趙 黨，夏日長，李秀鋒，何 寧，孫國民

(海洋石油工程股份有限公司 設計公司，天津 300451)

海底管道承受風險載荷作用研究

趙 黨，夏日長，李秀鋒，何 寧，孫國民

(海洋石油工程股份有限公司 設計公司，天津 300451)

為保證海底管道在運營期間的安全性，需要對可能出現(xiàn)的風險載荷進行評估。首先依據(jù)行業(yè)規(guī)范界定海底管道失效等級；之后對不同類型海底管道對沖擊能量的吸收能力進行詳細分析；最后提出海底管道風險保護措施。隨著我國海底管道建設的增多，研究海底管道風險載荷作用具有重大的學術意義和實際應用意義。

風險載荷；柔性管；臍帶管(纜)；失效等級

0 引 言

海底管道的運營安全，為海底石油開采提供重要保障。一些海底管道的路由走向跨越船舶航道和漁業(yè)作業(yè)區(qū)域，由人類活動引起的偶然風險載荷決定了海底管道在服務周期內(nèi)是否安全，針對不同形式的海底管道，評估風險載荷的作用具有重要意義。

有2種偶然荷載能導致立管、海管和臍帶管(纜)破壞，即沖擊功(如落物引起)和拖曳力、鉤掛力(如拖網(wǎng)漁船作業(yè)和船舶收放錨引起)。偶然荷載和立管，海管和臍帶管(纜)構(gòu)成復雜動態(tài)、非線性的作用機制，研究偶然荷載沖擊能量吸收情況，涉及沖擊作用能量大小、作用方式，管材等級、尺寸、涂層及土壤特性等重要參數(shù)。海管位于松軟介質(zhì)特性海床，對落物沖擊能功具有良好的吸收功能。拖曳力和鉤掛力的作用，強制海管發(fā)生位移或產(chǎn)生附加彎矩。

1 失效等級分類

海管失效表現(xiàn)為管線壁厚凹陷、穿孔及承受過量的彎矩導致穩(wěn)定性失效[1-2]。參照DNV-RP-F107[3]規(guī)范，失效模型將依據(jù)破壞程度(如D1～D3)分類如下：

1)小損傷(D1)。損害程度既不需要修復，也沒有導致碳氫化合物泄漏。碳鋼管壁上小的凹陷，如小于5%的管徑，沒有直接影響海管運營。只需對管線進行監(jiān)測和技術評定，以確保管線結(jié)構(gòu)的完整性。

小損傷對于柔性管、臍帶管(纜)、涂層和陽極塊的局部損傷，不需要進行修復。

2)中等程度損傷(D2)。損傷需要修復，但未導致碳氫化合物泄漏。碳鋼管上凹陷限制了內(nèi)部檢測(如凹陷深度大于5%的碳鋼管管徑)，需要進行修復。

有海水進入柔性管和臍帶管(纜)，將導致防腐蝕失效。

當需要頻繁通球操作，需要進行特殊考慮。對于這樣管線，大的凹痕將限制通球操作，迫使其停產(chǎn)，這種情況盡管沒有導致碳氫化合物泄漏，但損傷將定為嚴重損傷(D3)。

3)嚴重損傷(D3)。損傷導致碳氫化合物泄漏。介質(zhì)泄漏情況(如R0～R2)分以下3種：

①無泄漏(R0)。未導致輸送介質(zhì)泄漏。

②小泄漏(R1)。泄露來自管壁上的小孔或中孔(壁厚小于80 mm)。管線泄露少量的輸送介質(zhì)，這種泄漏導致管內(nèi)壓強降低或可直接觀察到。

③大泄漏(R2)。泄漏來自斷裂的海管。完全斷裂將導致海管輸送介質(zhì)泄漏，直至管線被隔離處理。

管線破壞等級分類用于經(jīng)濟評估，泄漏等級用于對于人類安全和環(huán)境安全的風險評估。依照管線結(jié)構(gòu)形式和管線保護形式對管線失效等級進行評定。管線吸收沖擊能量計算公式為

(1)

式中：mp=0.25·σy·t2為壁厚彈性模量；δ為管材凹陷深度；t為管材名義壁厚；σy為屈服應力；D為管材外徑。

2 海管結(jié)構(gòu)形式

2.1 碳鋼管線

1)沖擊情況

沖擊可導致海管相對“平緩”的凹陷。這種吸收沖擊能的碳鋼管凹陷計算見式(1)，凹陷形式如圖1所示。保守分析時，不考慮管線內(nèi)壓作用。詳細吸收能量評價可借助有限元軟件模擬獲得。

圖1 凹陷預測示意圖Fig.1 Schematic of dent prediction

沖擊能增加可導致壁厚失效，海管泄漏。表1列出了針對不同沖擊形態(tài)碳鋼管的損傷等級。

表1 碳鋼管的能量吸收和損傷等級Tab.1 Impact capacity and damage classification of steel pipeline

2)拖曳和鉤掛情況

拖曳(見圖2)和鉤掛(見圖3)可導致管線發(fā)生側(cè)向位移與局部懸跨增大。DNV-RP-F111[4]給出這種情況的分析方法，DNV-OS-F101[5]中給出了針對屈曲和相關失效的描述及管線安全判別標準。如果超出規(guī)范的允許范圍，海管將在橫截面處發(fā)生壓潰，或者屈曲失效。

圖2 典型漁網(wǎng)拖曳與海管相互作用示意圖Fig.2 Typical beam trawl gear crossing a pipeline

圖3 典型鉤掛示意圖Fig.3 Sketch of typical hooking scenario

2.2 柔性管線

1)沖擊情況

柔性管結(jié)構(gòu)典型截面形式如圖4所示，其由多層加強結(jié)構(gòu)和聚合物組合生成。針對不同柔性管結(jié)構(gòu)形式，需單獨確定其對沖擊功的吸收能力。如無特別說明，針對8″～10″柔性管，可以參考表2確定其吸收能力和損傷等級。

圖4 柔性管典型截面圖Fig.4 Sketch of typical flexible pipeline cross section

表2吸收能量情況適用于8″～10″柔性管，在一定情況下也可用于其他尺寸柔性管：吸收能力減少25%適用于4″～6″柔性管，吸收能力增加25%適用于12″～14″柔性管。保守設計考慮時，認為柔性管不能承受任何損傷，也不能吸收損傷能量。

表2 柔性海管的吸收能量和損傷等級Tab.2 Impact capacity and damage classification offlexible pipelines

2)拖曳和鉤掛情況

柔性管的拖曳、鉤掛情況和碳鋼管類似，但柔性管將能承受更大的側(cè)向位移和更小的彎曲半徑。

2.3 臍帶管(纜)

臍帶管(纜)典型截面形式如圖5所示，由支撐結(jié)構(gòu)、電纜、護套、涂層等組成。最易破壞部分是電纜。臍帶管(纜)實際承受能力要根據(jù)工程設計要求確定。對于有含有加強結(jié)構(gòu)的臍帶管(纜)，如無信息提供，可參考表3確定吸收能力和損傷等級，對于沒有加強結(jié)構(gòu)的臍帶管(纜)，表3中所對應的吸收能力應相應減少。

圖5 臍帶管(纜)典型截面圖Fig.5 Sketch of typical umbilical cross section

作用能量/kJ損傷描述情況概率D1D2D3<25小損傷未導致海水進入100025～5損傷需要修復，部分失效005055～10損傷需要修復，部分失效0025075>10完全失效001

對于拖曳或鉤掛作用在臍帶管(纜)情況，可參考柔性管。

臍帶管(纜)自身失效對于人類安全和環(huán)境安全的影響并不明顯，其主要表現(xiàn)在由于臍帶管(纜)失效所導致的油氣資源輸送停止，易造成重大經(jīng)濟損失。

3 保護措施

3.1 混凝土涂層

混凝土涂層所能吸收沖擊能量是關于物體沖擊形成凹陷尺寸和混凝土壓碎強度(Y)的公式。普通混凝土壓碎強度是3～5倍的立方體抗壓強度，輕質(zhì)混凝土壓碎強度是5～7倍的立方體抗壓強度。典型方體抗壓強度范圍為35～45MPa。式(2)和式(3)是2個吸收能量公式。

圖6 混凝土涂層吸收沖擊作用示意圖Fig.6 Impact in concrete coating

(2)

(3)

式中：x0為凹陷深度；b為作用物體寬度；h為長度；D為管徑。對于大管徑海管，式(2)相對保守，用于有凹陷形狀分析。如無相關信息資料，對于45mm厚的混凝土涂層海管受沖擊深度為30mm時，其吸收能量為40kJ。

3.2 聚合物涂層

聚合物是幾層不同厚度和材質(zhì)物質(zhì)組合形成。其吸收沖擊能量數(shù)值一般由實驗獲得。如無相關信息，可參考表4數(shù)據(jù)。

表4 聚合物涂層吸收能量情況Tab.4 Energy absorption in polymer coating

3.3 拋石和自然回填

拋石保護是海管最常使用的保護形式?；谌叨葘嶒?，石塊吸收能量界限計算公式：Ep=0.5·γ′·D·Nγ·Ap·z+γ′·z2b·Nq·Ap。

(4)

式中：γ′為回填材質(zhì)的單位有效重量；D為海管直徑；Ap為垂直落下管體插入石塊面積；z為落下管體進入石塊深度(見圖7)；Nq，Nγ為剪切強度系數(shù)。

圖7 落下管體作用示意圖Fig.7 Sketch of falling pipe

Ap應依據(jù)石塊顆粒大小確定，與石塊顆粒相比，屬于小管徑的管體，可取插入管體截面積數(shù)值。相比較管徑，如果石塊顆粒較小，Ap可以采用管徑周長和石塊顆粒尺寸相乘獲得。剪切強度系數(shù)Nq=99，Nγ=137。回填有效材質(zhì)重量取11kN/m3。對于其他非管狀物(如集裝箱)作用在石塊上，如下2個吸收能量公式分別針對邊作用和角作用情況。

(5)

(6)

式中：sγ為形狀系數(shù)，取0.6；L為作用邊界長度。

石塊覆蓋不同管體、不同深度時能量吸收情況如圖8所示。自然回填時，砂礫的能量吸收能力較石塊小。

圖8 石塊能量界限吸收情況Fig.8 Absorbed energy in gravel

3.4 其他保護方法

在海管近平臺處，為防止落物沖擊的影響，在海管或膨脹彎上覆蓋一層混凝土壓塊或者沙包(見圖9)，混凝土壓塊的吸收能量一般取5～20kJ，沙包取5～10kJ。海管穿越特殊路由段時，采取隧道保護方式[6]，其保護形式如圖10所示。針對船舶錨拖拽力作用，有效方式為將海管埋設一定深度，具體情況，由過往船只的錨特性及土壤特性決定。

圖9 混凝土壓塊或沙包保護示意圖Fig.9 Sketch of concrete mattress/sand bags protected

圖10 隧道保護示意圖Fig.10 Sketch of tunnel protected

4 結(jié) 語

經(jīng)上述對不同形式的海管結(jié)構(gòu)承受風險載荷作用情況分析及保護措施研究，可得出以下結(jié)論：

1)碳鋼管結(jié)構(gòu)承受沖擊功作用性能優(yōu)于柔性管和臍帶管(纜)，柔性管和臍帶管(纜)承受拖曳和鉤掛載荷能力優(yōu)于碳鋼管；

2)混凝土涂層對管線保護強度高于聚合物涂層；

3)對特殊路由段的海管，拋石、混凝土壓塊和沙包覆蓋保護能收到良好效果。

對于海底管道風險載荷評估是海底管道完整性管理[7]的重要部分，通過風險載荷評估，可以規(guī)避和有效控制海底管道運營期內(nèi)的潛在風險，保障海底管道運營期安全?，F(xiàn)在的研究成果多來自工程經(jīng)驗和實驗，具有一定的局限性，隨著有限元技術的發(fā)展，越來越多的風險載荷作用強度特性將通過有限元軟件模擬獲得。

[1] 趙黨，郝雙戶，何寧.海底管道穩(wěn)定性分析[J].北京：艦船科學技術,2013,35(5):99-102.

ZHAODang,HAOShuang-hu,HENing.Surveyonon-bottomstabilitydesignofsubmarinepipelines[J].BeiJing:ShipScienceandTechnology,2013,35(5):99-102.

[2]DNV-RP-F109,On-bottomstabilitydesignofsubmarinepipelines[S].2011.

[3]DNV-RP-F107,Riskassessmentofpipelineprotection[S].2006.

[4]DNV-RP-F111,Interferencebetweentrawlgearandpipelines[S].2010.

[5]DNV-OS-F101,Submarinepipelinesystems[M].2012.

[6]TIKHONOVVS.Dynamicmodelofpipelineduringpullingindirectionallydrilledhole[J].2005NO.67043:ASME.

[7]DNV-RP-F116,Integritymanagementofsubmarinepipelinesystems[S].2009.

Research on the effects of risk load on subsea pipeline

ZHAO Dang, XIA Ri-chang, LI Xiu-feng, HE Ning, SUN Guo-min

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd,Engineering Company, Tianjin 300451,China)

It is necessary to assess the risk load for the security of subsea pipeline during service life. Firstly, the paper presents the damage classification according to standard. Secondly, analyses energy absorption of impacting objects for different types (steel, flexible, umbilical). Finally, presents different protection methods for the effects of risk load. With the development of subsea pipeline construction in China, the assessment results of the risk load for subsea pipeline design have certain academic and engineering significance.

risk load;flexible pipeline;umbilical;damage classification

2013-06-24；

2013-07-10

2012年天津市濱海新區(qū)科技計劃資助項目(2012-BK120004)；2013年行業(yè)標準資助項目(E-0813X202)

趙黨(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事海底管道設計。

TE58

A

1672-7649(2014)06-0063-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.06.012