拖網活動對裸露海底管道安全影響研究*

劉國恒，李麗瑋

（中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

海底管道被譽為海洋油氣田開發建設的生命線，一旦泄露或失效將造成嚴重的環境污染和巨大的經濟損失。根據有關事故資料分析，第三方活動造成管道失效所占比例逐年上升。在實際工程中，當海底管道穿越航道、漁業區、自然保護區及旅游區等海域時，為避免造成影響，通常保守考慮會要求管道加大埋設深度，這導致油氣田開發建設投資增大[1]。在第三方活動造成的管道失效中，漁業活動是其中一個重要原因。文章基于DNV-RP-F111規范設計方法和校核準則，深入研究了拖網漁船的拖網板、桁桿、配重塊等捕魚設備對裸露海底管道的撞擊及拖曳損害影響，研究了拖網板、桁桿或配重塊干擾管道后，管道局部凹陷或涂層破壞的評估方法。并以某油田登陸段海底管道為例進行了拖網作業分析。

1 拖網活動對海底管道影響研究進展

二十世紀七八十年代，Ola等[2]針對北海拖網板對海底管道的影響展開了探索與研究，通過實驗研究了拖網板對海底管道的影響參數，實驗表明撞擊力和勾扯力會對管道造成損傷，并且撞擊力大小與管道和混凝土配重層的材料特性以及拖網板與管道撞擊接觸方向有關系。Moshagen等[3]分別研究了16’和36’管道在不同形狀、不同重量拖網板作用下撞擊力和拖曳力的情況，實驗表明在拖網板對管道作用的過程中，撞擊力和拖曳力是兩個重要的影響力，拖網板的形狀對管道響應影響并不大。Guijt[4]和Horenberg[5]在實驗的基礎上引入了理論計算，他們對拖網板作用在海底管道上的撞擊力和拖曳力展開了最初的力學計算，通過力學計算結合前期寶貴的實驗數據更能準確地得出拖網與管線之間的作用關系。

DNV-RP-F111規范，給出了拖網與管線之間作用的設計方法和校核準則，是目前國內外研究拖網與管道之間相互作用的唯一權威指導性設計文件，Fyrileiv等[6]在該推薦作法的基礎上結合有限元軟件對拖網與管線之間的關系進行了更加深入的研究，有限元軟件的運用使得拖網板與管線之間的研究拓展到了小管徑管道研究范圍內。

2 拖網對海底管道影響規范研究

2.1 拖網-管線相互關系

漁業活動對海底管道的作用形式主要有：（1）撞擊。拖網網板或桁桿對管道的沖擊荷載大小主要取決于遞到管道的動能、網板或桁桿的質量、管道的壁厚及保護涂料等，管線的響應主要是管壁的局部變形，還可能包括各種用來抵抗撞擊的防護措施與拖網網板或桁桿之間的相互作用。（2）拖曳。拖網網板或桁桿在拖曳作用下滑過管道時產生的作用力，荷載大小取決于網板或桁桿的質量、曳綱的抗拉剛度、拖曳速度以及管道的懸空高度。

2.2 設計準則和分析方法

在拖網作業過程中，拖網板會對裸露管道造成嚴重傷害，管壁凹陷嚴重，若管道帶有混凝土防護層，大部分撞擊能量會被防護層吸收，起到保護管道的作用。

（1）撞擊過程。以管線設計參數、拖網板及其附加質量撞擊設計參數為基礎，根據公式計算拖網板鋼體及其附加質量的撞擊能量，確定管線或混凝土防護層局部變形吸收動能，進而求出管壁撞擊凹陷及受到的撞擊力，并進行撞擊校核。DNV-RP-F111規范中給出了用于計算拖網板撞擊管線的計算公式，包括對拖網板鋼體質量以及流體附加質量對管線的撞擊能量、管壁承受的最大撞擊力和撞擊凹陷深度，并在此基礎上給出了校核準則的評估方法。詳細公式可參見DNV-RP-F111規范。撞擊過程設計流程如圖1所示。

（2）拖曳過程。依據Mathcad軟件計算出拖曳過程中施加在管線上的水平荷載與垂向荷載，以及拖曳過程作業時間，然后運用ABAQUS軟件建立拖網作用于管道的拖曳模型，并施加荷載，得出管道最大Mises應力，最大軸向力及最大彎矩，并根據結果對管道局部屈曲進行校核，評估是否滿足拖曳校核準則。拖曳分析方法如圖2所示。

DNV-RP-F111規范中給出了用于計算拖曳過程對管線影響的計算公式，規范中規定了圓型網板拖曳力經驗系數和拉伸剛度系數，對施加于管線的最大橫向力和施加于管線的最大垂向力的計算公式進行了推薦，同時給出了拖曳作用時間以及校核準則的計算。詳細公式可參見DNV-RP-F111規范。

2.3 校核準則

根據拖網撞擊頻率得到管道局部損傷（如防護層損傷及管道凹痕）的校核準則，如表1所示。

圖1 撞擊過程設計流程圖

圖2 拖曳過程設計流程圖

表1 拖網設備撞擊頻率級別

（1）管壁撞擊校核準則。最大可接受的永久凹陷深度與管線直徑的比率為Hp,c∶D=0.05η，其中：Hp,c為永久塑性凹陷深度；D為鋼管外徑；η為利用系數。

可接受的凹陷尺寸與外徑的關系如表2所示。

表2 可接受的凹陷尺寸與外徑的關系

（2）拖曳校核準則。拖網的拖曳運動對管線造成橫向位移，判斷管線在拖網設備拖曳過程當中和完成拖曳過程之后是否能進行安全作業按如下規定：①應在與其他荷載效果（例如溫度荷載、管線下垂影響等）疊加的基礎上檢查拖曳荷載的效果。②應檢查所有相關失效模式，例如局部屈曲、累積塑性應變等。每一個安全級別都給出了這些失效模式相應的利用系數，如圖3所示。③拖曳荷載造成的損傷積累（例如應變），如果情況允許，應考慮同一地點的幾個荷載。檢查拖曳荷載方向上最嚴重的并發狀況，即全部都在一個方向上或部分位于反方向上。

圖3 拖網拖曳荷載影響系數

3 拖網對海底管道影響計算

3.1 撞擊及管線響應

（1）撞擊荷載數據處理。撞擊方向和傳遞到管線防護層的能量通常取決于拖網板前端的形狀、管線直徑和跨距高度以及相對于管線的行進方向。撞擊能量由有效質量和有效速度構成。總有效質量包括橫梁、拖網板的鋼體質量和附加流體的質量。有效速度可取值為拖船航行速度在管線法線方向的分量。有效質量和有效速度可通過模擬拖網—管線相互作用獲得。單拖網對某登陸段海底管道的影響，以圓形網板為研究對象，單拖網網板最大質量400kg，管道水深6.0～18.2m。為了分析拖網對裸露海管撞擊的影響，分別分析了登陸海底管道帶混凝土防護層與不帶混凝土防護層時在拖網撞擊下的響應。

（2）DNV規范撞擊響應分析。運用MathCad編程分析撞擊響應，裸露管道及帶混凝土防護層管道計算結果如表3所示。

表3 計算結果

分析表3中的計算結果可知，在受到拖網板撞擊時，配重層可吸收撞擊產生的大部分能量，鋼管最大的永久變形量Hp,c為0.4356mm，與外徑的比值為0.001345，低于規范規定的標準1.5%，說明拖網板對鋼管的破壞較小，變形在可接受范圍之內，故不需要進行埋設。

而無混凝土防護層的裸露管道，鋼管最大的永久變形量Hp,c為0.6973mm，與外徑的比值為0.2153%，低于DNV規范規定的標準1.5%，雖然變形在可接受范圍內，但與具有混凝土防護層的管線相比，凹陷深度仍有所增加，且偶然性單次撞擊不足以造成明顯的凹陷。當捕魚作業較為頻繁時，可能會造成傷害疊加，為保證海底管道的安全，應對裸露管道進行保護，增加混凝土防護層，以免拖網板對管道撞擊造成破壞。

3.2 拖曳及管線響應

（1）拖曳荷載計算。運用MathCad編程施加管線的最大橫向力和最大垂向力：最大橫向力為Fp=85.59kN；最大縱向力為Fz=35.92kN；拖曳作用時間為TP=0.125s。

（2）ABAQUS有限元拖曳模擬分析。管道可以采用二維的殼單元來模擬，管道外部的混凝土層采用三維實體單元模擬。土體采用三維實體單元模擬，土體幾何尺寸為40m×40m×6m。拖網板與管壁碰撞接觸區域的幾何形狀會在很大程度上影響接觸力和管線凹陷的關系，固拖網板前端形狀設計為矩形剛體幾何尺寸為2.0m×1.20m×0.2m。對矩形網板模型施加集中力荷載，拖網板對管道的作用屬于沖擊荷載，在分析的初始步施加初速度1.8m/s，集中力荷載為計算所得的水平力和垂向力。分析400kg拖網板對管道的作用，得到了相應的管道有效軸向力、最大彎矩、最大應力值如表4所示。

表4 拖曳過程有限元模擬結果

拖曳過程中，裸露管道所承受的最大應力值為500MPa，已超過許用應力值，管道在拖曳過程中會產生嚴重破壞。而對于帶有混凝土配重層的管道，拖網板對混凝土作用時，混凝土層吸收了大部分的撞擊能量，此時管道所受的最大等效應力為276MPa，結合規范對管道局部屈曲進行校核，校核結果為0.39，滿足要求。

4 結束語

針對漁船拖網板對海底管道的拖曳作用，文章采用有限元軟件ABAQUS建立了完整的“管道-混凝土-土體”耦合模型，在管道上加載船舶拖曳荷載水平力和垂向力，裸露管道受拖網板拖曳局部受力較大，會造成管道局部凹陷和破裂；具有混凝土防護層的管道受拖曳力影響明顯降低；對于裸露管道而言，拖越撞擊造成的管道凹陷損傷相比于具有混凝土防護層的管道要高出60%左右，且漁業作業具有頻繁性、區域集中性和隨機性，對裸露管道存在潛在的累積疊加傷害，為防止管道失效，海底管道均應設置保護層的結構形式，在漁業作業集中和頻繁的區域還應考慮覆蓋混凝土壓塊或設計一定埋深的方式進行保護。