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(武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063)

海底石油管線是海洋油氣資源開發(fā)和利用的生命線，它的安全與否直接影響著海洋石油工業(yè)和海洋生物與環(huán)境的發(fā)展。海底石油管線在安裝與油氣輸送過程、漁業(yè)捕撈等人類海洋活動以及其他事故性拋錨作業(yè)中，難免會產(chǎn)生各種各樣的損傷和缺陷，如出現(xiàn)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(fā)生在管道內(nèi)部或外部，沒有產(chǎn)生任何油氣泄漏，如果管道的應(yīng)力在許用應(yīng)力之內(nèi)，油氣運(yùn)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(chǎn)品會發(fā)生泄漏，在這種情況，必須立即停止油氣產(chǎn)品的輸送，進(jìn)行管線維修，事故性拋錨作業(yè)就是引起這種破壞的一個(gè)重要方面。因此，為保障海底石油管線石油運(yùn)輸安全，避免遭受重大經(jīng)濟(jì)損失和海洋生物生態(tài)環(huán)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(jìn)行評估和分析，為管線的維修、結(jié)構(gòu)承載潛力的挖掘提供科學(xué)合理的決策依據(jù)，從而大大提高海底石油管線的綜合經(jīng)濟(jì)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(yè)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(jìn)入施工水域時(shí)，由拋錨服務(wù)船對平臺進(jìn)行錨泊作業(yè)時(shí)，拋錨服務(wù)船可能由于操作失誤而發(fā)生脫錨事件。

2) 從鉆井作業(yè)到完工期間，錨鏈可能發(fā)生斷裂事件。

3) 漁業(yè)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(yè)。

1.2 撞擊概率的計(jì)算

文獻(xiàn)[1]中曾對錨泊作業(yè)撞擊對海底管線的概率做過研究，認(rèn)為由于操作失誤、緊急情況下拋錨等原因而發(fā)生的事故性錨泊作業(yè)，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(gè)錨脫錨或緊急情況下拋錨撞擊海底管道的概率；

Ni——第i個(gè)錨的拋錨次數(shù)；

P1i——由于誤操作第i個(gè)錨脫錨或緊急情況下拋錨的概率；

P2i——第i個(gè)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(tǒng)計(jì)資料或查閱相關(guān)文獻(xiàn)(如DNV數(shù)據(jù)庫)或統(tǒng)計(jì)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(nèi)的概率，然后根據(jù)海底管道在此區(qū)域內(nèi)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(gè)數(shù)。

2 海底管線被錨擊中后損害程度

撞擊事件發(fā)生后是否對管線造成損害，造成多大的損害，必須進(jìn)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(shí)具有凹陷和切痕的管線進(jìn)行試驗(yàn)，獲得了大量有價(jià)值的試驗(yàn)結(jié)果，用于研究受損管線的殘余強(qiáng)度及發(fā)展修正有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)等。Estefen和Netto等[3]利用實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度，并將殘余壓力容限的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與非線性差分?jǐn)?shù)值結(jié)果進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果接近。Ellinas和Walker 等[4]研究了海洋損傷石油管線，給出了一個(gè)撞擊載荷P與撞擊點(diǎn)處損傷深度d之間有用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

式中：D——管道的直徑;

K——給定常數(shù)，為150；

mp——管道壁的塑性瞬時(shí)能量。

損傷的局部深度dx可由下式計(jì)算：

式中：x——離開撞擊點(diǎn)的距離。

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

式中：Wa——錨重，t。

以5 t錨為例進(jìn)行計(jì)算，其最終速度為va=6.15 m/s，這時(shí)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(yīng)對措施

目前國內(nèi)對海底管線保護(hù)的課題主要集中于防腐蝕方面[6]，如外部涂層(熔結(jié)環(huán)氧(FBE)涂層、聚乙烯(PE)涂層、煤焦油瓷漆涂層、煤焦油環(huán)氧涂層、復(fù)合涂層)和陰極保護(hù)聯(lián)合的方法進(jìn)行防護(hù)等(在此不作進(jìn)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(yùn)動等對海底管線的損害，筆者通過對埋深方案的研究認(rèn)為在管線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如下：

1) 合理的管道線路設(shè)計(jì)。在選擇海底管道線路時(shí)，應(yīng)盡量在海底地形平坦且穩(wěn)定的區(qū)域，避開海床起伏較大、沖淤嚴(yán)重、具有活動斷層或軟弱土層區(qū)域，同時(shí)還要盡可能避開船運(yùn)航道、漁業(yè)活動區(qū)、礦業(yè)活動區(qū)，這樣可以降低管道因遭受外物撞擊、漁網(wǎng)拖掛、海床運(yùn)動等破壞的概率。

2) 油、氣在管線中流動時(shí)會使管線產(chǎn)生輕微振動，使埋設(shè)管線浮出管溝。

3) 風(fēng)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(dǎo)致管線產(chǎn)生疲勞破壞。波流沖刷作用：當(dāng)海底管道埋深不足時(shí)，在波流反復(fù)沖刷作用下會逐漸裸露出海底而呈懸跨狀態(tài)，波流流經(jīng)懸跨管線時(shí)會在管道后部釋放旋渦引起管線振動。當(dāng)懸跨管線自振頻率與旋渦釋放頻率相近時(shí)管線發(fā)生渦激共振，使管線在很短的時(shí)間里發(fā)生疲勞或強(qiáng)度破壞。

4) 合理的管線埋深設(shè)計(jì)。海底管線埋深設(shè)計(jì)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(huán)節(jié)，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(shè)計(jì)來防止。

海底管線埋深設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮管線的埋設(shè)方式(如自然回填或人工埋設(shè))以及海底和填料的性質(zhì)等，采用將海底管線埋設(shè)、用砂袋或混凝土對管線進(jìn)行外部防護(hù)、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(fā)生渦激振動。在設(shè)計(jì)時(shí)選取合理的計(jì)算理論和計(jì)算方法對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，并根據(jù)海底管線工作環(huán)境條件、工程施工難易、施工單位能力等實(shí)際情況來選擇最有效可行的安全防護(hù)方法。

以某島登陸點(diǎn)向外26 km(淺水段)海底天燃?xì)夤芫€埋深方案為例：河口段施工方案均需對河口段約16 km的區(qū)域進(jìn)行預(yù)挖溝人工回填，規(guī)劃河床底面距管線頂部2.5 m，而且埋設(shè)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(dá)到-11.50 m以上(85高程)。后挖溝埋設(shè)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(yù)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(guī)劃河床面至管頂端為2.5 m，加上管的直徑)，基坑底標(biāo)高為-10.0 m(85高程)，而與航道相交處的基坑底標(biāo)高為-11.50 m(3 000 t級航道水深至少為6.5 m，另埋管至規(guī)劃河床底深為3.5 m，再考慮85高程)?；拥臅h案是在海底管線鋪完之后進(jìn)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(qū)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(gè)錨桿垂直全部沒入海底，此時(shí)錨入土深度為2.03 m，也不致造成海底管線損傷。

4 結(jié)束語

海底管線是高風(fēng)險(xiǎn)的工程，其高風(fēng)險(xiǎn)主要來自惡劣的環(huán)境條件的腐蝕、波流沖刷、事故性拋錨的破壞、不規(guī)范的拖網(wǎng)捕撈作業(yè)、管線自身的材料和焊縫缺陷、管道附件缺陷、海床運(yùn)動等?？梢酝ㄟ^合理的管道線路設(shè)計(jì)、合理的管道埋深設(shè)計(jì)、嚴(yán)控材料質(zhì)量、運(yùn)行期間定期檢測等措施來防止海底管線損壞事故發(fā)生，提高海底管線的安全性。

[1] 劉學(xué)濤,張 磊,郭振邦,等.錨泊作業(yè)對海底管道撞擊概率的研究[J].石油工程建設(shè).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(hù)[J].材料保護(hù)，1994(4),30-33.