新型穿航道海底管道防錨保護(hù)方案試驗(yàn)及應(yīng)用

余志兵， 何 寧， 潘悅?cè)唬?黃 鈺， 馬坤明

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

0 引 言

跨航道海底管道通常采用在管道上方進(jìn)行拋石或覆蓋水泥壓塊等保護(hù)方式以防止過往船舶落錨風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。國內(nèi)不少學(xué)者[4-6]針對(duì)管道的機(jī)械保護(hù)方式開展大量的數(shù)值分析和試驗(yàn)研究。拋石防護(hù)是目前工程較常用的解決方案，但是若采用該方法則海上施工費(fèi)用較高，而且拋石量過大不利于滿足后期通航要求提高后對(duì)航道進(jìn)一步開挖加深的需求。傳統(tǒng)的水泥壓塊因整體缺乏柔韌性，在安裝過程中易造成管道損傷，同時(shí)水泥壓塊因其離散式結(jié)構(gòu)對(duì)船錨沖擊能量的吸收效果不明顯，且如果用于防護(hù)處于較大懸空的海底管道，則容易造成管道過載而失效。

近年來，一種柔性防護(hù)墊開始大量應(yīng)用于海洋工程。該防護(hù)墊由瀝青混合料、碎石和鋼絲骨架等構(gòu)成，為一種新型海底管道抗應(yīng)力沖擊及壓載材料，具有柔性、抗撞擊性和抗壓性等特點(diǎn)。該柔性防護(hù)墊如圖1所示。作為海底管道的力學(xué)保護(hù)層，柔性防護(hù)墊可減小管道上層的碎石回填厚度，能夠達(dá)到長(zhǎng)期有效防護(hù)的目的，而且可滿足航道疏浚要求并減少施工費(fèi)用[7]。

圖1 柔性防護(hù)墊

本文針對(duì)渤海某項(xiàng)目一條穿越航道雙層保溫海底管道，開展落錨物理模型試驗(yàn)，研究海底管道在拋石保護(hù)、柔性防護(hù)墊保護(hù)及兩者組合保護(hù)等多種保護(hù)形式下的受力行為，以此獲得拋錨條件下管道承受的局部軸力和彎矩，并依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)管道強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。對(duì)比分析結(jié)果，給出穿航道海底管道最優(yōu)防護(hù)方案，為工程設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。

1 穿航道海底輸油管道及其保護(hù)方式

該穿航道海底管道為雙層保溫管，內(nèi)外管尺寸為16英寸×22英寸(1英寸=0.025 4 m),外防腐涂層為3層聚乙烯，厚度為2.6 mm，密度為960 kg/m3，彈性摸量為2.07×105MPa，泊松比為0.3。各層相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。管道輸送介質(zhì)為油、水混輸，其密度為936 kg/m3。管道內(nèi)腐蝕裕量為3 mm。設(shè)計(jì)壓力和溫度分別為7.1 MPa、85 ℃，安裝溫度為18.1 ℃。

表1 雙層管道結(jié)構(gòu)參數(shù)

航道設(shè)計(jì)為通行10萬噸級(jí)船舶，考慮浚深后航道的設(shè)計(jì)底高程至-17.0 m，管頂高程為-19.0 m，因此管道上方僅有2.0 m的防護(hù)覆蓋厚度。為了確定管道保護(hù)層的最優(yōu)設(shè)計(jì)，擬采用5種設(shè)計(jì)組合方案(見表2)，并開展模型試驗(yàn)對(duì)防護(hù)方案進(jìn)行驗(yàn)證與研究。對(duì)應(yīng)的管溝截面及管頂保護(hù)層如圖2和圖3所示。

表2 保護(hù)設(shè)計(jì)方案

單位：m圖2 拋石防護(hù)方案

單位：m圖3 組合防護(hù)方案

2 物理模型試驗(yàn)

2.1 模型設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥裾罩亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)尺寸滿足幾何相似。管道在試驗(yàn)過程中固定在試驗(yàn)水池內(nèi)，并且保證其在波浪作用下不發(fā)生位移。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)方案、水深條件、試驗(yàn)場(chǎng)地和現(xiàn)有設(shè)備性能等確定落錨試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀伪瘸邽?.00∶15.39。

(1) 塊石模擬。管道上方覆蓋層配置不同重量塊石并按照按重力比尺挑選，重量偏差控制在±5%以內(nèi)。

(2) 管線彈性模擬。由于落錨試驗(yàn)主要測(cè)量管線受力和應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，因此可采用聚氯乙烯管加工制作。

(3) 船錨模擬。船錨根據(jù)錨型和錨重采用消失模金屬澆鑄加工。

(4) 柔性護(hù)墊模擬。柔性護(hù)墊參考原型結(jié)構(gòu)，芯料為瀝青碎石填充料，外層有土工格柵，外敷土工布包裹。

2.2 落錨試驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)落錨高度為20 m，模擬船錨落入管道頂部覆蓋層。在管道兩端布置三分力傳感器以測(cè)量管道受落錨落撞擊后的沖擊力，將總力傳感器成線形分塊布置于管道下方以測(cè)量管道的落錨沖擊力，在管道表面布設(shè)玻璃光柵應(yīng)力-應(yīng)變傳感器以測(cè)量管道的應(yīng)變。為節(jié)省試驗(yàn)周期，試驗(yàn)中同時(shí)在模型中2個(gè)位置處分別鋪設(shè)應(yīng)力-應(yīng)變和總力測(cè)量模型，試驗(yàn)布置如圖4所示。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變和總力測(cè)量布置方式

將7個(gè)玻璃光柵應(yīng)力-應(yīng)變傳感器以250 mm間隔布置在管道模型上，并在每個(gè)位置以環(huán)向間隔 90°沿管道軸向布置，分別布置于U(上表面)、B(下表面)、L(左側(cè)面)和R(右側(cè)面)等4個(gè)方向，用以采集管道上下左右4個(gè)表面的應(yīng)變數(shù)據(jù)。具體布置如圖5所示。

圖5 應(yīng)變傳感器及總力傳感器

總力傳感器以50 mm間隔均勻布置在管道落錨區(qū)域，在遠(yuǎn)離落錨區(qū)域的區(qū)域間隔適當(dāng)增加至100 mm。

具體實(shí)施步驟如下：

(1) 將安裝光纖的管道平放在一定厚度的細(xì)砂中，管道最上方與砂面保持平行，然后在砂層上方按試驗(yàn)工況堆放塊石層或柔性防護(hù)墊。試驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e如圖6和圖7所示。

圖6 無柔性防護(hù)墊落錨試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖7 有柔性防護(hù)墊落錨試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

(2) 調(diào)節(jié)落錨裝置位置，使錨塊的下落點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)管道中間。

(3) 將光纖連接至光纖光柵調(diào)解器和計(jì)算機(jī)，對(duì)光纖應(yīng)變進(jìn)行整零處理，在松開錨塊之前開始記錄管道應(yīng)變數(shù)據(jù)和總力數(shù)據(jù)。

(4) 改變墊層類型或厚度、落錨高度，進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

2.3 落錨試驗(yàn)分析結(jié)果

調(diào)整船錨懸掛高度，根據(jù)項(xiàng)目所在位置的水深，選擇20 m作為落錨高度。調(diào)整錨模型的拋出位置，使錨落在管道頂部。與此同時(shí)，記錄各測(cè)點(diǎn)相應(yīng)的動(dòng)應(yīng)變時(shí)程數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)工況下測(cè)量得到的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 落錨試驗(yàn)分析結(jié)果

由表3可知，與拋石方案(無柔性防護(hù)墊)相比，增加柔性防護(hù)墊替換相同厚度的拋石保護(hù)層可顯著降低落錨對(duì)管道的沖擊力，而且管道所受的變形也隨之減小。

3 管道強(qiáng)度校核

3.1 載荷控制準(zhǔn)則

根據(jù)DNV-OS-F101規(guī)范[8]，經(jīng)受彎矩、有效軸力和內(nèi)部超壓力作用的管道所有的橫截面設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下條件：

(1)

式中：γm為材料抗力因子；γSC為安全等級(jí)抗力因子；Msd為設(shè)計(jì)彎矩；αc為考慮應(yīng)變硬化的流動(dòng)應(yīng)力參數(shù)；Mp為塑性彎矩抗力；t2為管道壁厚(安裝期為名義壁厚，操作期考慮內(nèi)腐蝕后的壁厚)；Ssd為設(shè)計(jì)有效軸向力；pi為內(nèi)壓；Sp為特征塑性軸力抗力；pe為外壓；Pb為破裂壓力；γp為

(2)

式(1)適用于15≤D/t2≤45、Pi>Pe、|Ssd|/Sp<0.4的情況，其中：D為管道外徑。

經(jīng)受彎矩、有效軸力和外部超壓力作用的管道所有的橫截面設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下條件：

(3)

式中：pmin為管道能經(jīng)受的最小內(nèi)部壓力；pc為特征壓饋壓力。

式(3)適用于15≤D/t2≤45、Pi

3.2 管道強(qiáng)度評(píng)估

根據(jù)管道受落錨沖擊后測(cè)定的應(yīng)變，推算出海底管道承受的軸力和彎矩。然后根據(jù)DNV規(guī)范的載荷控制準(zhǔn)則進(jìn)行強(qiáng)度校核。當(dāng)內(nèi)外管計(jì)算得到的UC值均小于1.00時(shí)，可認(rèn)為管道是安全的。5種保護(hù)方案對(duì)應(yīng)的內(nèi)外管強(qiáng)度校核結(jié)果如表4和表5所示。

由表4和表5可知：采用各類保護(hù)方案的管道強(qiáng)度校核UC值均小于1.00，但采用拋石方案(即無柔性防護(hù)墊層)和1層柔性防護(hù)墊層方案計(jì)算得到的內(nèi)管UC值偏大(超過0.95)，設(shè)計(jì)安全裕量較低；采用2層柔性防護(hù)墊層另加1.5 m層拋石方案對(duì)應(yīng)的安全因數(shù)較大(此時(shí)UC值為0.79)，因此推薦該保護(hù)方案作為本項(xiàng)目穿航道海底管道的力學(xué)保護(hù)方案。

表4 內(nèi)管強(qiáng)度校核結(jié)果

表5 外管強(qiáng)度校核結(jié)果

4 結(jié) 論

介紹穿航道海底管道常用的防落錨力學(xué)保護(hù)方案，如拋石回填和水泥壓塊。引入一種新型防護(hù)結(jié)構(gòu)物——柔性防護(hù)墊，并針對(duì)某工程實(shí)例開展柔性防護(hù)墊的物理模型試驗(yàn)。由試驗(yàn)測(cè)定的管道受力、應(yīng)變和強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果，得出如下結(jié)論：

(1) 穿航道海底管道上方采用施加2層防護(hù)墊(厚度為0.5 m)并回填石塊1.5 m的方案，可確保在意外落錨情況下管道安全運(yùn)營(yíng)，同時(shí)可滿足航道疏浚要求。

(2) 隨著柔性墊層厚度的增加，管道受到落錨的沖擊力隨之減小，說明拋石作為離散式防護(hù)結(jié)構(gòu)，與內(nèi)充連續(xù)介質(zhì)的柔性防護(hù)墊相比，所吸收落錨的沖擊能量更小。

(3) 作為新型抗外力防護(hù)產(chǎn)品，柔性防護(hù)墊具有較強(qiáng)的吸收能量。另外，柔性防護(hù)墊具有自身結(jié)構(gòu)柔性及質(zhì)量小等特點(diǎn)，可更好地包裹在被保護(hù)管道周圍，有效降低外力對(duì)管道造成的損傷與失效。