拖网活动对裸露海底管道安全影响研究*

刘国恒，李丽玮

（中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）

海底管道被誉为海洋油气田开发建设的生命线，一旦泄露或失效将造成严重的环境污染和巨大的经济损失。根据有关事故资料分析，第三方活动造成管道失效所占比例逐年上升。在实际工程中，当海底管道穿越航道、渔业区、自然保护区及旅游区等海域时，为避免造成影响，通常保守考虑会要求管道加大埋设深度，这导致油气田开发建设投资增大[1]。在第三方活动造成的管道失效中，渔业活动是其中一个重要原因。文章基于DNV-RP-F111规范设计方法和校核准则，深入研究了拖网渔船的拖网板、桁杆、配重块等捕鱼设备对裸露海底管道的撞击及拖曳损害影响，研究了拖网板、桁杆或配重块干扰管道后，管道局部凹陷或涂层破坏的评估方法。并以某油田登陆段海底管道为例进行了拖网作业分析。

1 拖网活动对海底管道影响研究进展

二十世纪七八十年代，Ola等[2]针对北海拖网板对海底管道的影响展开了探索与研究，通过实验研究了拖网板对海底管道的影响参数，实验表明撞击力和勾扯力会对管道造成损伤，并且撞击力大小与管道和混凝土配重层的材料特性以及拖网板与管道撞击接触方向有关系。Moshagen等[3]分别研究了16’和36’管道在不同形状、不同重量拖网板作用下撞击力和拖曳力的情况，实验表明在拖网板对管道作用的过程中，撞击力和拖曳力是两个重要的影响力，拖网板的形状对管道响应影响并不大。Guijt[4]和Horenberg[5]在实验的基础上引入了理论计算，他们对拖网板作用在海底管道上的撞击力和拖曳力展开了最初的力学计算，通过力学计算结合前期宝贵的实验数据更能准确地得出拖网与管线之间的作用关系。

DNV-RP-F111规范，给出了拖网与管线之间作用的设计方法和校核准则，是目前国内外研究拖网与管道之间相互作用的唯一权威指导性设计文件，Fyrileiv等[6]在该推荐作法的基础上结合有限元软件对拖网与管线之间的关系进行了更加深入的研究，有限元软件的运用使得拖网板与管线之间的研究拓展到了小管径管道研究范围内。

2 拖网对海底管道影响规范研究

2.1 拖网-管线相互关系

渔业活动对海底管道的作用形式主要有：（1）撞击。拖网网板或桁杆对管道的冲击荷载大小主要取决于递到管道的动能、网板或桁杆的质量、管道的壁厚及保护涂料等，管线的响应主要是管壁的局部变形，还可能包括各种用来抵抗撞击的防护措施与拖网网板或桁杆之间的相互作用。（2）拖曳。拖网网板或桁杆在拖曳作用下滑过管道时产生的作用力，荷载大小取决于网板或桁杆的质量、曳纲的抗拉刚度、拖曳速度以及管道的悬空高度。

2.2 设计准则和分析方法

在拖网作业过程中，拖网板会对裸露管道造成严重伤害，管壁凹陷严重，若管道带有混凝土防护层，大部分撞击能量会被防护层吸收，起到保护管道的作用。

（1）撞击过程。以管线设计参数、拖网板及其附加质量撞击设计参数为基础，根据公式计算拖网板钢体及其附加质量的撞击能量，确定管线或混凝土防护层局部变形吸收动能，进而求出管壁撞击凹陷及受到的撞击力，并进行撞击校核。DNV-RP-F111规范中给出了用于计算拖网板撞击管线的计算公式，包括对拖网板钢体质量以及流体附加质量对管线的撞击能量、管壁承受的最大撞击力和撞击凹陷深度，并在此基础上给出了校核准则的评估方法。详细公式可参见DNV-RP-F111规范。撞击过程设计流程如图1所示。

（2）拖曳过程。依据Mathcad软件计算出拖曳过程中施加在管线上的水平荷载与垂向荷载，以及拖曳过程作业时间，然后运用ABAQUS软件建立拖网作用于管道的拖曳模型，并施加荷载，得出管道最大Mises应力，最大轴向力及最大弯矩，并根据结果对管道局部屈曲进行校核，评估是否满足拖曳校核准则。拖曳分析方法如图2所示。

DNV-RP-F111规范中给出了用于计算拖曳过程对管线影响的计算公式，规范中规定了圆型网板拖曳力经验系数和拉伸刚度系数，对施加于管线的最大横向力和施加于管线的最大垂向力的计算公式进行了推荐，同时给出了拖曳作用时间以及校核准则的计算。详细公式可参见DNV-RP-F111规范。

2.3 校核准则

根据拖网撞击频率得到管道局部损伤（如防护层损伤及管道凹痕）的校核准则，如表1所示。

图1 撞击过程设计流程图

图2 拖曳过程设计流程图

表1 拖网设备撞击频率级别

（1）管壁撞击校核准则。最大可接受的永久凹陷深度与管线直径的比率为Hp,c∶D=0.05η，其中：Hp,c为永久塑性凹陷深度；D为钢管外径；η为利用系数。

可接受的凹陷尺寸与外径的关系如表2所示。

表2 可接受的凹陷尺寸与外径的关系

（2）拖曳校核准则。拖网的拖曳运动对管线造成横向位移，判断管线在拖网设备拖曳过程当中和完成拖曳过程之后是否能进行安全作业按如下规定：①应在与其他荷载效果（例如温度荷载、管线下垂影响等）叠加的基础上检查拖曳荷载的效果。②应检查所有相关失效模式，例如局部屈曲、累积塑性应变等。每一个安全级别都给出了这些失效模式相应的利用系数，如图3所示。③拖曳荷载造成的损伤积累（例如应变），如果情况允许，应考虑同一地点的几个荷载。检查拖曳荷载方向上最严重的并发状况，即全部都在一个方向上或部分位于反方向上。

图3 拖网拖曳荷载影响系数

3 拖网对海底管道影响计算

3.1 撞击及管线响应

（1）撞击荷载数据处理。撞击方向和传递到管线防护层的能量通常取决于拖网板前端的形状、管线直径和跨距高度以及相对于管线的行进方向。撞击能量由有效质量和有效速度构成。总有效质量包括横梁、拖网板的钢体质量和附加流体的质量。有效速度可取值为拖船航行速度在管线法线方向的分量。有效质量和有效速度可通过模拟拖网—管线相互作用获得。单拖网对某登陆段海底管道的影响，以圆形网板为研究对象，单拖网网板最大质量400kg，管道水深6.0～18.2m。为了分析拖网对裸露海管撞击的影响，分别分析了登陆海底管道带混凝土防护层与不带混凝土防护层时在拖网撞击下的响应。

（2）DNV规范撞击响应分析。运用MathCad编程分析撞击响应，裸露管道及带混凝土防护层管道计算结果如表3所示。

表3 计算结果

分析表3中的计算结果可知，在受到拖网板撞击时，配重层可吸收撞击产生的大部分能量，钢管最大的永久变形量Hp,c为0.4356mm，与外径的比值为0.001345，低于规范规定的标准1.5%，说明拖网板对钢管的破坏较小，变形在可接受范围之内，故不需要进行埋设。

而无混凝土防护层的裸露管道，钢管最大的永久变形量Hp,c为0.6973mm，与外径的比值为0.2153%，低于DNV规范规定的标准1.5%，虽然变形在可接受范围内，但与具有混凝土防护层的管线相比，凹陷深度仍有所增加，且偶然性单次撞击不足以造成明显的凹陷。当捕鱼作业较为频繁时，可能会造成伤害叠加，为保证海底管道的安全，应对裸露管道进行保护，增加混凝土防护层，以免拖网板对管道撞击造成破坏。

3.2 拖曳及管线响应

（1）拖曳荷载计算。运用MathCad编程施加管线的最大横向力和最大垂向力：最大横向力为Fp=85.59kN；最大纵向力为Fz=35.92kN；拖曳作用时间为TP=0.125s。

（2）ABAQUS有限元拖曳模拟分析。管道可以采用二维的壳单元来模拟，管道外部的混凝土层采用三维实体单元模拟。土体采用三维实体单元模拟，土体几何尺寸为40m×40m×6m。拖网板与管壁碰撞接触区域的几何形状会在很大程度上影响接触力和管线凹陷的关系，固拖网板前端形状设计为矩形刚体几何尺寸为2.0m×1.20m×0.2m。对矩形网板模型施加集中力荷载，拖网板对管道的作用属于冲击荷载，在分析的初始步施加初速度1.8m/s，集中力荷载为计算所得的水平力和垂向力。分析400kg拖网板对管道的作用，得到了相应的管道有效轴向力、最大弯矩、最大应力值如表4所示。

表4 拖曳过程有限元模拟结果

拖曳过程中，裸露管道所承受的最大应力值为500MPa，已超过许用应力值，管道在拖曳过程中会产生严重破坏。而对于带有混凝土配重层的管道，拖网板对混凝土作用时，混凝土层吸收了大部分的撞击能量，此时管道所受的最大等效应力为276MPa，结合规范对管道局部屈曲进行校核，校核结果为0.39，满足要求。

4 结束语

针对渔船拖网板对海底管道的拖曳作用，文章采用有限元软件ABAQUS建立了完整的“管道-混凝土-土体”耦合模型，在管道上加载船舶拖曳荷载水平力和垂向力，裸露管道受拖网板拖曳局部受力较大，会造成管道局部凹陷和破裂；具有混凝土防护层的管道受拖曳力影响明显降低；对于裸露管道而言，拖越撞击造成的管道凹陷损伤相比于具有混凝土防护层的管道要高出60%左右，且渔业作业具有频繁性、区域集中性和随机性，对裸露管道存在潜在的累积叠加伤害，为防止管道失效，海底管道均应设置保护层的结构形式，在渔业作业集中和频繁的区域还应考虑覆盖混凝土压块或设计一定埋深的方式进行保护。