潘悅?cè)?，任小川，?墨，張世寬

(1.海洋石油工程股份有限公司 天津 300451；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452)

0 引 言

我國南海有大量油氣田和水下生產(chǎn)設(shè)施，其中，跨接管是用于連接水下管線終端、水下管匯和采油(氣)樹等水下結(jié)構(gòu)物的管道系統(tǒng)，是深海油氣開發(fā)中必不可少的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)。拖網(wǎng)捕魚作業(yè)是近現(xiàn)代采用數(shù)量最多的一種捕魚方法，在拖網(wǎng)過程中，漁網(wǎng)具極有可能與水下跨接管發(fā)生鉤掛，從而使跨接管受損，甚至對跨接管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可修復(fù)的破壞。本文以南海某 M 型跨接管為例，進(jìn)行跨接管在拖網(wǎng)鉤掛下的安全評估，估算風(fēng)險(xiǎn)并提出保護(hù)方案。

1 跨接管設(shè)計(jì)參數(shù)與幾何尺寸

針對南海某4in(101.6mm)M型跨接管構(gòu)型，利用ABAQUS有限元分析軟件建立三維結(jié)構(gòu)模型并開展強(qiáng)度分析。水下跨接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，構(gòu)型尺寸如圖1所示。

圖1 水下跨接管構(gòu)型及主尺寸(mm)Fig.1 Shape and dimensions of 4-inch jumper

表1 跨接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Structural design parameters of jumper

2 跨接管結(jié)構(gòu)受力分析

水下跨接管結(jié)構(gòu)的有限元模型、坐標(biāo)系統(tǒng)和載荷方式見圖2，總體坐標(biāo)系統(tǒng)中Z軸平行于跨接管水平跨距方向，Y軸為跨接管垂直方向，整體M型跨接管位于Y-O-Z平面內(nèi)，X軸垂直于跨接管平面。

跨接管模型使用“PIPE31H”單元模擬管道梁和“ELBOW32”單元模擬彎頭，連接器使用等效梁單元，根據(jù)連接器外徑、高度和重量進(jìn)行等效?？缃庸艿乃轮亓客ㄟ^加載重力加速度進(jìn)行等效模擬，跨接管單位長度重量考慮內(nèi)襯層、最大的介質(zhì)密度，主要的功能載荷考慮內(nèi)壓、外壓和溫度[1]。

本次評估中拖網(wǎng)作業(yè)對跨接管加載方式主要考慮2種載荷方式。

載荷方式 1：漁網(wǎng)與跨接管底部發(fā)生集中載荷，通過在跨接管底部特定位置加載集中載荷進(jìn)行模擬。加載位置通過沿跨接管底部跨長間隔 1m的不同位置進(jìn)行篩選，選取應(yīng)力結(jié)果大的位置作為最終的加載位置，如圖2所示。

載荷方式 2：漁網(wǎng)對跨接管肩跨拖拽作用載荷，通過對跨接管豎跨和肩跨部分加載均布載荷進(jìn)行模擬，分別對左右兩位置的豎跨進(jìn)行分析，選取應(yīng)力結(jié)果大的位置作為最終的加載位置，如圖2所示。

圖2 跨接管受力分析模型Fig.2 Analysis model of 4 inch jumper

根據(jù)上述分析方法對4in跨接管進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，分別得到跨接管到達(dá)最小屈服應(yīng)力和最小拉伸強(qiáng)度時(shí)的載荷大小。分析結(jié)果見表2。

表2 跨接管受力分析結(jié)果Tab.2 Analysis result of 4-inch jumper

圖3為4in跨接管載荷方式1到達(dá)屈服應(yīng)力分析結(jié)果示意，圖4為4in跨接管載荷方式2到達(dá)屈服應(yīng)力分析結(jié)果示意。

圖3 載荷方式1應(yīng)力分析結(jié)果Fig.3 Analysis result of load mode 1

圖4 載荷方式2應(yīng)力分析結(jié)果Fig.4 Analysis result of load mode 2

3 拖網(wǎng)作業(yè)參數(shù)估算

主要依據(jù) DNVGL-RP-F111[3]推薦，分析中使用到的相關(guān)網(wǎng)板數(shù)據(jù)見表3，并進(jìn)行了一定的保守假設(shè)。

表3 網(wǎng)板參數(shù)Tab.3 Trawl net parameters

基于以上數(shù)據(jù)，根據(jù)DNVGL-RP-F111推薦核算公式，估算拖網(wǎng)作業(yè)可能對跨接管產(chǎn)生的作用力 Fp，估算公式見式(1)：

其中：V為拖網(wǎng)速度(m/s)，mt為網(wǎng)板質(zhì)量(kg)，參見表3；CF為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，方形網(wǎng)板可由式(2)估算，鋼制V形網(wǎng)板由式(3)估算。

其中：Hsp為跨接管底部距離泥面高度(m)，本文模型為 1.3m；Do為跨接管外徑(m)，本模型為0.1143m；B為網(wǎng)板高度的一半。

kw為曳網(wǎng)的剛度(單位 N/m)，在缺少具體數(shù)據(jù)的情況下可由式(5)估算：

其中，Lw為曳網(wǎng)的長度(m)，一般情況下此長度為水深的 2.5～3.5倍，保守考慮選取 2.5倍水深，本文模型選取水深為200.2m。

根據(jù)上列估算公式和假設(shè)參數(shù)估算拖網(wǎng)作業(yè)對跨接管的作用力，針對4in跨接管估算的分析結(jié)果見表4。

表4 拖網(wǎng)作業(yè)對跨接管作用載荷估算Tab.4 Load estimation of trawl operation on 4-inch jumper

拖網(wǎng)作業(yè)可能干涉跨接管的頻率，以區(qū)域內(nèi)預(yù)測到的拖網(wǎng)漁船穿越該區(qū)域的次數(shù)為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。以南海某區(qū)域?yàn)槔杭僭O(shè)每年有5艘拖網(wǎng)漁船在該區(qū)域長期作業(yè)，每月內(nèi)拖網(wǎng)作業(yè)3次，每次作業(yè)持續(xù)7d。每天在該區(qū)域內(nèi)拖網(wǎng) 5次，按一天拖網(wǎng) 5次，1次持續(xù)2h，拖網(wǎng)平均速度 2m/s進(jìn)行計(jì)算，可以得到 1天內(nèi)的拖網(wǎng)距離為 72km，根據(jù)該區(qū)域的邊界長度，1天內(nèi)可穿越該區(qū)域 4次，則每月穿越次數(shù)為 84次(3×7×4)；每年可以考慮作業(yè) 11個(gè)月，則每年穿越該區(qū)域次數(shù)為 924次；5艘拖網(wǎng)漁船長期作業(yè)，則該區(qū)域發(fā)生的漁船穿越次數(shù)為4620次。

4 風(fēng)險(xiǎn)估算

使用表5的典型風(fēng)險(xiǎn)矩陣對拖網(wǎng)作業(yè)對跨接管損害的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。評估結(jié)果等級(jí)根據(jù)拖網(wǎng)干涉和破壞等級(jí)相加的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分見表6。

表5 風(fēng)險(xiǎn)評估矩陣Tab.5 Risk assessment matrix

表6 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分Tab.6 Risk classification

風(fēng)險(xiǎn)評估矩陣中的拖網(wǎng)干涉跨接管頻率等級(jí)可按表7進(jìn)行劃分，此劃分方法參考DNVGL相關(guān)研究報(bào)告。

根據(jù)對跨接管應(yīng)力分析結(jié)果，因?yàn)檩d荷方式1得到破壞載荷要大于載荷方式 2，所以選取載荷方式 1的載荷結(jié)果進(jìn)行破壞等級(jí)劃分。表8為 4in跨接管破壞等級(jí)劃分。

根據(jù)表7估算的拖網(wǎng)干涉頻率等級(jí)和表4、8的破壞載荷等級(jí)劃分，以及拖網(wǎng)作業(yè)載荷對4寸跨接管風(fēng)險(xiǎn)評估矩陣進(jìn)行了計(jì)算，得到的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果見表9。

表9 4 in跨接管風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)計(jì)算結(jié)果Tab.9 Risk level of 4-inch jumper

根據(jù)以上風(fēng)險(xiǎn)評估計(jì)算，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)略高。需說明的是由于缺少對目標(biāo)區(qū)域拖網(wǎng)捕魚作業(yè)中漁船數(shù)量、詳細(xì)的拖網(wǎng)設(shè)備等實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，風(fēng)險(xiǎn)評估計(jì)算中的不確定數(shù)據(jù)采用保守原則進(jìn)行假設(shè)。

5 結(jié)論與建議

基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣評估方法對目標(biāo)跨接管進(jìn)行評估。通過建立有限元模型、確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、發(fā)生頻次，計(jì)算跨接管的累計(jì)損傷，針對累計(jì)損傷破壞等級(jí)進(jìn)行評估，以確定跨接管結(jié)構(gòu)是否安全[4]。在漁業(yè)船舶活動(dòng)頻繁時(shí)期建議增加守衛(wèi)船舶、監(jiān)察頻次，并對其進(jìn)行警告、驅(qū)逐等。在跨接管的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分后需進(jìn)行必要防護(hù)。針對本文中跨接管的保護(hù)，建議采用“防沉板+保護(hù)罩+格柵”的形式[5]。