李海學(xué)，朱青春，魏頌珂

1.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450

2.必維（天津）安全技術(shù)有限公司，天津 300201

3.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 102600

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2021 年我國(guó)原油對(duì)外依存度高達(dá)72%，天然氣對(duì)外依存度達(dá)到46%。為了保障我國(guó)能源供給和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，近海石油天然氣開(kāi)采得到了極大的重視，獲得了迅速的發(fā)展。海底輸送管道作為最便捷、安全、可靠的輸送方式被首選使用，隨之而來(lái)的是產(chǎn)生了海底管道的安全運(yùn)營(yíng)與繁忙的船舶運(yùn)輸之間的矛盾。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相繼發(fā)生了多起海底管道受損事故，據(jù)事故原因統(tǒng)計(jì)，最主要的原因是船舶錨泊作業(yè)。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是船錨下落直接撞擊海底管道，由于船錨自身重量大，落錨時(shí)船錨貫穿海底管道正上方土層，對(duì)海底管道產(chǎn)生巨大的沖擊力，造成海底管道結(jié)構(gòu)損傷；二是船錨被拖拽過(guò)程中與海底管道相遇，船錨入土深度超過(guò)了海底管道的埋深，在船舶強(qiáng)大的動(dòng)力系統(tǒng)作用下，最終鉤拽拉斷海底管道。

本文基于船舶AIS 數(shù)據(jù)，采用耦合的歐拉-拉格朗日方法，定量計(jì)算船舶落錨、拖錨過(guò)程中船錨的入土深度，對(duì)落錨擊中渤海灣某海底管道的概率進(jìn)行分析計(jì)算，得出船舶錨泊作業(yè)對(duì)海底管道破壞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)從管理方面提出了適用的措施建議。

1 船舶落錨對(duì)海底管道的風(fēng)險(xiǎn)分析

本文選取通行船舶較多的某海底管道海床典型點(diǎn)位土壤特性，計(jì)算船舶落錨的貫入深度和落錨擊中管道的概率，從而得出船舶落錨對(duì)海底管道的總體風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 錨貫入深度分析

本文選取該水域通行的中大型船舶常使用的霍爾錨作為計(jì)算模型[1-2]，用非線性有限元軟件ABAQUS計(jì)算船錨貫入海床的深度。由于海底管道敷設(shè)主要采用挖溝深埋的方式，因此船舶落錨撞擊海底管道時(shí)，存在海床土體對(duì)撞擊能量的吸收、海床土體大變形等一系列復(fù)雜問(wèn)題。

1.1.1 耦合的歐拉-拉格朗日方法

本文采用耦合的歐拉-拉格朗日方法模擬計(jì)算[3]，該算法結(jié)合了歐拉算法和拉格朗日算法的優(yōu)點(diǎn)，其采用拉格朗日網(wǎng)格離散結(jié)構(gòu)物，采用歐拉網(wǎng)格離散海底土壤，使其網(wǎng)格固定而允許材料在網(wǎng)格中自由流動(dòng)，可以較好地分析涉及大變形和材料破壞等問(wèn)題，特別適用于模擬船錨貫入土壤引起土壤變形的過(guò)程。船錨與海底土壤間的接觸面采用拉格朗日域邊界來(lái)描述，很好地解決了船錨界面描述與網(wǎng)格大變形問(wèn)題。這點(diǎn)不同于ALE方法的允許網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)，通過(guò)不斷產(chǎn)生新網(wǎng)格來(lái)適應(yīng)上一步計(jì)算得到的變形。ABAQUS軟件采用歐拉體積分?jǐn)?shù)EVF（Eulerian Volume Fraction）來(lái)追蹤歐拉材料在網(wǎng)格中的分布狀態(tài)，通過(guò)指定EVF 的值來(lái)表示歐拉單元中充滿(mǎn)材料的比例。EVF=0表示該單元中沒(méi)有歐拉材料，EVF=1表示該單元被歐拉材料充滿(mǎn)，如此，歐拉材料的流動(dòng)即可表征土體的變形與運(yùn)動(dòng)。歐拉體參數(shù)的施加也可以計(jì)算初始時(shí)的EVF，通過(guò)材料指派來(lái)賦值[4-6]。

1.1.2 有限元模型建立[7-8]

選用26 t錨的參數(shù)[9]，建立簡(jiǎn)化的有限元模型，使用R3D4 單元建立離散的剛體模型[10]，在錨柄上指定參考點(diǎn)，在參考點(diǎn)上賦予錨的質(zhì)量。

采用八節(jié)點(diǎn)歐拉單元EC3D8R 模擬土體，將錨置于EVF=1土體表面，如圖1所示。錨和土體接觸采用通用接觸。

圖1 錨貫入模擬的有限元模型

1.1.3 海底土壤特性

海底土壤具有各向異性、非均質(zhì)性和非連續(xù)性等復(fù)雜的性質(zhì)，因而應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出強(qiáng)烈的黏滯性、非彈性和非線性等復(fù)雜的力學(xué)特征。土壤受到物體沖擊后，受到的壓力和剪切力均會(huì)引起塑性體積變形。查閱地質(zhì)勘探資料，可知計(jì)算點(diǎn)位處的土壤特性參數(shù)，如表1所示。

表1 典型點(diǎn)位土壤特性參數(shù)

1.1.4 荷載與邊界條件

對(duì)模型施加重力場(chǎng)，并對(duì)土體進(jìn)行地應(yīng)力平衡。設(shè)置初始狀態(tài)，錨與土體接觸面以下歐拉單元的EVF值為1，接觸面以上EVF值為0。錨鏈孔距離水面20 m，計(jì)算得到錨貫入土體初速度為18 m/s，錨的運(yùn)動(dòng)通過(guò)對(duì)錨柄參考點(diǎn)施加初速度實(shí)現(xiàn)。對(duì)土體模型底面和側(cè)面施加速度邊界條件，歐拉邊界采用無(wú)反射邊界，近似于無(wú)限元邊界。

1.1.5 貫入深度計(jì)算結(jié)果

第一，B4 點(diǎn)位，錨在貫入過(guò)程中，最大貫入深度為1.753 m，最終回彈至1.552 m 深度。第二，B8點(diǎn)位，錨在貫入過(guò)程中，最大貫入深度為2.086 m，最終回彈至1.982 m深度。見(jiàn)圖2。

圖2 基于有限元的船錨貫入深度計(jì)算模型

通過(guò)對(duì)海底管道典型點(diǎn)位進(jìn)行船錨貫入深度計(jì)算可知，26 t重船錨貫入該區(qū)域海床的深度為1.5～2.0 m。

1.2 船舶落錨擊中海底管道分析

1.2.1 海底管道附近船舶通航情況

通過(guò)查詢(xún)AIS 船舶軌跡熱力圖，船舶主要航跡不經(jīng)過(guò)該海底管道，但該海底管道上方依然存在一些過(guò)往船舶，主要為天津港至蓬萊港的船舶。通過(guò)查詢(xún)AIS 數(shù)據(jù)庫(kù)，可知2021 年從該海底管道上方通過(guò)的船只數(shù)為55 800 艘次，其中普通貨船占比達(dá)60.2%，漁船占比達(dá)21.6%，油輪占比為3.8%，拖輪占比為2.0%，其余為客船、高速船和其他船舶，占比較小。

1.2.2 落錨擊中管道的概率

通常船舶在極端天氣下，失去動(dòng)力等因素下會(huì)進(jìn)行緊急拋錨，如果剛好在管道上方，就會(huì)對(duì)管道造成極大的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)查閱大量的文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)有關(guān)于緊急拋錨頻率的文獻(xiàn)非常稀少，以John Brown統(tǒng)計(jì)的30年拋錨頻率數(shù)據(jù)來(lái)看，漁船因?yàn)閲嵨惠^小，抗風(fēng)能力差，拋錨頻率最高，占所有船舶拋錨頻率的74.0%，而且捕撈期間漁船因作業(yè)需要亦會(huì)經(jīng)常拋錨，因而對(duì)管道影響最大；其次是干貨船，拋錨頻率占所有船舶拋錨頻率的15.5%，干貨船、集裝箱船等由于噸位較大，平均錨重也大，拋錨對(duì)管道的影響程度較大；其余船只拋錨頻率均很小，對(duì)管道的影響程度也較小。參考DNV RP F107[11]及相關(guān)文獻(xiàn)的描述和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，較為保守的考慮船舶漂移（船舶失去控制）引起的拋錨、落錨擊中管道的概率可用式（1）計(jì)算[12]。

式中：FHit為落錨擊中管道的概率，Nship為具有錨泊可能的船舶數(shù)量，F(xiàn)Drift為漂移概率，PHuman為不在管道附近進(jìn)行拋錨的概率，PHit為落錨擊中管道的概率。

通過(guò)計(jì)算可知，該海底管道上方船舶主要通行管段，其平均每千米的落錨概率為9.43E-06，低于1.0E-05，因此總體風(fēng)險(xiǎn)可控。

2 船舶拖錨分析

船舶拖錨主要存在以下3 種情形。一是船舶通過(guò)拋出短錨鏈，通常為水深的1.5 倍，使船錨在海底隨船拖動(dòng)，借以降低船速的一種輔助操船方式。通常，該情況錨貫入深度較小，在海床表面移動(dòng)。二是船舶拋錨過(guò)程中的拖錨，船錨落在海床上時(shí)，先貫穿一定的垂直距離，然后傾倒，錨柄和錨爪之間的夾角逐漸減小，錨爪逐漸嵌入土壤，直到錨部分或全部嵌入海床。在這個(gè)過(guò)程中，錨將在土壤里進(jìn)行水平拖曳，另外也可能存在旋轉(zhuǎn)、出土和再次嵌入等。通常，該情況錨貫入深度較大，但移動(dòng)距離較小。三是船舶在錨地拋錨停泊期間的走錨，當(dāng)船舶受到風(fēng)、流、浪等外力大于錨和錨鏈產(chǎn)生的抓力，且外力的方向不斷地改變，船錨就會(huì)被帶出海床失去固定船舶的作用，被船舶帶著在海中移動(dòng)。2004年的一項(xiàng)調(diào)查顯示，有40%的錨泊船舶在臺(tái)風(fēng)中經(jīng)歷過(guò)走錨。如今，隨著航海界對(duì)船舶走錨原因認(rèn)識(shí)的不斷提高和對(duì)策措施的不斷改進(jìn)，走錨現(xiàn)象已不至于如此頻繁，但仍時(shí)有發(fā)生，仍然是威脅海底管道健康運(yùn)營(yíng)的主要因素?！爸写?號(hào)”輪（2008年）、“皖太湖貨9009”輪（2012 年）、“粵清遠(yuǎn)工9388”船（2018 年）、“福景001”輪（2022 年）等船舶走錨事件，都曾給當(dāng)?shù)睾Ｊ?、航運(yùn)企業(yè)的安全監(jiān)管和應(yīng)急工作帶來(lái)了很大的壓力。

2.1 拖錨后果分析

中大型船舶經(jīng)常使用的錨為霍爾錨，錨柄的截面通常是矩形或圓形，錨爪與錨柄之間的最大夾角為45°。船舶拖錨時(shí)，船錨先被拋至海床上，由于錨并不是以自由落體的方式直接落入海底的，因此錨在接觸海底時(shí)的實(shí)際沖擊能較小，在不同土質(zhì)工況下入土深度相差不大，然后隨著錨鏈拖拉，錨爪逐漸嵌入土壤，直到錨全部嵌入海床，這時(shí)錨的入土深度即為錨嚙入海底的最大深度，錨入土深度可用式（2）計(jì)算[13]。

式中：T 為錨入土深度，m；H 為錨爪高度，m；α為錨爪展開(kāi)角度，（°）；B為錨身厚度，m。

表2 給出了船錨入土深度，從表中可以看出，誤拋錨或緊急拋錨時(shí)錨入土深度均會(huì)超過(guò)海底管道通常的設(shè)計(jì)埋深1.5 m，對(duì)該海底管道形成拖錨損傷的威脅。

表2 船錨入土深度

2.2 拖錨可能性分析

1）貨船（普通貨船、集裝箱和油輪）。根據(jù)AIS 系統(tǒng)船舶軌跡熱力圖可知，船舶主要航跡避開(kāi)該管道，在部分管段存在部分船舶通行，與管道為垂直交越。除遇緊急情況外，貨船很少有拖錨的情況，且船舶錨地距離管道約4 n mile。因此拖錨的可能性較小。

2）漁船。該海底管道處漁船為保持航行穩(wěn)定或捕魚(yú)作業(yè)，存在通過(guò)拋出短鏈?zhǔn)瑰^在海底隨船拖動(dòng)的情況，但該情況錨貫入深度很小，在海床表面移動(dòng)，因此拖錨損壞管道的可能性較小。

3）工程船。平臺(tái)附近船舶主要為海洋石油工程船舶，管理狀況良好，對(duì)管道路由位置明確，施工作業(yè)前有相關(guān)施工作業(yè)方案，能夠避免拖錨損傷。

2.3 拖錨風(fēng)險(xiǎn)分析

誤拋錨或船舶緊急拋錨時(shí)錨入土深度均可達(dá)到海底管道埋深，對(duì)管道形成拖錨損傷的威脅，但船舶拖錨的可能性較小，同時(shí)管道附近船舶處于錨泊狀態(tài)時(shí)（在錨地），距該海底管道較遠(yuǎn)，因此發(fā)生拖錨損傷海底管道的風(fēng)險(xiǎn)較低。

3 結(jié)束語(yǔ)

研究表明，船舶發(fā)生落錨和拖錨損害該海底管道的風(fēng)險(xiǎn)總體較低，但一旦發(fā)生就會(huì)造成嚴(yán)重的后果，因此，應(yīng)從海底管道管理方、船舶方、海事部門(mén)等相關(guān)單位共同努力，以進(jìn)一步保護(hù)海底管道安全運(yùn)營(yíng)。

海底管道管理單位應(yīng)結(jié)合AIS 系統(tǒng)，在周邊船舶較多時(shí)加強(qiáng)巡護(hù)，防止過(guò)往漁船拖網(wǎng)作業(yè)；采用AIS 系統(tǒng)的區(qū)域提醒功能，在船舶進(jìn)入/離開(kāi)該范圍時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警、高頻電臺(tái)廣播和遠(yuǎn)程喊話，避免船舶對(duì)管道造成損壞；根據(jù)路由勘查結(jié)果，從治理的可靠性、治理徹底程度以及治理成本以及海底生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多方面綜合考慮，增加主要通航段管道埋深。

海洋石油工程作業(yè)船舶在平臺(tái)附近作業(yè)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格要求提前做好施工作業(yè)方案，防止墜物、拖錨造成管道損傷。

其他船舶應(yīng)嚴(yán)格遵守航行法律法規(guī)，及時(shí)更新海圖，禁止在海底管道保護(hù)區(qū)內(nèi)從事挖沙、鉆探、打樁、拋錨、拖錨、底拖捕撈、張網(wǎng)或者其他可能破壞海底管道安全的海上作業(yè)[14]。

海事部門(mén)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)船公司、船舶的監(jiān)督管理，及時(shí)發(fā)布相關(guān)海事通告，提醒過(guò)往船舶注意避讓海上平臺(tái)、海底管道、海底電纜。