒粒徑在0.3～0.5m的保護層結構，埋置4m以上較合理。雖然大粒徑的碎石相對小粒徑的碎石和細砂不夠經濟，但是從保護效果和維護的角度考慮是較為合理的。

［1］譚箭,李恒志,田博.關于事故性拋錨對海底管線損害的探討［J］.船海工程，2008（1）∶142-144. TAN J,LI H Z,TIAN B.Discussion on Damage of Accidental Anchoring Operation upon the Submarine Pipelines［J］.Ship& Ocean Engineering,2008（1）∶142-144.

［2］王再明,米小亮,張超.施工船舶拋錨作業隊對海底管道的影響研究［J］.交通信息與安全,2010（3）∶93-95,103. WANG Zm,MI X L,ZHANG C.Impact of Ship′s Anchoring Work on Offshore Pipeline［J］.Journal of Transport Information and Safety,2010（3）∶93-95,103.

［3］DNV RPF107-2001,Risk Assessment of Pipeline Protection［S］.

［4］Zeinoddinim,Arabzadeh H,Ezzatim,et al.Response of submarine pipelines to impacts from dropped objects∶Bed flexibility effects［J］.International Journal of Impact Engineering,2013,62∶129-141.

［5］Arash Zakeri,Kaare H?eg,Farrokh Nadim.Submarine debris flow impact on pipelines—Part I∶Experimental investigation［J］. Coastal Engineering,2008,55∶1 209-1 218.

［6］Scott Ymcmaster,Dean R Campbell.Pipeline Shore Approach Design?Case Study［J］.ASME,2011,37∶499.

［7］王鳳云,趙冬巖,王琮.關于海底管線挖埋深度的規范標準研究［C］//中國海洋工程學會.十五屆中國海洋工程學術討論會文集.北京：海洋出版社，2011：401-404.

［8］馬良,王金英.海底管道的埋設［J］.油氣儲運,1993，12（1）∶27-30.

Energymethod?based experimental research on crossing sub?sea pipeline protection by rockfill against anchors

LEI Zhen?ming1,TAN Hong?ying1,GONG Hai?chao2,WANG Wen?liang1,MA Kun?ming1, ZHANGmeng?meng3,LEI Lin1
（1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China;2.China National Offshore Oil Corporation,Tianjin 300451,China;3.Tianjin University,Tianjin 300072,China）

Anchoring operation has impact on the sub?sea pipeline security,which is increasingly concerned at present.In this paper,according to rock armour protectionmethod,anchoring operation′s influence on sub?sea pipe?line in the realmarine environment was experimentally tested.Meanwhile,the response of sub?sea pipeline on an?choring operation was analyzed.Deformation curves of pipeline under different factors were compared.During an?choring operation,the influence of thematerial covering,anchoring speed,buried depth and other factors on the re?sponse of pipeline was researched.The parameter sensitivity ofmechanical damage was analyzed on the basis of the principle of the orthogonal experiment.The degree of damage of the sub?sea pipeline was obtained and themini?mum recommended design buried depth of the pipe was determined by energymethod in DNV RP?F107.

energymethod;sub?sea pipeline;anchoring operation;rock armour protection;damage analysis

P229

A

1005-8443（2015）03-0272-05

2014-10-17；

2015-02-27

雷震名（1986-），男，天津市人，工程師，主要從事海洋工程工作。

Biography：LEI Zhen?ming（1986-），male，engineer.