，

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

拋錨對(duì)海底管道的碰撞損害

周沛林，周宏

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

錨擊是造成海底管道第三方損傷的重要因素。分析錨擊對(duì)海底管道的撞擊損害，撞擊分析中，根據(jù)挪威船級(jí)社的海底管道保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)范(DNV-RP-F107)的指導(dǎo)意見，分析船舶拋錨作業(yè)撞擊海底管道的能量、海底管道壁凹坑吸收的能量和海底管道保護(hù)層吸收能量的計(jì)算方法，并通過2個(gè)工程計(jì)算實(shí)例，得出5.25 t和20.0 t錨重落入海底時(shí)海底管道的損壞等級(jí)，確定合理的埋深，為海底管道安全敷設(shè)提供參考。

海底管道；拖錨；撞擊；能量

0 引 言

海底管道是海洋油氣資源開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，它是連續(xù)輸送大量油氣最快捷、最經(jīng)濟(jì)、最安全、最高效的方式，具有連續(xù)輸送、運(yùn)油能力大、鋪設(shè)工期短、管理方便和操作費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在檢查維護(hù)不方便、一旦出現(xiàn)事故修復(fù)困難等缺點(diǎn)。海底管道不僅受到海洋水文環(huán)境和海床運(yùn)動(dòng)、海底地形地貌變化的影響，還受到過往船只拋錨所帶來的外界影響。因此，在安裝、運(yùn)行管理的過程中難免會(huì)出現(xiàn)各種損傷和缺陷[1-3]，如凹坑、刮鑿、擦痕、穿孔、懸空、彎曲及變形等。在海底管道受到的各種威脅中，撞擊屬于偶然性載荷破壞，是造成海底管道破壞的主要原因之一。因此，分析海底管道與拋錨之間的力學(xué)關(guān)系，計(jì)算安全的埋深，成為保障海底管道安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。

1 海底管道損壞分級(jí)

通常情況下，拋錨點(diǎn)與海底管道的距離越遠(yuǎn)，錨撞擊管道的概率就越小，管道受到錨撞擊的風(fēng)險(xiǎn)就越小。

1.1拋錨作業(yè)與海底管道可能撞擊的情況

對(duì)海底管道有影響的拋錨作業(yè)主要有以下幾種：(1) 惡劣天氣條件下，工程船舶發(fā)生走錨或錨鏈發(fā)生斷裂；(2) 漁業(yè)捕撈用具及拖錨對(duì)海底管道的撞擊和拖拉；(3) 各類航行船舶在避讓等緊急情況下采取的拋錨作業(yè)；(4) 船員人為操作失誤，導(dǎo)致脫錨。

1.2海底管道受損程度劃分

參照DNV-RP-F107[4]標(biāo)準(zhǔn)，海底管道的受損程度可分為3級(jí)：(1) 次損壞(D1級(jí))。海底管道不需要修復(fù)，也不會(huì)導(dǎo)致泄漏。海底管道壁上凹坑的最大深度為管徑的5%，通常不會(huì)立即影響海底管道的運(yùn)行。不過，應(yīng)該采取檢驗(yàn)和技術(shù)評(píng)估的手段。(2)中損壞(D2級(jí))。海底管道需要修復(fù)，但也不會(huì)導(dǎo)致泄漏。當(dāng)海底管道壁上的凹坑會(huì)限制其內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)，通常需要進(jìn)行修復(fù)(凹坑的最大深度超過管徑的5%)。修復(fù)可以推遲一段時(shí)間，經(jīng)過結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定后可以繼續(xù)運(yùn)行。(3) 重?fù)p壞(D3級(jí))。發(fā)生泄漏，海底管道壁被砸穿孔或者海底管道破裂，必須立即停止油氣輸送并進(jìn)行線路修復(fù)，損壞的部分必須修補(bǔ)或替換掉。

2 錨正面撞擊海底管道的能量計(jì)算

錨拋入水中并撞擊海底管道的作用機(jī)理是復(fù)雜的，它包括許多參數(shù)，如錨的形狀、尺寸以及撞擊方向。根據(jù)DNV-RP-F107標(biāo)準(zhǔn)，基于以下一些假設(shè)，計(jì)算“最壞狀態(tài)”下錨落水并撞擊海底管道的能量：(1) 錨是堅(jiān)硬的，撞擊時(shí)不會(huì)變形；(2) 錨是直接下落的，不旋轉(zhuǎn)；(3) 海底管道是靜止的；(4) 撞擊能量轉(zhuǎn)移至海底管道的時(shí)間很短，且大部分轉(zhuǎn)移的能量被海底管道的凹坑所吸收；(5) 撞擊時(shí)錨達(dá)到了其下落的極限速度。

2.1錨的沖擊能

錨被拋入水中后下沉，經(jīng)過一段時(shí)間后，達(dá)到下沉的極限速度，即：當(dāng)錨的重力與排出水的體積和流動(dòng)阻力達(dá)到平衡時(shí)，錨的下沉速度為一個(gè)常量。錨下沉達(dá)到受力平衡時(shí)的方程為

式中：m為錨的質(zhì)量；V為錨的體積；ρw為海水密度；g為重力加速度；A為錨在下沉方向上的投影面積;v為錨在水中的極限速度；Cd為錨的阻力系數(shù)[5],取0.8;T為時(shí)間。

其觸底時(shí)的最高速度即最終速度可簡(jiǎn)化為

式中：ρa(bǔ)為錨的密度。

錨在水中達(dá)到極限速度時(shí)，其動(dòng)能ET為

除了動(dòng)能ET外，實(shí)際撞擊能量EE還包括附加的水動(dòng)力能量EA，則實(shí)際撞擊的能量變?yōu)?/p>

圖1 凹坑示意圖

式中：ma為附加質(zhì)量，ma=ρwCaV,其中，Ca為錨的附加質(zhì)量系數(shù)。

2.2海底管道被撞凹坑的吸收能

撞擊的典型失效模式是在海底管道壁上形成凹坑或穿孔，如圖1所示。假設(shè)刃型載荷垂直作用于海底管道上，凹坑極深，幾乎貫穿整個(gè)橫斷面[5]，則鋼質(zhì)海底管道吸收能的計(jì)算公式為

式中：mp為管壁的塑性彎矩；σy為屈服應(yīng)力;δ為管的變形凹坑深度；t為海底管道壁厚；D為海底管道外徑。

泄漏和整體破裂可能性是一個(gè)累積的條件概率，撞擊能量增加，此概率也增加。對(duì)比E的結(jié)果可以判斷海底管道受錨撞擊后的損壞情況。

2.3海底管道埋深保護(hù)層能力

挖溝并填埋海底管道在一定程度上可以額外保護(hù)海底管道免受落錨和拖錨的損壞，但作用是有限的，這主要取決于挖溝的深度和撞擊物的尺寸。根據(jù)實(shí)體試驗(yàn)，墜落物被砂礫層吸收的能量關(guān)系為

式中：γ′為填埋材料的有效單位重力，取11 kN/m3;D為海底管道的直徑；Ap為海底管道的投影面積；z為穿透深度；Nq,Nr為承載系數(shù)，通常Nq取99，Nr取137。

3 工程實(shí)例

依據(jù)錨撞擊海底管道的計(jì)算模型，假設(shè)錨達(dá)到極限速度，海底管道設(shè)計(jì)參數(shù)如下：外徑273.1 mm,壁厚11.1 mm,屈服應(yīng)力530 MPa，共選取2種不同大小的無桿錨，分別計(jì)算該海底管道在不同埋深條件下受錨撞擊的能量，并判斷海底管道的損壞情況。擋水面積S的計(jì)算公式為

質(zhì)量為5 250 kg錨的參數(shù)為:錨的長(zhǎng)度A=2 728 mm,錨的寬度B=1 910 mm,錨的厚度C=846 mm,錨爪長(zhǎng)度D=1 760 mm,錨爪間距離E=1 364 mm。因此，S=4.5 m2。

質(zhì)量是20 000 kg的錨的參數(shù)為:錨干長(zhǎng)度A=4 262 mm,錨的寬度B=2 985 mm,錨的厚度C=1 320 mm,錨爪長(zhǎng)度D=2 750 mm,錨爪間距離E=2 130 mm。因此，S=10.99 m2

3.1實(shí)例1

3.1.1 錨的沖擊能

根據(jù)分析，利用式(2)計(jì)算錨觸底前的速度，錨的質(zhì)量m為5 250 kg,計(jì)算出此艘漁船的錨的擋水面積A為4.50 m2,重力加速度g取9.81 m/s2,錨的密度7 850 kg/m3,海水的密度取值為1 025 kg/m3,拖曳系數(shù)Cd為0.8，計(jì)算得vT=4.93 m/s。

錨在撞擊海底管道時(shí),除了錨本身由于重力產(chǎn)生的動(dòng)能,還會(huì)在下落中攜帶一定質(zhì)量的水,這部分動(dòng)能在計(jì)算時(shí)也要考慮進(jìn)去,因此根據(jù)式(4)計(jì)算得掉落的錨對(duì)海底管道的有效撞擊能量EE=76 296.96 J。

3.1.2 管道自身吸收的能量

計(jì)算對(duì)海底管道造成5%壁厚凹陷(工程上認(rèn)為5%的凹陷為管道仍然可以安全使用的最大傷害值)的損害所需的能量。

首先根據(jù)式(6)計(jì)算出管道的塑性彎矩mp=16 325.325 N；再根據(jù)式(5)計(jì)算對(duì)海底管道撞擊出5%壁厚的凹陷需要的能量E=3 304.36 J。

計(jì)算得到錨在觸底時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能為76 296.29 J,而管道可以接受的最大撞擊能量為3 304 J。所以，錨在觸底時(shí)產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了管道所能接受的撞擊能量范圍,必須采取一定的保護(hù)方法。

3.1.3 回填掩埋吸收的能量

經(jīng)過計(jì)算可知，如果對(duì)海底管道不采用任何保護(hù)措施，掉落的錨會(huì)損害海底管道，所以必須采取一定的保護(hù)措施防止海底管道受到損害。掩埋回填是保護(hù)海底管道最有效也是最常見的方法,它能夠有效地吸收錨對(duì)海底管道的撞擊能量，減小海底管道受到的損害，而且施工相對(duì)簡(jiǎn)單。

通過對(duì)渤海海底的地質(zhì)分析，單位重量填充物質(zhì)的有效容重γ′采用較保守的值11 kN/m3，填充物質(zhì)的承受能力系數(shù)Nq和Nr取值分別為99和137，管道的直徑為273.1 mm，管道的截面積Ap為0.059 m2。

在本例中錨的重量為5 250 kg，根據(jù)式(7)可以計(jì)算出不同厚度下，掩埋土層的吸收能力為

Ep=0.5·γ′·D·Nr·Ap·z+γ′·Nq·Ap·z2=12 141.1z+64 251z2

根據(jù)第2節(jié)的計(jì)算結(jié)果可知,5.25 t的錨在觸底時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能EE為76 296.29 J。

若要使海底管道不受掉落錨的損害,必須使掩埋回填的土層完全吸收錨的動(dòng)能,即掩埋土層吸收的能量等于錨的動(dòng)能,即

12 141.1z+64 251z2=76 296.29

解一元二次方程得，z=0.99 m。

3.2實(shí)例2

散貨船的錨重為20.0 t,比漁船錨的質(zhì)量大很多,所以對(duì)海底管道的損害也大很多,需要重點(diǎn)考慮,根據(jù)舾裝數(shù)計(jì)算出此錨的擋水面積A為10.99 m2,根據(jù)式(2)計(jì)算得錨在觸底時(shí)的最終速度為vT=6.15 m/s，因此錨在觸底時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能EE=452 304.10 J。

根據(jù)計(jì)算，實(shí)例2中散貨船的錨重為20.0 t,在觸底時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能為452 304.10 J,這些能量如果撞擊管道會(huì)造成損害,所以要采取保護(hù)措施吸收這些能量,防止造成海底管道撞擊損害。

根據(jù)式(7)可以計(jì)算出不同厚度的掩埋土層的吸收能力Ep=12 141.1 z+64 251 z2，根據(jù)第2節(jié)的計(jì)算,20.0 t的錨在觸底時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能EE=452 304.10 J,掩埋土層吸收的能量等于錨的動(dòng)能,即

12 141.1z+64 251z2=452 304.10

解一元二次方程得，z=2.56 m。

經(jīng)計(jì)算,重量5.25 t和20.0 t的錨能夠砸入海底的深度分別為0.99 m和2.56 m。

4 結(jié) 論

本文參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立落錨直接正面撞擊海底管道能量的計(jì)算方法和海底管道損壞情況的判斷方法，有助于確定海底管道敷設(shè)的挖溝埋深。通過計(jì)算,得到2種實(shí)例中錨在觸底前的最終速度分別為4.93 m/s和6.15 m/s,在觸底時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能分別為76 296.29 J和452 304.10 J。最后,計(jì)算得掩埋土層能夠吸收的能量。經(jīng)計(jì)算，海底管道自身能夠吸收的最大能量為3 304.36 J,錨的動(dòng)能對(duì)海底管道的撞擊會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p害,必須采取一定的保護(hù)措施防止發(fā)生撞擊受損事故。在現(xiàn)有渤海地區(qū)掩埋回填的條件下,2種錨能夠砸入土壤的深度即掩埋層的深度分別為0.99 m和2.56 m。

[1] 譚箭，李恒志，田博．關(guān)于事故性拋錨對(duì)海底管道損害的探討[J]．船海工程，2008 (01)：142-144．

[2] 王再明，米小亮，張超．施工船舶拋錨作業(yè)對(duì)海底管道的影響研究[J]．交通信息與安全，2010 (03)：93-96．

[3] 劉學(xué)濤，張磊，郭振邦，等．錨泊作業(yè)對(duì)海底管道撞擊概率的研究[J]．石油工程建設(shè)，2005 (06)：30-33．

[4] DNV.Risk Assessment of Pipeline Protection: DNV-RP-F107[S]．2001.

[5] DNV.Global Buckling of Submarine Pipelines Structural Design due to High Temperature/High Pressure:DNV-RP-F110 [S]．2007.

ImpactDamageofAnchortoSubmarinePipeline

ZHOU Peilin, ZHOU Hong

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China)

Anchor is one of the key factors of submarine pipeline third party accidents. The anchor impact on the submarine pipelines is analyzed. In the initial impact analysis, based on DNV of seabed pipeline protection risk assessment guiding opinions about the specification (DNV-RP-F107), calculation method of the energy of the impact of anchor operation on the submarine pipeline, the energy absorbed by the pit of the sea wall and energy absorbed by the sea tube protective layer are analyzed. Two examples are given, with the conclusions that the damage grades of the pipelines are drawn when 5.25 t and 20.0 t anchor fell into the sea, and the reasonable buried depth is determined. It provides reference for the safety of the sea pipe laying.

submarine pipeline; anchor dragging; impact; energy

2016-06-02

周沛林(1990-)，男，碩士研究生

1001-4500(2017)04-0097-04

U662

： A