考虑渔业作业影响的水下WYE保护罩分析

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(1.中海石油(中国)有限公司上海分公司,上海 200335;2.中海油研究总院有限责任公司,北京100028;3.海洋石油工程股份有限公司,天津300451;4.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072)

油气开发海域的渔业作业可能对水下结构物造成一定破坏，严重时会引起油气泄漏，导致环境与经济损失[1]。据中国海域海洋石油统计数据显示，近10年来，海管、海缆损坏事故不断发生，其中渔船破坏8起，外力破坏4起，挖沙船破坏2起[2]。

中国海某气田群位于某岛东部目标海域C渔场区域内，最近的渔港是位于某岛D渔港。该海域水产资源丰富，是幼鱼、幼虾及海藻繁育、生长和栖息的重要场所。据初步统计，2010年仅海南省生产渔船在该渔场的捕捞渔获量占据该省总渔获量的40.85%。因此，该水域渔业资源的变动对邻近两省有关市县的渔业生产影响较大。

根据中国水产科学研究院南海水产研究所对该气田群渔业资源与渔业生产现状所进行的调查报告显示，该气田群周围海域是C渔场，是优良的渔民作业渔场和重要经济鱼类产卵场[3]。如果发生事故性溢油，将会对本海域重要经济鱼类产卵场、鱼类资源密集区和海洋捕捞作业产生严重影响，造成巨大的环境灾害和经济损失。

中国海该气田群开发工程项目于2015年8月通过投资批准，开展工程建设工作。2016年3月，上级部门要求加强该气田水下采油树及控制设备等关键设备设施的保护，并请建设单位参照惠州26-1北水下设备、设施的保护方法，开展防渔网等外力保护措施。海油工程项目组应建设单位的要求，对该项目中海油工程公司负责的海底管道终端管汇(PLEM)、水下分配单元(SUTU)、水下三通等水下生产设备的渔网保护结构以及水下基础的设计方案的合理性和可行性进行了研究和论证。

基于以上需求，对南海某气田项目水下Y型三通结构(WYE)，可能造成的破坏及泄漏风险进行了调查，分析了渔业作业的渔网拖挂载荷及防护方式，讨论了国际成熟规范(ISO13628-1)对其进行保护设计分析的适用性，并采用SACS软件对渔网载荷作用下WYE保护罩进行了在位计算分析及校核[4]。

1 成熟标准的适用性分析

目前，中国海某气田项目所处海域的渔业活动、渔船及拖网等数据缺失，不能对渔网载荷进行较为准确的判断；而且国内没有相关标准和规范可供作为确定渔网载荷的依据。国际上，国际标准化组织ISO13628-1(2005)和NORSOK U-001中推荐了作用在水下结构物上的渔网拖挂载荷。

通过研究发现，ISO13628-1中的渔网载荷源自挪威石油标准化组织的NORSOK U-001，而且NORSOK U-001中渔网载荷的样本取自挪威北海海域。由于渔船的主机功率直接影响作用在水下结构物上的渔网载荷，下面通过对比目标海域和挪威船舶的主机功率，对ISO13628-1标准推荐的渔网载荷在中国海该气田项目中的适用性进行研究。

1.1 项目海域渔船分析

出于对海洋渔业和环境保护的考虑，该气田群工程项目组计划进一步加强该项目海底管道、水下生产设备等水下关键设施的保护与可靠性设计。该气田群周边海域的渔业作业船舶拖网设备和锚吨位等相关统计数据，是开展上述工程设施可靠性设计的重要输入数据。基于此，项目组对中国该海域的渔业情况进行了初步的调研。

项目组首先对目标海域内最重要的渔港——D渔港内进港渔船的基本情况进行了调研。D渔港内进港靠泊的船舶主要是在C渔场海域内进行作业的渔船[5]。根据中国水产科学研究院渔业工程研究所提供的数据，D渔港进港渔船基本情况见表1。

由表1可见，D渔港进港渔船数量最多的是50 HP(37.2 kW)以下功率较小范围内的渔船，其次是中等功率范围的渔船；大功率的渔船总体所占比率较小。总之，D渔港内进港渔船以500 HP以下的中小型渔船为主。

对该海域整体的渔业船舶调研发现[6]，中国该海域单拖渔船功率多在183～441 kW(250～600 HP)范围，网板形式以椭圆型网板和V形网板为主，可以进一步说明目标海域的渔船主机功率不超过600 HP。

表1 D渔港进港渔船数量统计表

1.2 挪威渔船数据分析

挪威渔业发展现状代表了世界上最为先进的渔业生产模式[7]。根据汪剑萍[8]的调查，在1981年，挪威在200～300 m水深作业的拖网渔船功率在1 500～2 000 HP。

挪威在1990年实施IVQ配额制度以后，渔船数量呈下降趋势(见表2)，但单个渔船的捕捞能力增强了(见表3)，船舶的单船功率向更高水平发展[9-10]。挪威2004年建成船长94 m 的拖围混合渔船，主机功率6 000 kW；2011年建造柴油电动双螺杆拖网渔船长约70 m，载重量1 500 t。

表2 挪威实际作业渔船数量统计(1985—2010年)

表3 挪威渔船马力统计(1990-2010年)[11]

1.3 适用性分析结论

对比2016年D渔港渔船(见表1)与挪威渔船数据(表2与表3)可以看出，目标海域的渔船功率明显小于挪威的渔船功率，说明目标海域的渔网拖挂载荷总体上小于挪威海域的渔网拖挂载荷。另外，调研中没有统计到近年来挪威渔船的相关数据，因此无法对挪威渔船与目标海域渔船进行直接对比，但从上文挪威渔船的发展态势来看，挪威的渔船将继续沿着降低渔船数量，提高单船功率的方向发展，这更进一步说明将ISO13628-1规范推荐的渔网载荷作为中国海该项目水下结构物的设计载荷是保守的。

2 渔网载荷下WYE保护罩在位分析及校核

在对国际成熟规范进行适用性分析的基础上，基于设计需求与ISO13628-1规范，采用SACS软件建立模型，对渔网载荷作用下中国海该项目的WYE保护罩进行了在位计算分析及校核。

2.1 模型建立

中国海某项目WYE模块与保护罩SACS三维模型见图1。WYE模块带压开孔保护结构的设计，是为了保护构件在运行过程中不受渔业设备载荷的影响。渔网摩擦与网板拖拉考虑了8个方向的设计载荷，分别是0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°(各个角度在X-Y平面从X正轴逆时针计起)。计算中偏保守考虑，假定各个方向的每个载荷施加在保护罩的左、右上角。

图1 中国海某项目WYE模块与保护罩SACS三维模型

渔网摩擦与网板拖拉载荷0°角作用时的受力示意于图2、3。实线箭头代表水平方向的载荷，虚线箭头则表示与水平向夹角为45°的载荷。其他方向的渔网载荷以同样类似方式施加在结构上。

图2 施加在WYE模块上的渔网摩擦载荷

图3 施加在WYE模块上的网板拖拉载荷

2.2 结果分析

2.2.1 网板冲击载荷分析

关于网板冲击载荷，在13 kJ冲击载荷作用下，进行了结构完整性校核。网板局部冲击载荷校核见表4。从表4可以看出，无论是弯矩、力，还是能量与挠度，塑性相关物理量都大于弹性对应的物理量。

表4 网板局部冲击校核弹塑性比较

网板局部冲击校核结果见表5。从表5中可以看出，总应变为2.41%，小于Norsok N-004中15%的推荐应变极限值，满足设计要求。

表5 网板局部冲击校核结果

2.2.2 构件组名义应力校核

基于SACS模拟计算结果，根据API RP 2A-WSD规范[12]进行所有构件名义应力UC值的校核。在归一化校核中，所有应力的影响都不应该大于1。渔网载荷作用下构件组名义应力UC值的最大值见表6。从表6可见，在渔网载荷作用下，各构件组名义应力的最大UC值介于0.09～0.28之间，均小于1，满足计算设计要求。

表6 构件名义应力最大值的校核结果

2.2.3 节点冲剪应力校核

结合SACS计算结果与API RP 2A-WSD，对渔网载荷作用下节点冲剪应力校核进行分析。渔网载荷作用下WYE模块的节点冲剪应力校核结果见表7，按照构造UC值从大到小排列，选取前5个最大的UC值列于表中。从节点冲剪校核结果来看，渔网载荷UC值最大为0.235 < 1、构造UC值最大为0.900< 1，满足计算设计要求。

表7 节点冲剪应力校核结果

综上，结构分析结果证明目前所设计的WYE模块可为在位分析提供足够的强度。

3 结论

1)目标海域的渔船功率明显小于挪威的渔船功率，目标文昌海域的渔网拖挂载荷总体上小于挪威海域的渔网拖挂载荷。挪威的渔船将继续沿着降低渔船数量，提高单船功率的方向发展，说明将ISO13628-1规范推荐的渔网载荷作为中海该项目水下结构物的设计载荷是合理的。

2)基于中国海某气田开发项目的设计基础，以SACS模拟计算结果与API RP2A规范为校核依据,分析结果表明，目前该气田开发项目中水下WYE结构物的主体结构和渔网保护罩设计方案满足结构强度,渔网防护能力满足规范要求。

[1] 海油工程.深水水下应急维修调研报告[R].天津:国家科技重大专项27-005-001-003-RPT-GE-001,2015.

[2] 蒋梅荣.海底管道溢油扩散应急维修作业风险分析[R].北京:中国海洋石油集团公司、天津大学,2017.

[3] 中国水产科学研究院.某气田群渔业资源与渔业生产现状所进行的调查报告[R].广州:中国水产科学研究院,2016.

[4] International Organization for Standardization.ISO 13628-1: Petroleum and natural gas industries-Design and operation of subsea production systems-Part 1: General requirements and recommendations [S].Switzerland: ISO copyright office, 2010.

[5] 中国水产科学研究院. 清澜渔港进港渔船基本情况[R].北京:中国水产科学研究院渔业工程研究所,2016.

[6] 徐宝生,张勋,王明彦.单船拖网网板的现状及发展趋势[J].福建水产,2010(1):86-90.

[7] 张建华,梁澄,丁建乐.挪威海洋捕捞及渔船管理概述[J].渔业现代化,2012,39(4):67-72.

[8] 汪剑萍.挪威渔船见闻[J].渔业机械仪器,1981(4):10-12.

[9] 许罕多.从挪威渔业制度演进看海洋生态渔业的理论体系及制度框架[J].中国海洋大学学报,2012(3):16-23.

[10] Statistics Norway. Fishing and fish farming[R].Oslo: Statistics Norway, 2012.

[11] API-RP-2A: Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design-21st Edition [S]. API, 2007.

[12] Norwegian Ministry of Fisheries and Coastal Affairs. Fact about Fisheries and Aquaculture 2003-2010[R].Oslo: Norwegian Ministry of Fisheries and Coastal Affairs, 2011.