社会环境因素对海底管道埋设深度的影响

赵冬岩 王 琮 罗 超 王凤云

(海洋石油工程股份有限公司)

社会环境因素对海底管道埋设深度的影响

赵冬岩 王 琮 罗 超 王凤云

(海洋石油工程股份有限公司)

影响海底管道埋设深度的社会环境因素主要有渔业活动和航运活动。在比较国内外有关海底管道埋设深度的法规、规范的基础上,以我国在役的6条海底管道为例,通过计算分析了拖网撞击和锚撞击对海底管道的影响;并结合我国海域船舶及在役海底管道状况提出了管道埋设深度推荐方案,可为今后我国海域海底管道埋设深度研究及相关法律、规范的制定提供技术参考。

社会环境因素 海底管道 埋设深度 渔业 航运

海底管道在海洋石油开发中发挥着重要的作用。由于工作环境复杂,海底管道的安全性一直为人们所关注。目前对海底管道安全问题的研究多集中于管道的腐蚀及波流冲刷所导致的失效问题,而对于第三方活动对海底管道安全的影响研究得相对较少。据有关事故资料分析,社会环境因素是造成管道失效的三大主要因素之一,而且其所占比例呈逐年上升的趋势。

20世纪七八十年代国外一些机构就开展了海底管道埋设深度的研究,并发布了一些指导性文件,对不同海域海底管道的埋设深度作出了相关规定,比如DNV规范、ABS规范、英国法规、美国联邦法规、ISO标准等。我国在此方面的研究较少,也未颁布相关规定和标准。在实际工程中,当涉及海底管道穿越航运区、渔业区、自然保护区及旅游区等海域时,相关区域的权益人都会担心海底管道工程会影响到区内相关利益,因而对海底管道埋设深度提出不切实际的要求,而海底管道建设单位往往因为没有相应的研究成果及相关法规可依据,常常会保守处理,从而导致项目成本增大,也影响了工程的实施。因此,有必要对社会环境因素对海底管道埋设深度的影响问题进行研究,并探讨适用于我国情况的海底管道埋设深度的相关规定。

1 影响海底管道埋设深度的社会环境因素

影响海底管道安全的社会环境因素主要有渔业活动、航运活动等[1],它们均可能对海底管道造成破坏,是海底管道埋设深度设计中必须考虑的因素。

(1)渔业活动 影响海底管道埋设深度的渔业活动主要有拖网渔船作业和渔船抛锚,以及作业渔船掉落物体。拖网渔船拖网作业对海底管道埋设深度的影响主要表现为所用拖网板、桁杆或配重块刮入海底土壤一定深度时造成对管道的撞击,致使管道局部凹陷或涂层破坏(图1)。渔船抛锚对海底管道埋设深度的影响主要表现为锚贯入海底土壤一定深度后撞击管道,造成管道局部凹陷或涂层破坏。

图1 拖网对海底管道的冲击示意图

(2)航运活动 航运活动对海底管道的影响主要表现为船舶偶然性的抛锚与拖锚撞击管道造成损坏;同样,航运船只掉落物体也会造成管道损坏。

2 现有法规、规范对海底管道埋设深度的规定

表1列出了挪威船级社、美国船级社及一些国家、地区或组织关于海底管道埋设深度的法规、规范及标准。

表1 关于海底管道埋设深度的法规、规范及标准

3 锚击管道局部变形深度计算模型

锚和落物是影响海底管道安全的主要因素之一,也是影响管道埋设深度的主要因素之一。船舶锚泊作业中锚冲击海底管道时,管道吸收的能量主要取决于锚在水中下落的最终速度(vc),该速度可以通过动能定理求得[2]:

式(1)中:m为锚的质量,kg;g为重力加速度,取g =9.81m/s2;ρw为海水密度,取ρw=1 025kg/m3;ρs为锚的密度,取ρs=7 850kg/m3;A为下落时锚的挡水面积,m2;CD为锚的拖曳力系数。

锚对管道的冲击动能可表示为

管道混凝土配重层吸收能为[2]

式(3)中:fcw为管道所涂敷混凝土的破坏强度,Pa; V为混凝土配重层的体积,m3。

管道局部变形吸收的能量可由下式计算

管道局部的最终变形深度为[2]

式(5)中:fn为冲击能的耗散/吸引系数,fn=1.0; mp为等效弹性动量,mp=σyt2/4;Dm为钢管平均直径,mm,Dm=D-t;D为钢管外径,mm;t为钢管壁厚,mm。

4 工程实例分析

4.1 拖网撞击

选取我国在役的6条海底管道(其中管道1和管道2没有混凝土配重层)分析对比拖网板撞击对管道的影响,管道主要参数列于表2。计算中涉及的其它参数参考有关文献1)海洋石油工程股份有限公司.社会环境因素对海底管道影响研究报告.2009.。根据前述公式可求得管道钢管吸收能量、最大冲击力以及钢管最大永久变形量等(表3)。

表2 我国6条在役海底管道的主要参数

表3 拖网板撞击管道计算结果

对表3中计算结果进行分析可知,在受到拖网板撞击时,有混凝土配重层的管道,其混凝土配重层可以把撞击所产生的能量完全吸收掉,因此拖网板的撞击对钢管不产生任何影响;而无混凝土配重层的管道,钢管最大的永久变形量为1.41mm,与外径的比值为0.84%,低于DNV规范规定的标准(Hp/D≤0.05η=3.5%),说明其对海底管道造成的破坏较小,变形在可接受范围内;然而,根据计算分析得到的拖网板撞击海底管道的频率为91.4次/ (a·km),接近DNV规范中规定的钢管零变形的撞击频率100.0次/(a·km)。因此,为保证海底管道的安全,应该对管道进行埋设,以避免拖网板对管道的撞击。对于有混凝土配重层的管道,拖网板撞击产生的能量相对较小,不会破坏混凝土配重层,因此对管道不会造成破坏。

4.2 锚撞击

航运活动中船舶抛锚与拖锚撞击管道有可能造成管道失效。锚贯入海床的深度与锚的重量、抛锚高度、海水深度、海底土壤类型等因素有关,而锚冲击海底管道时管道吸收的能量主要取决于锚在水中下落的最终速度。

以质量为3.5t的霍尔锚为例。根据式(1)及有关参数,可以计算出锚从距离海底1m到10m以及更高的高度自由下落的最终速度(表4)。分析计算结果可知,在自由下落10m左右时锚的下降速度就已经接近自由沉降速度,此时锚的受力达到平衡并做匀速直线运动,因此进行计算分析时可直接采用自由沉降速度。

表4 锚下落的最终速度与自由下落高度

我国渤海、黄海、东海、南海等海区的航运情况差别不大,锚击概率的大小主要与船舶流量相关。因此,本文以某港口某方向的船舶流量为例,进行了锚击造成的管道失效概率的计算分析。根据锚击坠物失效概率的计算方法[3]可以求出管道各区域(依据截面上各点的船舶流量进行区域划分)的失效概率,其结果如表5所示。

表5 锚击造成的管道各区域失效概率统计表

根据表5的计算结果可以得出,锚击管道的发生概率很低,这说明锚击管道造成的破坏并不常见。

我国海洋船舶80%以上为万吨级以下船舶,其船锚质量在1～3t之间,且80%左右的锚为霍尔锚。本计算分析选取3t霍尔锚进行计算,管道参数见表2,混凝土配重层吸收的能量、钢管吸收的能量以及钢管的最大永久变形量等计算结果列于表6。

表6 3 t霍尔锚撞击管道计算结果

对表6计算结果进行分析可得出,管道在受到3t霍尔锚撞击时,钢管的最小永久变形量为36.25 mm,最小变形量与外径的比值为4.76%,这2个值远远超过了DNV规范规定的标准[4-5]。因此,为了保证管道安全,需要对管道进行埋设,以避免船锚对管道的撞击。

5 我国海域海底管道埋设深度推荐方案

根据上述对比分析和计算分析,综合考虑我国海洋船舶状况,以及我国海域海底地质情况、在役海底管道情况和经济性等因素,提出了我国海域海底管道埋设深度推荐方案(见表7)。

表7 我国海域海底管道埋设深度推荐方案(100m水深以内)

[1] 王茜,赵建平.海底管道第三方破坏失效分析及对策[J].石油化工设备,2007,36(3):18-21.

[2] 粟京.DnV96版《海底管道系统规范》对冲击防护的新规定[J].石油工业技术监督,1999,15(2):15-17.

[3] YASSERI S F,PRAGER J.Protection of pipelines in shipping lanes:proceedings of the24th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering(OMAE2005)[C]. OMAE2005-67018,2005.

[4] DET NORSKE VERITAS.DNV-RP-F111Interference between trawl gear and pipelines[S].Oslo:DNV,2001.

[5] DET NORSKE VERITAS.DNV-OS-F101Submarine pipeline systems[S].Oslo:DNV,2001.收稿日期:2010-01-26 改回日期:2010-03-05

(编辑:张金棣)

Abstract:Fishery and shipping activities are the main social environmental factors that affect the buried depth of subsea pipeline.Based on the comparison analysis of the related domestic and international regulations and norms for buried depth of subsea pipelines,the collision of trawl and anchor on the6subsea pipelines in service offshore China was analyzed and the suitable solution of subsea pipeline buried depth was proposed according to the status of vessels and the subsea pipelines in China.The proposal provides technical reference to the future study of subsea pipeline buried depth and compilation of relevant laws and regulations for China waters.

Key words:social environmental factors;subsea pipeline;buried depth;fishery;shipping

Social environmental factors impact on the buried depth of subsea pipeline

Zhao Dongyan Wang Cong Luo Chao Wang Fengyun
(Of f shore Oil Engineering Co.Ltd.,CNOOC, Tianjin,300451)

赵冬岩,男,高级工程师,长期从事海底管道研究。地址:天津市塘沽区丹江路1078号 (邮编:300451)。