船舶锚泊作业对海底管道安全风险分析

李海学，朱青春，魏颂珂

1.中海油安全技术服务有限公司，天津 300450

2.必维（天津）安全技术有限公司，天津 300201

3.中国石油集团海洋工程有限公司，北京 102600

据国家统计局数据，2021 年我国原油对外依存度高达72%，天然气对外依存度达到46%。为了保障我国能源供给和经济高速发展，近海石油天然气开采得到了极大的重视，获得了迅速的发展。海底输送管道作为最便捷、安全、可靠的输送方式被首选使用，随之而来的是产生了海底管道的安全运营与繁忙的船舶运输之间的矛盾。近年来，国内外相继发生了多起海底管道受损事故，据事故原因统计，最主要的原因是船舶锚泊作业。主要表现在两个方面：一是船锚下落直接撞击海底管道，由于船锚自身重量大，落锚时船锚贯穿海底管道正上方土层，对海底管道产生巨大的冲击力，造成海底管道结构损伤；二是船锚被拖拽过程中与海底管道相遇，船锚入土深度超过了海底管道的埋深，在船舶强大的动力系统作用下，最终钩拽拉断海底管道。

本文基于船舶AIS 数据，采用耦合的欧拉-拉格朗日方法，定量计算船舶落锚、拖锚过程中船锚的入土深度，对落锚击中渤海湾某海底管道的概率进行分析计算，得出船舶锚泊作业对海底管道破坏的风险，同时从管理方面提出了适用的措施建议。

1 船舶落锚对海底管道的风险分析

本文选取通行船舶较多的某海底管道海床典型点位土壤特性，计算船舶落锚的贯入深度和落锚击中管道的概率，从而得出船舶落锚对海底管道的总体风险。

1.1 锚贯入深度分析

本文选取该水域通行的中大型船舶常使用的霍尔锚作为计算模型[1-2]，用非线性有限元软件ABAQUS计算船锚贯入海床的深度。由于海底管道敷设主要采用挖沟深埋的方式，因此船舶落锚撞击海底管道时，存在海床土体对撞击能量的吸收、海床土体大变形等一系列复杂问题。

1.1.1 耦合的欧拉-拉格朗日方法

本文采用耦合的欧拉-拉格朗日方法模拟计算[3]，该算法结合了欧拉算法和拉格朗日算法的优点，其采用拉格朗日网格离散结构物，采用欧拉网格离散海底土壤，使其网格固定而允许材料在网格中自由流动，可以较好地分析涉及大变形和材料破坏等问题，特别适用于模拟船锚贯入土壤引起土壤变形的过程。船锚与海底土壤间的接触面采用拉格朗日域边界来描述，很好地解决了船锚界面描述与网格大变形问题。这点不同于ALE方法的允许网格运动，通过不断产生新网格来适应上一步计算得到的变形。ABAQUS软件采用欧拉体积分数EVF（Eulerian Volume Fraction）来追踪欧拉材料在网格中的分布状态，通过指定EVF 的值来表示欧拉单元中充满材料的比例。EVF=0表示该单元中没有欧拉材料，EVF=1表示该单元被欧拉材料充满，如此，欧拉材料的流动即可表征土体的变形与运动。欧拉体参数的施加也可以计算初始时的EVF，通过材料指派来赋值[4-6]。

1.1.2 有限元模型建立[7-8]

选用26 t锚的参数[9]，建立简化的有限元模型，使用R3D4 单元建立离散的刚体模型[10]，在锚柄上指定参考点，在参考点上赋予锚的质量。

采用八节点欧拉单元EC3D8R 模拟土体，将锚置于EVF=1土体表面，如图1所示。锚和土体接触采用通用接触。

图1 锚贯入模拟的有限元模型

1.1.3 海底土壤特性

海底土壤具有各向异性、非均质性和非连续性等复杂的性质，因而应力应变关系表现出强烈的黏滞性、非弹性和非线性等复杂的力学特征。土壤受到物体冲击后，受到的压力和剪切力均会引起塑性体积变形。查阅地质勘探资料，可知计算点位处的土壤特性参数，如表1所示。

表1 典型点位土壤特性参数

1.1.4 荷载与边界条件

对模型施加重力场，并对土体进行地应力平衡。设置初始状态，锚与土体接触面以下欧拉单元的EVF值为1，接触面以上EVF值为0。锚链孔距离水面20 m，计算得到锚贯入土体初速度为18 m/s，锚的运动通过对锚柄参考点施加初速度实现。对土体模型底面和侧面施加速度边界条件，欧拉边界采用无反射边界，近似于无限元边界。

1.1.5 贯入深度计算结果

第一，B4 点位，锚在贯入过程中，最大贯入深度为1.753 m，最终回弹至1.552 m 深度。第二，B8点位，锚在贯入过程中，最大贯入深度为2.086 m，最终回弹至1.982 m深度。见图2。

图2 基于有限元的船锚贯入深度计算模型

通过对海底管道典型点位进行船锚贯入深度计算可知，26 t重船锚贯入该区域海床的深度为1.5～2.0 m。

1.2 船舶落锚击中海底管道分析

1.2.1 海底管道附近船舶通航情况

通过查询AIS 船舶轨迹热力图，船舶主要航迹不经过该海底管道，但该海底管道上方依然存在一些过往船舶，主要为天津港至蓬莱港的船舶。通过查询AIS 数据库，可知2021 年从该海底管道上方通过的船只数为55 800 艘次，其中普通货船占比达60.2%，渔船占比达21.6%，油轮占比为3.8%，拖轮占比为2.0%，其余为客船、高速船和其他船舶，占比较小。

1.2.2 落锚击中管道的概率

通常船舶在极端天气下，失去动力等因素下会进行紧急抛锚，如果刚好在管道上方，就会对管道造成极大的风险。通过查阅大量的文献资料，发现有关于紧急抛锚频率的文献非常稀少，以John Brown统计的30年抛锚频率数据来看，渔船因为吨位较小，抗风能力差，抛锚频率最高，占所有船舶抛锚频率的74.0%，而且捕捞期间渔船因作业需要亦会经常抛锚，因而对管道影响最大；其次是干货船，抛锚频率占所有船舶抛锚频率的15.5%，干货船、集装箱船等由于吨位较大，平均锚重也大，抛锚对管道的影响程度较大；其余船只抛锚频率均很小，对管道的影响程度也较小。参考DNV RP F107[11]及相关文献的描述和实验结果，较为保守的考虑船舶漂移（船舶失去控制）引起的抛锚、落锚击中管道的概率可用式（1）计算[12]。

式中：FHit为落锚击中管道的概率，Nship为具有锚泊可能的船舶数量，FDrift为漂移概率，PHuman为不在管道附近进行抛锚的概率，PHit为落锚击中管道的概率。

通过计算可知，该海底管道上方船舶主要通行管段，其平均每千米的落锚概率为9.43E-06，低于1.0E-05，因此总体风险可控。

2 船舶拖锚分析

船舶拖锚主要存在以下3 种情形。一是船舶通过抛出短锚链，通常为水深的1.5 倍，使船锚在海底随船拖动，借以降低船速的一种辅助操船方式。通常，该情况锚贯入深度较小，在海床表面移动。二是船舶抛锚过程中的拖锚，船锚落在海床上时，先贯穿一定的垂直距离，然后倾倒，锚柄和锚爪之间的夹角逐渐减小，锚爪逐渐嵌入土壤，直到锚部分或全部嵌入海床。在这个过程中，锚将在土壤里进行水平拖曳，另外也可能存在旋转、出土和再次嵌入等。通常，该情况锚贯入深度较大，但移动距离较小。三是船舶在锚地抛锚停泊期间的走锚，当船舶受到风、流、浪等外力大于锚和锚链产生的抓力，且外力的方向不断地改变，船锚就会被带出海床失去固定船舶的作用，被船舶带着在海中移动。2004年的一项调查显示，有40%的锚泊船舶在台风中经历过走锚。如今，随着航海界对船舶走锚原因认识的不断提高和对策措施的不断改进，走锚现象已不至于如此频繁，但仍时有发生，仍然是威胁海底管道健康运营的主要因素。“中大1号”轮（2008年）、“皖太湖货9009”轮（2012 年）、“粤清远工9388”船（2018 年）、“福景001”轮（2022 年）等船舶走锚事件，都曾给当地海事、航运企业的安全监管和应急工作带来了很大的压力。

2.1 拖锚后果分析

中大型船舶经常使用的锚为霍尔锚，锚柄的截面通常是矩形或圆形，锚爪与锚柄之间的最大夹角为45°。船舶拖锚时，船锚先被抛至海床上，由于锚并不是以自由落体的方式直接落入海底的，因此锚在接触海底时的实际冲击能较小，在不同土质工况下入土深度相差不大，然后随着锚链拖拉，锚爪逐渐嵌入土壤，直到锚全部嵌入海床，这时锚的入土深度即为锚啮入海底的最大深度，锚入土深度可用式（2）计算[13]。

式中：T 为锚入土深度，m；H 为锚爪高度，m；α为锚爪展开角度，（°）；B为锚身厚度，m。

表2 给出了船锚入土深度，从表中可以看出，误抛锚或紧急抛锚时锚入土深度均会超过海底管道通常的设计埋深1.5 m，对该海底管道形成拖锚损伤的威胁。

表2 船锚入土深度

2.2 拖锚可能性分析

1）货船（普通货船、集装箱和油轮）。根据AIS 系统船舶轨迹热力图可知，船舶主要航迹避开该管道，在部分管段存在部分船舶通行，与管道为垂直交越。除遇紧急情况外，货船很少有拖锚的情况，且船舶锚地距离管道约4 n mile。因此拖锚的可能性较小。

2）渔船。该海底管道处渔船为保持航行稳定或捕鱼作业，存在通过抛出短链使锚在海底随船拖动的情况，但该情况锚贯入深度很小，在海床表面移动，因此拖锚损坏管道的可能性较小。

3）工程船。平台附近船舶主要为海洋石油工程船舶，管理状况良好，对管道路由位置明确，施工作业前有相关施工作业方案，能够避免拖锚损伤。

2.3 拖锚风险分析

误抛锚或船舶紧急抛锚时锚入土深度均可达到海底管道埋深，对管道形成拖锚损伤的威胁，但船舶拖锚的可能性较小，同时管道附近船舶处于锚泊状态时（在锚地），距该海底管道较远，因此发生拖锚损伤海底管道的风险较低。

3 结束语

研究表明，船舶发生落锚和拖锚损害该海底管道的风险总体较低，但一旦发生就会造成严重的后果，因此，应从海底管道管理方、船舶方、海事部门等相关单位共同努力，以进一步保护海底管道安全运营。

海底管道管理单位应结合AIS 系统，在周边船舶较多时加强巡护，防止过往渔船拖网作业；采用AIS 系统的区域提醒功能，在船舶进入/离开该范围时，自动触发报警、高频电台广播和远程喊话，避免船舶对管道造成损坏；根据路由勘查结果，从治理的可靠性、治理彻底程度以及治理成本以及海底生态环境保护等多方面综合考虑，增加主要通航段管道埋深。

海洋石油工程作业船舶在平台附近作业时，应严格要求提前做好施工作业方案，防止坠物、拖锚造成管道损伤。

其他船舶应严格遵守航行法律法规，及时更新海图，禁止在海底管道保护区内从事挖沙、钻探、打桩、抛锚、拖锚、底拖捕捞、张网或者其他可能破坏海底管道安全的海上作业[14]。

海事部门应加强对船公司、船舶的监督管理，及时发布相关海事通告，提醒过往船舶注意避让海上平台、海底管道、海底电缆。