基于能量法的跨航道海底管线抗落锚实验研究

雷震名，谭红莹，龚海潮，王文亮，马坤明，张萌萌，雷林

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300451；3.天津大学，天津300072）

基于能量法的跨航道海底管线抗落锚实验研究

雷震名1，谭红莹1，龚海潮2，王文亮1，马坤明1，张萌萌3，雷林1

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300451；3.天津大学，天津300072）

随着跨航道海底管线应用越来越普遍，航道、水港等海域的抛锚作业对海底管道带来的安全风险问题越来越引起人们的关注。文章针对海底管道堆石保护方法，通过模拟实验研究了抛锚作业过程中海底管道的应力状态，并对其进行了损伤分析。通过绘制不同影响因素下管道变形的对比曲线，研究了覆盖石材、抛锚速度、埋深等因素对管道损伤的影响，并基于正交试验原理分析了不同影响因素对海底管道响应的敏感性。结合标准DNV RP⁃F107中的能量计算方法研究了不同影响因素对海底管道响应的工况，分析得出管道的最小推荐设计埋深。

能量法；海底管道；抛锚作业；堆石保护；损伤分析

随着海洋石油工业的不断发展，海底管道得到了更为广泛的应用。它具有输送油气量大、高效快捷、经济安全等优点，但同时也存在检查维护不方便、维修复杂困难等缺点。近些年跨航道的海底管道铺设越来越多，抛锚作业给管道造成的威胁尤为突出。在以往的跨航道海底管道设计中，常常采用堆石保护或者深埋的方法来保护海底管道，但是遇到铺设路线长和航道较宽的情况，仍采用这种设计方法就会大大增加工程成本造成浪费。由于缺乏全面的设计理论，采用当前国内工程界所确定的跨航道海底管道埋深设计方法存在风险，急需一种定量的分析方法，以解决管道穿越航道的问题［1-2］。

原型试验的试验结果能真实反应实际情况的工作状态,对于评价实际管道的铺设质量,检验设计理论都比较直接可靠,但是原型试验存在费用大、检测条件差等问题很难实际操作，而采用数值模拟分析如砂土、碎石保护层等非连续介质、非线性、各向异性结构时存在不少困难，因此本文采用缩尺模型试验可以清晰、直观地展示各种工况下整个结构受冲击荷载作用变化的全过程。选取SUS304不锈钢管来模拟实际工程中的钢管，由于实际工程中的管道很长，受冲击荷载作用时，管道两端的变形很小，所以实验中的管道采用只约束轴向变形的边界条件。缩尺模型中选用实际工程中的海砂作为实验材料，堆石保护层选取实际工程中常用的边坡比，并运用能量法对海底管道在抛锚过程中管道吸收的能量、保护层耗散的能量和撞击损耗的能量做了进一步计算。同时还通过正交试验原理分析了不同影响因素对冲击荷载作用下海底管道的敏感性。从而得出了较为合理的管道推荐设计埋深。

1 实验设备及测试装置

为了研究堆石保护结构中海底管道受抛锚冲击荷载作用下附加应力的影响，自主开发设计出一套落锚试验装置。实验装置主要包括垂直抛锚架、模型槽、不同尺寸的霍尔锚、钢管、海砂和碎石等。实验用锚选取不锈钢材质，以原型锚为基准按照20：1和25∶1的比例缩尺，锚的质量分别为4.2 kg和1.25 kg，锚杆的最大转角为42°。模拟的海底管道由SUS304不锈钢管制成，一根为抛锚的工作管，一根为温度补偿管。其基本尺寸为管长L=465mm,外径D=63mm，壁厚t=1mm。钢管上布置电阻式应变片传感器，它可同时测试钢管上环向和轴向的应变。实验的测试装置主要包括高频动态应变仪和电阻式应变片传感器。

2 实验方法及测试参数

（1）测试参数。①测量不同埋深、抛锚高度、锚重条件下，冲击荷载对海底管道的响应情况。②测量不同的堆石保护材料在（1）中各影响因素下冲击荷载对海底管道的损伤程度。③模拟海洋环境下（其他的条件与（1）中相同），不同水深对受冲击荷载作用管道的影响程度。

（2）实验方法及数据处理。实验采用动态应变检测法，即采用高频动态测试系统记录钢管在受冲击荷载作用下的应变过程。从而得出钢管环向和轴向的最大应变值，并观测得到钢管最大应变分布位置。从应变时程波形图中还可得知冲击荷载的作用时间及管道不同位置的应变变化。实验设计方案，采用倒梯形保护结构，并用碎石、细砂等作为分层保护材料。通过关键参数的敏感性分析，如抛锚高度、埋深、保护层材料，进行不同抛锚条件和工况下的对比分析。

3 测量结果分析

3.1 不同抛锚高度下管道受冲击荷载的影响

从图1中可见垂直抛锚过程中，管道环向的应变比轴向的变化大。随着抛锚高度的增加，位于碎石保护结构中的钢管应变增大。随着埋深的增加，钢管的应变幅值变小。而在细砂保护结构中，钢管对抛锚高度的敏感性降低，可见细砂保护结构受力均匀、传力稳定，能量向四周稳定耗散。由此表明在确定分层回填结构时，上层宜采用大粒径的石块保护，下层紧贴管道处宜采用细砂回填。从图中还可得知随着抛锚高度的变化，钢管的应变方向可能改变，并非一致受拉或一致受压，可能由压应变变为拉应变。这与实验多次重复测试，保护层的松软密实程度发生变化等因素有关。

图1 海底管道在不同抛锚高度下的响应Fig.1 Response of the subsea pipline under different anchor heights

3.2 不同保护结构下管道受冲击荷载的影响

如图2所示不同粒径级配的保护层对管道应变影响较大。从管道环向应变变化情况可知，碎石保护结构的应变幅值相对变化较小，说明保护结构吸收的能量多，对钢管的保护效果较好；小碎石的应变变化幅值相对较大，受抛锚高度因素影响也大，对钢管的保护效果相对更差。从而说明在管道回填时选用大粒径的块石保护效果更好。对于环向应变，随着抛锚高度的增加，保护层粒径级配的不同对管道应变的影响变小，说明抛锚高度对管道受冲击荷载作用的影响较小。

图2 海底管道在不同粒径级配保护层下的响应Fig.2 Response of the subsea pipeline under protection by rockfill

对于不同比尺的试验，当管道埋深较浅时，钢管轴向应变随抛锚高度的增大而减小，总体趋势为轴向应变较环向应变更小。根据实验结果可知，管道的埋深对细砂的应变影响较小，说明在管道附近保护结构粒径较为均匀且较小时保护效果好，混凝土这种材料包裹在管道周围能起到与细砂近似的保护效果，可避免受冲击荷载作用时较大粒径的碎石损坏管道，且还能起到增加管道配重的效果。当管道埋深变浅，随抛锚高度增大，保护层石块的粒径越大钢管的应变也越大，即管道屈曲和破坏的风险加大了。因此，海洋工程中采用合理的粒径级配、深埋的方式对海底管道进行保护。

3.3 不同水深受抛锚高度的影响

为了更好的反映实际工程中海底管道所处的海洋环境，选取刚淹没海床的水深、高于海床表面50mm的水深和高于海床表面100mm的水深进行测试。从测试结果得知钢管的应变趋势和不加水的工况保持一致。随着水深和埋深的增大，钢管的应变变小，这与干燥环境的测试结果也一致。此外，在水环境中的钢管受抛锚高度因素的影响变小。

4 基于能量法分析落锚对海底管道的影响

抛锚作业对海底管道的作用机理较为复杂，需考虑锚的形状、撞击速度、管道埋深等多种因素的影响。目前，国际工程界尚未明确给出海管埋深的具体计算公式。根据DNV RP-F107［3-5］规范，考虑最不利工况，采取能量法分析落锚对海底管道的影响，进而研究海底管道的埋深问题。

4.1 锚的冲击总能量

对于50m以上水深海域，锚在撞击海管前会达到下沉的极限速度，此时锚的重力与排出水的体积和流动阻力达到平衡状态。锚在下沉达到受力平衡方程式为

锚实际撞击的能量除了考虑达到极限平衡状态的动能外，还要考虑附加水动力的影响，因此，实际撞击的总能量为

式中：m为锚的质量，kg；V为锚的体积，m3；g为重力加速度，m/s2；ma为附加的质量，kg，ma=ρwaterCaV；A为锚在下沉方向上的投影面积，m2；vT为锚在水中的极限速度，m/s；Cd，Ca为锚的阻力系数附加的质量系数，分别取0.6和1.0。

在实验中由于考虑了保护层的作用，所以锚撞击海管的实际能量为E0=EE-EP

（3）

4.2 保护层吸收的能量

为了避免海管受堕落物、抛锚、拖锚等的损坏，在管道上覆盖保护层一定程度上可减小损害。沙砾保护层吸收的能量为

式中：γ′为填埋材料的有效单位重力，kN/m3，取11 kN/m3；D为海管的直径/m；AP为海管的投影面积，m2；z

为贯入深度，m；Nγ,Nq为承载系数，取Nγ=137,Nq=99。

4.3 海管在冲击荷载作用下凹坑的吸收能

钢质海管在垂直冲击荷载的作用下吸收的能量为

式中：mp为管壁的塑形弯矩为屈服应力，MPa；δ为管的变形凹坑深度，m；t为海管壁厚，m；D为海管外径，m。

4.4 用能量法分析实验模型

实验按照标准DNV RP-F107中的能量计算方法研究了不同影响因素对海底管道响应的工况，实验过程中所用的特征参数如下：（1）锚重：4.2 kg/1.25kg；（2）海管外径：63mm；（3）海管壁厚：1mm；（4）海管的屈服应力：205mPa；（5）抛锚下落高度：1.3m/1.1m/0.8m。根据规范中的公式计算结果E比E0大，说明规范中的计算公式偏于保守，而且碎石的储备能量比细砂大很多，海管在受到冲击荷载作用下碎石保护结构的保护效果较好。通过图3和图4中的E-E0项对比可知深埋对海管的保护作用较好。

图3 海管埋深160mm大锚受冲击荷载作用能量分析Fig.3 Big anchor impact energy analysis for the subsea pipeline with 160mm burial depth

图4 海管埋深120mm大锚受冲击荷载作用的能量分析Fig.4 Big anchor impact energy analysis for the subsea pipeline with 120mm burial depth

表1 正交试验因素水平表Tab.1Experiment factor

表2 正交试验计算结果及极差标准差分析表Tab.2Result of experiment factor sensitivity analysis

5 正交试验分析

前文已经对海底管道受冲击荷载作用的影响因素逐一进行了讨论，但是仅分析特定条件下的单因素对管道的损伤影响是不够的，为了进一步了解抛锚过程中不同影响因素对海底管道的影响程度，以正交性试验原理为基础，对研究对象多因素、多水平的情况进行搭配，从而得出对实验结果影响较大的因素。本实验采用L12(3×23)正交表分析实验结果［6］，选取海底管道受冲击荷载作用后产生的应力值作为试验指标。试验因素包括：海管的埋深、锚的质量、抛锚高度、保护层材料。正交试验因素水平如表1所示，参数敏感性分析结果如表2所示。

从表2可以得出在四因素三水平和二水平下，参数敏感性由大到小为：锚的质量、保护层材料、海管的埋深、抛锚高度。此结论可为实际工程中填埋管道提供了参考。

6 实验结论

本文通过模拟实验研究了海底管道堆石保护层抗锚害的能力，从而得出以下结论：

（1）海底管道的变形受抛锚高度、锚的质量、海底管道的埋深、保护层材料等因素的影响，参数敏感性由大到小为：锚的质量、保护层材料、海底管道的埋深、抛锚高度。在实际工程中，可参考参数敏感性的大小来选取管道铺设的最佳方案。

（2）随着保护结构颗粒级配变大保护层的储备能量增大，保护结构对海底管道的保护能力加强。当海底管道受到的冲击能较大时，采用增加海底管道的埋深更有效。

（3）通过缩尺模型实验并与相关规范文献［3，6-7］进行对比分析，建议抛锚作业繁忙的区域宜采用颗粒粒径在0.3～0.5m的保护层结构，埋置4m以上较合理。虽然大粒径的碎石相对小粒径的碎石和细砂不够经济，但是从保护效果和维护的角度考虑是较为合理的。

［1］谭箭,李恒志,田博.关于事故性抛锚对海底管线损害的探讨［J］.船海工程，2008（1）∶142-144. TAN J,LI H Z,TIAN B.Discussion on Damage of Accidental Anchoring Operation upon the Submarine Pipelines［J］.Ship& Ocean Engineering,2008（1）∶142-144.

［2］王再明,米小亮,张超.施工船舶抛锚作业队对海底管道的影响研究［J］.交通信息与安全,2010（3）∶93-95,103. WANG Zm,MI X L,ZHANG C.Impact of Ship′s Anchoring Work on Offshore Pipeline［J］.Journal of Transport Information and Safety,2010（3）∶93-95,103.

［3］DNV RPF107-2001,Risk Assessment of Pipeline Protection［S］.

［4］Zeinoddinim,Arabzadeh H,Ezzatim,et al.Response of submarine pipelines to impacts from dropped objects∶Bed flexibility effects［J］.International Journal of Impact Engineering,2013,62∶129-141.

［5］Arash Zakeri,Kaare Høeg,Farrokh Nadim.Submarine debris flow impact on pipelines—Part I∶Experimental investigation［J］. Coastal Engineering,2008,55∶1 209-1 218.

［6］Scott Ymcmaster,Dean R Campbell.Pipeline Shore Approach Design⁃Case Study［J］.ASME,2011,37∶499.

［7］王凤云,赵冬岩,王琮.关于海底管线挖埋深度的规范标准研究［C］//中国海洋工程学会.十五届中国海洋工程学术讨论会文集.北京：海洋出版社，2011：401-404.

［8］马良,王金英.海底管道的埋设［J］.油气储运,1993，12（1）∶27-30.

Energymethod⁃based experimental research on crossing sub⁃sea pipeline protection by rockfill against anchors

LEI Zhen⁃ming1,TAN Hong⁃ying1,GONG Hai⁃chao2,WANG Wen⁃liang1,MA Kun⁃ming1, ZHANGmeng⁃meng3,LEI Lin1
（1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China;2.China National Offshore Oil Corporation,Tianjin 300451,China;3.Tianjin University,Tianjin 300072,China）

Anchoring operation has impact on the sub⁃sea pipeline security,which is increasingly concerned at present.In this paper,according to rock armour protectionmethod,anchoring operation′s influence on sub⁃sea pipe⁃line in the realmarine environment was experimentally tested.Meanwhile,the response of sub⁃sea pipeline on an⁃choring operation was analyzed.Deformation curves of pipeline under different factors were compared.During an⁃choring operation,the influence of thematerial covering,anchoring speed,buried depth and other factors on the re⁃sponse of pipeline was researched.The parameter sensitivity ofmechanical damage was analyzed on the basis of the principle of the orthogonal experiment.The degree of damage of the sub⁃sea pipeline was obtained and themini⁃mum recommended design buried depth of the pipe was determined by energymethod in DNV RP⁃F107.

energymethod;sub⁃sea pipeline;anchoring operation;rock armour protection;damage analysis

P229

A

1005-8443（2015）03-0272-05

2014-10-17；

2015-02-27

雷震名（1986-），男，天津市人，工程师，主要从事海洋工程工作。

Biography：LEI Zhen⁃ming（1986-），male，engineer.