海底管道承受风险载荷作用研究

赵 党，夏日长，李秀锋，何 宁，孙国民

(海洋石油工程股份有限公司 设计公司，天津 300451)

海底管道承受风险载荷作用研究

赵 党，夏日长，李秀锋，何 宁，孙国民

(海洋石油工程股份有限公司 设计公司，天津 300451)

为保证海底管道在运营期间的安全性，需要对可能出现的风险载荷进行评估。首先依据行业规范界定海底管道失效等级；之后对不同类型海底管道对冲击能量的吸收能力进行详细分析；最后提出海底管道风险保护措施。随着我国海底管道建设的增多，研究海底管道风险载荷作用具有重大的学术意义和实际应用意义。

风险载荷；柔性管；脐带管(缆)；失效等级

0 引 言

海底管道的运营安全，为海底石油开采提供重要保障。一些海底管道的路由走向跨越船舶航道和渔业作业区域，由人类活动引起的偶然风险载荷决定了海底管道在服务周期内是否安全，针对不同形式的海底管道，评估风险载荷的作用具有重要意义。

有2种偶然荷载能导致立管、海管和脐带管(缆)破坏，即冲击功(如落物引起)和拖曳力、钩挂力(如拖网渔船作业和船舶收放锚引起)。偶然荷载和立管，海管和脐带管(缆)构成复杂动态、非线性的作用机制，研究偶然荷载冲击能量吸收情况，涉及冲击作用能量大小、作用方式，管材等级、尺寸、涂层及土壤特性等重要参数。海管位于松软介质特性海床，对落物冲击能功具有良好的吸收功能。拖曳力和钩挂力的作用，强制海管发生位移或产生附加弯矩。

1 失效等级分类

海管失效表现为管线壁厚凹陷、穿孔及承受过量的弯矩导致稳定性失效[1-2]。参照DNV-RP-F107[3]规范，失效模型将依据破坏程度(如D1～D3)分类如下：

1)小损伤(D1)。损害程度既不需要修复，也没有导致碳氢化合物泄漏。碳钢管壁上小的凹陷，如小于5%的管径，没有直接影响海管运营。只需对管线进行监测和技术评定，以确保管线结构的完整性。

小损伤对于柔性管、脐带管(缆)、涂层和阳极块的局部损伤，不需要进行修复。

2)中等程度损伤(D2)。损伤需要修复，但未导致碳氢化合物泄漏。碳钢管上凹陷限制了内部检测(如凹陷深度大于5%的碳钢管管径)，需要进行修复。

有海水进入柔性管和脐带管(缆)，将导致防腐蚀失效。

当需要频繁通球操作，需要进行特殊考虑。对于这样管线，大的凹痕将限制通球操作，迫使其停产，这种情况尽管没有导致碳氢化合物泄漏，但损伤将定为严重损伤(D3)。

3)严重损伤(D3)。损伤导致碳氢化合物泄漏。介质泄漏情况(如R0～R2)分以下3种：

①无泄漏(R0)。未导致输送介质泄漏。

②小泄漏(R1)。泄露来自管壁上的小孔或中孔(壁厚小于80 mm)。管线泄露少量的输送介质，这种泄漏导致管内压强降低或可直接观察到。

③大泄漏(R2)。泄漏来自断裂的海管。完全断裂将导致海管输送介质泄漏，直至管线被隔离处理。

管线破坏等级分类用于经济评估，泄漏等级用于对于人类安全和环境安全的风险评估。依照管线结构形式和管线保护形式对管线失效等级进行评定。管线吸收冲击能量计算公式为

(1)

式中：mp=0.25·σy·t2为壁厚弹性模量；δ为管材凹陷深度；t为管材名义壁厚；σy为屈服应力；D为管材外径。

2 海管结构形式

2.1 碳钢管线

1)冲击情况

冲击可导致海管相对“平缓”的凹陷。这种吸收冲击能的碳钢管凹陷计算见式(1)，凹陷形式如图1所示。保守分析时，不考虑管线内压作用。详细吸收能量评价可借助有限元软件模拟获得。

图1 凹陷预测示意图Fig.1 Schematic of dent prediction

冲击能增加可导致壁厚失效，海管泄漏。表1列出了针对不同冲击形态碳钢管的损伤等级。

表1 碳钢管的能量吸收和损伤等级Tab.1 Impact capacity and damage classification of steel pipeline

2)拖曳和钩挂情况

拖曳(见图2)和钩挂(见图3)可导致管线发生侧向位移与局部悬跨增大。DNV-RP-F111[4]给出这种情况的分析方法，DNV-OS-F101[5]中给出了针对屈曲和相关失效的描述及管线安全判别标准。如果超出规范的允许范围，海管将在横截面处发生压溃，或者屈曲失效。

图2 典型渔网拖曳与海管相互作用示意图Fig.2 Typical beam trawl gear crossing a pipeline

图3 典型钩挂示意图Fig.3 Sketch of typical hooking scenario

2.2 柔性管线

1)冲击情况

柔性管结构典型截面形式如图4所示，其由多层加强结构和聚合物组合生成。针对不同柔性管结构形式，需单独确定其对冲击功的吸收能力。如无特别说明，针对8″～10″柔性管，可以参考表2确定其吸收能力和损伤等级。

图4 柔性管典型截面图Fig.4 Sketch of typical flexible pipeline cross section

表2吸收能量情况适用于8″～10″柔性管，在一定情况下也可用于其他尺寸柔性管：吸收能力减少25%适用于4″～6″柔性管，吸收能力增加25%适用于12″～14″柔性管。保守设计考虑时，认为柔性管不能承受任何损伤，也不能吸收损伤能量。

表2 柔性海管的吸收能量和损伤等级Tab.2 Impact capacity and damage classification offlexible pipelines

2)拖曳和钩挂情况

柔性管的拖曳、钩挂情况和碳钢管类似，但柔性管将能承受更大的侧向位移和更小的弯曲半径。

2.3 脐带管(缆)

脐带管(缆)典型截面形式如图5所示，由支撑结构、电缆、护套、涂层等组成。最易破坏部分是电缆。脐带管(缆)实际承受能力要根据工程设计要求确定。对于有含有加强结构的脐带管(缆)，如无信息提供，可参考表3确定吸收能力和损伤等级，对于没有加强结构的脐带管(缆)，表3中所对应的吸收能力应相应减少。

图5 脐带管(缆)典型截面图Fig.5 Sketch of typical umbilical cross section

作用能量/kJ损伤描述情况概率D1D2D3<25小损伤未导致海水进入100025～5损伤需要修复，部分失效005055～10损伤需要修复，部分失效0025075>10完全失效001

对于拖曳或钩挂作用在脐带管(缆)情况，可参考柔性管。

脐带管(缆)自身失效对于人类安全和环境安全的影响并不明显，其主要表现在由于脐带管(缆)失效所导致的油气资源输送停止，易造成重大经济损失。

3 保护措施

3.1 混凝土涂层

混凝土涂层所能吸收冲击能量是关于物体冲击形成凹陷尺寸和混凝土压碎强度(Y)的公式。普通混凝土压碎强度是3～5倍的立方体抗压强度，轻质混凝土压碎强度是5～7倍的立方体抗压强度。典型方体抗压强度范围为35～45MPa。式(2)和式(3)是2个吸收能量公式。

图6 混凝土涂层吸收冲击作用示意图Fig.6 Impact in concrete coating

(2)

(3)

式中：x0为凹陷深度；b为作用物体宽度；h为长度；D为管径。对于大管径海管，式(2)相对保守，用于有凹陷形状分析。如无相关信息资料，对于45mm厚的混凝土涂层海管受冲击深度为30mm时，其吸收能量为40kJ。

3.2 聚合物涂层

聚合物是几层不同厚度和材质物质组合形成。其吸收冲击能量数值一般由实验获得。如无相关信息，可参考表4数据。

表4 聚合物涂层吸收能量情况Tab.4 Energy absorption in polymer coating

3.3 抛石和自然回填

抛石保护是海管最常使用的保护形式。基于全尺度实验，石块吸收能量界限计算公式：Ep=0.5·γ′·D·Nγ·Ap·z+γ′·z2b·Nq·Ap。

(4)

式中：γ′为回填材质的单位有效重量；D为海管直径；Ap为垂直落下管体插入石块面积；z为落下管体进入石块深度(见图7)；Nq，Nγ为剪切强度系数。

图7 落下管体作用示意图Fig.7 Sketch of falling pipe

Ap应依据石块颗粒大小确定，与石块颗粒相比，属于小管径的管体，可取插入管体截面积数值。相比较管径，如果石块颗粒较小，Ap可以采用管径周长和石块颗粒尺寸相乘获得。剪切强度系数Nq=99，Nγ=137。回填有效材质重量取11kN/m3。对于其他非管状物(如集装箱)作用在石块上，如下2个吸收能量公式分别针对边作用和角作用情况。

(5)

(6)

式中：sγ为形状系数，取0.6；L为作用边界长度。

石块覆盖不同管体、不同深度时能量吸收情况如图8所示。自然回填时，砂砾的能量吸收能力较石块小。

图8 石块能量界限吸收情况Fig.8 Absorbed energy in gravel

3.4 其他保护方法

在海管近平台处，为防止落物冲击的影响，在海管或膨胀弯上覆盖一层混凝土压块或者沙包(见图9)，混凝土压块的吸收能量一般取5～20kJ，沙包取5～10kJ。海管穿越特殊路由段时，采取隧道保护方式[6]，其保护形式如图10所示。针对船舶锚拖拽力作用，有效方式为将海管埋设一定深度，具体情况，由过往船只的锚特性及土壤特性决定。

图9 混凝土压块或沙包保护示意图Fig.9 Sketch of concrete mattress/sand bags protected

图10 隧道保护示意图Fig.10 Sketch of tunnel protected

4 结 语

经上述对不同形式的海管结构承受风险载荷作用情况分析及保护措施研究，可得出以下结论：

1)碳钢管结构承受冲击功作用性能优于柔性管和脐带管(缆)，柔性管和脐带管(缆)承受拖曳和钩挂载荷能力优于碳钢管；

2)混凝土涂层对管线保护强度高于聚合物涂层；

3)对特殊路由段的海管，抛石、混凝土压块和沙包覆盖保护能收到良好效果。

对于海底管道风险载荷评估是海底管道完整性管理[7]的重要部分，通过风险载荷评估，可以规避和有效控制海底管道运营期内的潜在风险，保障海底管道运营期安全。现在的研究成果多来自工程经验和实验，具有一定的局限性，随着有限元技术的发展，越来越多的风险载荷作用强度特性将通过有限元软件模拟获得。

[1] 赵党，郝双户，何宁.海底管道稳定性分析[J].北京：舰船科学技术,2013,35(5):99-102.

ZHAODang,HAOShuang-hu,HENing.Surveyonon-bottomstabilitydesignofsubmarinepipelines[J].BeiJing:ShipScienceandTechnology,2013,35(5):99-102.

[2]DNV-RP-F109,On-bottomstabilitydesignofsubmarinepipelines[S].2011.

[3]DNV-RP-F107,Riskassessmentofpipelineprotection[S].2006.

[4]DNV-RP-F111,Interferencebetweentrawlgearandpipelines[S].2010.

[5]DNV-OS-F101,Submarinepipelinesystems[M].2012.

[6]TIKHONOVVS.Dynamicmodelofpipelineduringpullingindirectionallydrilledhole[J].2005NO.67043:ASME.

[7]DNV-RP-F116,Integritymanagementofsubmarinepipelinesystems[S].2009.

Research on the effects of risk load on subsea pipeline

ZHAO Dang, XIA Ri-chang, LI Xiu-feng, HE Ning, SUN Guo-min

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd,Engineering Company, Tianjin 300451,China)

It is necessary to assess the risk load for the security of subsea pipeline during service life. Firstly, the paper presents the damage classification according to standard. Secondly, analyses energy absorption of impacting objects for different types (steel, flexible, umbilical). Finally, presents different protection methods for the effects of risk load. With the development of subsea pipeline construction in China, the assessment results of the risk load for subsea pipeline design have certain academic and engineering significance.

risk load;flexible pipeline;umbilical;damage classification

2013-06-24；

2013-07-10

2012年天津市滨海新区科技计划资助项目(2012-BK120004)；2013年行业标准资助项目(E-0813X202)

赵党(1984-)，男，硕士，工程师，主要从事海底管道设计。

TE58

A

1672-7649(2014)06-0063-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.06.012