社會(huì)環(huán)境因素對(duì)海底管道埋設(shè)深度的影響

趙冬巖 王 琮 羅 超 王鳳云

(海洋石油工程股份有限公司)

社會(huì)環(huán)境因素對(duì)海底管道埋設(shè)深度的影響

趙冬巖 王 琮 羅 超 王鳳云

(海洋石油工程股份有限公司)

影響海底管道埋設(shè)深度的社會(huì)環(huán)境因素主要有漁業(yè)活動(dòng)和航運(yùn)活動(dòng)。在比較國(guó)內(nèi)外有關(guān)海底管道埋設(shè)深度的法規(guī)、規(guī)范的基礎(chǔ)上,以我國(guó)在役的6條海底管道為例,通過(guò)計(jì)算分析了拖網(wǎng)撞擊和錨撞擊對(duì)海底管道的影響;并結(jié)合我國(guó)海域船舶及在役海底管道狀況提出了管道埋設(shè)深度推薦方案,可為今后我國(guó)海域海底管道埋設(shè)深度研究及相關(guān)法律、規(guī)范的制定提供技術(shù)參考。

社會(huì)環(huán)境因素 海底管道 埋設(shè)深度 漁業(yè) 航運(yùn)

海底管道在海洋石油開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著重要的作用。由于工作環(huán)境復(fù)雜,海底管道的安全性一直為人們所關(guān)注。目前對(duì)海底管道安全問(wèn)題的研究多集中于管道的腐蝕及波流沖刷所導(dǎo)致的失效問(wèn)題,而對(duì)于第三方活動(dòng)對(duì)海底管道安全的影響研究得相對(duì)較少。據(jù)有關(guān)事故資料分析,社會(huì)環(huán)境因素是造成管道失效的三大主要因素之一,而且其所占比例呈逐年上升的趨勢(shì)。

20世紀(jì)七八十年代國(guó)外一些機(jī)構(gòu)就開(kāi)展了海底管道埋設(shè)深度的研究,并發(fā)布了一些指導(dǎo)性文件,對(duì)不同海域海底管道的埋設(shè)深度作出了相關(guān)規(guī)定,比如DNV規(guī)范、ABS規(guī)范、英國(guó)法規(guī)、美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)、ISO標(biāo)準(zhǔn)等。我國(guó)在此方面的研究較少,也未頒布相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際工程中,當(dāng)涉及海底管道穿越航運(yùn)區(qū)、漁業(yè)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)及旅游區(qū)等海域時(shí),相關(guān)區(qū)域的權(quán)益人都會(huì)擔(dān)心海底管道工程會(huì)影響到區(qū)內(nèi)相關(guān)利益,因而對(duì)海底管道埋設(shè)深度提出不切實(shí)際的要求,而海底管道建設(shè)單位往往因?yàn)闆](méi)有相應(yīng)的研究成果及相關(guān)法規(guī)可依據(jù),常常會(huì)保守處理,從而導(dǎo)致項(xiàng)目成本增大,也影響了工程的實(shí)施。因此,有必要對(duì)社會(huì)環(huán)境因素對(duì)海底管道埋設(shè)深度的影響問(wèn)題進(jìn)行研究,并探討適用于我國(guó)情況的海底管道埋設(shè)深度的相關(guān)規(guī)定。

1 影響海底管道埋設(shè)深度的社會(huì)環(huán)境因素

影響海底管道安全的社會(huì)環(huán)境因素主要有漁業(yè)活動(dòng)、航運(yùn)活動(dòng)等[1],它們均可能對(duì)海底管道造成破壞,是海底管道埋設(shè)深度設(shè)計(jì)中必須考慮的因素。

(1)漁業(yè)活動(dòng) 影響海底管道埋設(shè)深度的漁業(yè)活動(dòng)主要有拖網(wǎng)漁船作業(yè)和漁船拋錨,以及作業(yè)漁船掉落物體。拖網(wǎng)漁船拖網(wǎng)作業(yè)對(duì)海底管道埋設(shè)深度的影響主要表現(xiàn)為所用拖網(wǎng)板、桁桿或配重塊刮入海底土壤一定深度時(shí)造成對(duì)管道的撞擊,致使管道局部凹陷或涂層破壞(圖1)。漁船拋錨對(duì)海底管道埋設(shè)深度的影響主要表現(xiàn)為錨貫入海底土壤一定深度后撞擊管道,造成管道局部凹陷或涂層破壞。

圖1 拖網(wǎng)對(duì)海底管道的沖擊示意圖

(2)航運(yùn)活動(dòng) 航運(yùn)活動(dòng)對(duì)海底管道的影響主要表現(xiàn)為船舶偶然性的拋錨與拖錨撞擊管道造成損壞;同樣,航運(yùn)船只掉落物體也會(huì)造成管道損壞。

2 現(xiàn)有法規(guī)、規(guī)范對(duì)海底管道埋設(shè)深度的規(guī)定

表1列出了挪威船級(jí)社、美國(guó)船級(jí)社及一些國(guó)家、地區(qū)或組織關(guān)于海底管道埋設(shè)深度的法規(guī)、規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。

表1 關(guān)于海底管道埋設(shè)深度的法規(guī)、規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

3 錨擊管道局部變形深度計(jì)算模型

錨和落物是影響海底管道安全的主要因素之一,也是影響管道埋設(shè)深度的主要因素之一。船舶錨泊作業(yè)中錨沖擊海底管道時(shí),管道吸收的能量主要取決于錨在水中下落的最終速度(vc),該速度可以通過(guò)動(dòng)能定理求得[2]:

式(1)中:m為錨的質(zhì)量,kg;g為重力加速度,取g =9.81m/s2;ρw為海水密度,取ρw=1 025kg/m3;ρs為錨的密度,取ρs=7 850kg/m3;A為下落時(shí)錨的擋水面積,m2;CD為錨的拖曳力系數(shù)。

錨對(duì)管道的沖擊動(dòng)能可表示為

管道混凝土配重層吸收能為[2]

式(3)中:fcw為管道所涂敷混凝土的破壞強(qiáng)度,Pa; V為混凝土配重層的體積,m3。

管道局部變形吸收的能量可由下式計(jì)算

管道局部的最終變形深度為[2]

式(5)中:fn為沖擊能的耗散/吸引系數(shù),fn=1.0; mp為等效彈性動(dòng)量,mp=σyt2/4;Dm為鋼管平均直徑,mm,Dm=D-t;D為鋼管外徑,mm;t為鋼管壁厚,mm。

4 工程實(shí)例分析

4.1 拖網(wǎng)撞擊

選取我國(guó)在役的6條海底管道(其中管道1和管道2沒(méi)有混凝土配重層)分析對(duì)比拖網(wǎng)板撞擊對(duì)管道的影響,管道主要參數(shù)列于表2。計(jì)算中涉及的其它參數(shù)參考有關(guān)文獻(xiàn)1)海洋石油工程股份有限公司.社會(huì)環(huán)境因素對(duì)海底管道影響研究報(bào)告.2009.。根據(jù)前述公式可求得管道鋼管吸收能量、最大沖擊力以及鋼管最大永久變形量等(表3)。

表2 我國(guó)6條在役海底管道的主要參數(shù)

表3 拖網(wǎng)板撞擊管道計(jì)算結(jié)果

對(duì)表3中計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知,在受到拖網(wǎng)板撞擊時(shí),有混凝土配重層的管道,其混凝土配重層可以把撞擊所產(chǎn)生的能量完全吸收掉,因此拖網(wǎng)板的撞擊對(duì)鋼管不產(chǎn)生任何影響;而無(wú)混凝土配重層的管道,鋼管最大的永久變形量為1.41mm,與外徑的比值為0.84%,低于DNV規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)(Hp/D≤0.05η=3.5%),說(shuō)明其對(duì)海底管道造成的破壞較小,變形在可接受范圍內(nèi);然而,根據(jù)計(jì)算分析得到的拖網(wǎng)板撞擊海底管道的頻率為91.4次/ (a·km),接近DNV規(guī)范中規(guī)定的鋼管零變形的撞擊頻率100.0次/(a·km)。因此,為保證海底管道的安全,應(yīng)該對(duì)管道進(jìn)行埋設(shè),以避免拖網(wǎng)板對(duì)管道的撞擊。對(duì)于有混凝土配重層的管道,拖網(wǎng)板撞擊產(chǎn)生的能量相對(duì)較小,不會(huì)破壞混凝土配重層,因此對(duì)管道不會(huì)造成破壞。

4.2 錨撞擊

航運(yùn)活動(dòng)中船舶拋錨與拖錨撞擊管道有可能造成管道失效。錨貫入海床的深度與錨的重量、拋錨高度、海水深度、海底土壤類型等因素有關(guān),而錨沖擊海底管道時(shí)管道吸收的能量主要取決于錨在水中下落的最終速度。

以質(zhì)量為3.5t的霍爾錨為例。根據(jù)式(1)及有關(guān)參數(shù),可以計(jì)算出錨從距離海底1m到10m以及更高的高度自由下落的最終速度(表4)。分析計(jì)算結(jié)果可知,在自由下落10m左右時(shí)錨的下降速度就已經(jīng)接近自由沉降速度,此時(shí)錨的受力達(dá)到平衡并做勻速直線運(yùn)動(dòng),因此進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)可直接采用自由沉降速度。

表4 錨下落的最終速度與自由下落高度

我國(guó)渤海、黃海、東海、南海等海區(qū)的航運(yùn)情況差別不大,錨擊概率的大小主要與船舶流量相關(guān)。因此,本文以某港口某方向的船舶流量為例,進(jìn)行了錨擊造成的管道失效概率的計(jì)算分析。根據(jù)錨擊墜物失效概率的計(jì)算方法[3]可以求出管道各區(qū)域(依據(jù)截面上各點(diǎn)的船舶流量進(jìn)行區(qū)域劃分)的失效概率,其結(jié)果如表5所示。

表5 錨擊造成的管道各區(qū)域失效概率統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表5的計(jì)算結(jié)果可以得出,錨擊管道的發(fā)生概率很低,這說(shuō)明錨擊管道造成的破壞并不常見(jiàn)。

我國(guó)海洋船舶80%以上為萬(wàn)噸級(jí)以下船舶,其船錨質(zhì)量在1～3t之間,且80%左右的錨為霍爾錨。本計(jì)算分析選取3t霍爾錨進(jìn)行計(jì)算,管道參數(shù)見(jiàn)表2,混凝土配重層吸收的能量、鋼管吸收的能量以及鋼管的最大永久變形量等計(jì)算結(jié)果列于表6。

表6 3 t霍爾錨撞擊管道計(jì)算結(jié)果

對(duì)表6計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可得出,管道在受到3t霍爾錨撞擊時(shí),鋼管的最小永久變形量為36.25 mm,最小變形量與外徑的比值為4.76%,這2個(gè)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了DNV規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。因此,為了保證管道安全,需要對(duì)管道進(jìn)行埋設(shè),以避免船錨對(duì)管道的撞擊。

5 我國(guó)海域海底管道埋設(shè)深度推薦方案

根據(jù)上述對(duì)比分析和計(jì)算分析,綜合考慮我國(guó)海洋船舶狀況,以及我國(guó)海域海底地質(zhì)情況、在役海底管道情況和經(jīng)濟(jì)性等因素,提出了我國(guó)海域海底管道埋設(shè)深度推薦方案(見(jiàn)表7)。

表7 我國(guó)海域海底管道埋設(shè)深度推薦方案(100m水深以內(nèi))

[1] 王茜,趙建平.海底管道第三方破壞失效分析及對(duì)策[J].石油化工設(shè)備,2007,36(3):18-21.

[2] 粟京.DnV96版《海底管道系統(tǒng)規(guī)范》對(duì)沖擊防護(hù)的新規(guī)定[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,1999,15(2):15-17.

[3] YASSERI S F,PRAGER J.Protection of pipelines in shipping lanes:proceedings of the24th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering(OMAE2005)[C]. OMAE2005-67018,2005.

[4] DET NORSKE VERITAS.DNV-RP-F111Interference between trawl gear and pipelines[S].Oslo:DNV,2001.

[5] DET NORSKE VERITAS.DNV-OS-F101Submarine pipeline systems[S].Oslo:DNV,2001.收稿日期:2010-01-26 改回日期:2010-03-05

(編輯:張金棣)

Abstract:Fishery and shipping activities are the main social environmental factors that affect the buried depth of subsea pipeline.Based on the comparison analysis of the related domestic and international regulations and norms for buried depth of subsea pipelines,the collision of trawl and anchor on the6subsea pipelines in service offshore China was analyzed and the suitable solution of subsea pipeline buried depth was proposed according to the status of vessels and the subsea pipelines in China.The proposal provides technical reference to the future study of subsea pipeline buried depth and compilation of relevant laws and regulations for China waters.

Key words:social environmental factors;subsea pipeline;buried depth;fishery;shipping

Social environmental factors impact on the buried depth of subsea pipeline

Zhao Dongyan Wang Cong Luo Chao Wang Fengyun
(Of f shore Oil Engineering Co.Ltd.,CNOOC, Tianjin,300451)

趙冬巖,男,高級(jí)工程師,長(zhǎng)期從事海底管道研究。地址:天津市塘沽區(qū)丹江路1078號(hào) (郵編:300451)。