胡 江，張慶所，運(yùn) 濤

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司工程建設(shè)中心 天津300459)

0 引言

通常管道埋設(shè)于海底面以下一定深度，用以防止管道在相關(guān)事故中受損，確保管道設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的安全。由于管道挖溝埋設(shè)，能夠避免或減輕船舶拋錨對(duì)管道的損傷，業(yè)主或操作者通常都要求將管道在海底挖溝埋設(shè)，尤其是管道在穿越航路或航道區(qū)域，必須進(jìn)行特殊的防護(hù)。

船舶在航行過(guò)程中應(yīng)急拋錨為小概率事件，并且應(yīng)急拋錨擊中海底管道為極小概率事件，但是，船錨一旦擊中沒(méi)有防護(hù)或防護(hù)薄弱的管道，其危害程度通常是破壞性的。為此，一些穿越特殊區(qū)域的管道必須進(jìn)行特別防護(hù)，以渤海油田某天然氣管道為例，參考挪威船級(jí)社規(guī)范DNV-RP-F107(2010)Risk Assessment of Pipeline Protection和其他相關(guān)資料，在管道規(guī)劃、設(shè)計(jì)過(guò)程方面進(jìn)行專業(yè)論證，并確定合理路由及埋設(shè)深度。

1 船舶落錨分析

當(dāng)管道路徑穿越航道或航路區(qū)域時(shí)，為保證跨越航道、航路段管道的安全，應(yīng)該進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。首先需要確定該航道往來(lái)船舶的類型、排水量以及所配備錨的數(shù)量、重量，然后進(jìn)行落錨計(jì)算分析和該區(qū)域應(yīng)急拋錨的概率分析，以便根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果對(duì)該區(qū)段管線采取相應(yīng)保護(hù)措施。

通常情況下，船舶采用正常拋錨方式，先通過(guò)錨機(jī)將錨從錨鏈孔緩慢送至水面以下一定位置(通常 1節(jié)錨鏈左右)，再讓錨以近似于自由落體方式落下并嵌入海床。當(dāng)船舶遇到緊急情況時(shí)，采用應(yīng)急拋錨的方式來(lái)控制船速，應(yīng)急拋錨時(shí)，船舶直接將錨從錨鏈孔丟下。常規(guī)拋錨和應(yīng)急拋錨方式錨的運(yùn)動(dòng)過(guò)程計(jì)算原理基本一致，只是錨下落時(shí)的高度不同，在相同的海床底質(zhì)情況下，隨著船錨自由落體高度的減小，船錨觸底時(shí)的速度和動(dòng)能隨之減小，錨嵌入海床的深度也相應(yīng)減小。

2 船舶應(yīng)急拋錨分析

在船舶應(yīng)急拋錨時(shí)，船錨在重力作用下，產(chǎn)生類似自由落體運(yùn)動(dòng)，從錨鏈孔位置落入水中，在觸及海床前，船錨受重力、浮力及海流的共同作用，隨著船錨在水中速度增大，阻力會(huì)迅速增大，一般情況下，在下落50～100m后，浸沒(méi)在水中的船錨達(dá)到最終速度，最后阻力與下落力相等，達(dá)到平衡，此時(shí)保持勻速下落。水深大小直接決定船錨下落過(guò)程中，觸及海床前，是否達(dá)到平衡。根據(jù)不同的水深，采用能量守恒法進(jìn)行分析，分析計(jì)算在船錨下落達(dá)到最終速度時(shí)的動(dòng)能[3]，如式(1)所示：

式中：ET為物體的動(dòng)能，kJ；m為物體的質(zhì)量，kg；VT為最終的速度，m/s。

式中：ρ水、ρ錨為水和船錨的密度(ρ水值取1025kg/m3)；m為船錨的質(zhì)量，kg；A為船錨在水平面上的投影面積，m2；Cd為拖拽系數(shù)(與錨的形狀有關(guān))；VT為船錨到底的最終速度，m/s。

將式(1)與式(2)合并，得到公式(3)：

式中：ρ水為水的密度(ρ水值取1025kg/m3)；A為船錨在水平面上的投影面積，m2；Cd為拖拽系數(shù)(與錨的形狀有關(guān))；V為船錨的體積，m3。

另外，計(jì)算船錨下落至海床時(shí)最終的沖擊動(dòng)能，還應(yīng)該考慮附加水動(dòng)力質(zhì)量的影響。那么，最終的沖擊動(dòng)能公式應(yīng)為：

這里附加質(zhì)量ma(kg)＝ρ水CaV，不同種類物體的拖拽系數(shù)Cd和附加質(zhì)量系數(shù)Ca見(jiàn)表1。

急拋錨時(shí)，決定船錨貫入海床深度的因素除了船錨到達(dá)海底時(shí)的速度外，還應(yīng)與土壤的阻力等因素相關(guān)。對(duì)于管道是否在船錨的沖擊下受損，也與管道的結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)，如：鋼套鋼雙層管的外管可以阻止部分沖擊力，從而有效保護(hù)內(nèi)管，另外混凝土配重層和防腐涂層也能夠吸收部分沖擊動(dòng)能。

表1 摩阻系數(shù) Tab.1 Drag coefficients

3 海底落錨沖擊動(dòng)能的吸收抵消

3.1 回填土壤吸收的沖擊動(dòng)能

管道進(jìn)行挖溝鋪設(shè)并填埋，在一定程度上可以額外保護(hù)管道免受落錨和拖錨的損壞，其作用大小主要取決于挖溝深度和填埋材料。根據(jù)實(shí)體試驗(yàn)，墜落物被回填土壤吸收的能量為：

式中：Ep為回填土壤吸收的能量，kJ；γ為回填土壤的有效單位重量，kN/m3；D為落物的直徑，m；Ap為落物的底部面積，m2；z為落物貫穿土壤的深度，m；Nr、Nq為土壤承載力系數(shù)(注：不同性質(zhì)的土壤承載力系數(shù)Nr、Nq參照TERZAGHI方程數(shù)據(jù))。

3.2 混凝土配重層吸收的沖擊動(dòng)能

為了保證管道鋪設(shè)在海底的穩(wěn)定性，通常需要在管道外表面噴涂混凝土配重層來(lái)增加管道的重量?；炷僚渲貙右材茉谝欢ǔ潭壬系挚巩愇锏淖矒??；炷僚渲貙游盏哪芰颗c穿透體積和混凝土壓碎強(qiáng)度有關(guān)?；炷僚渲貙邮茏矒羟闆r下：

式中：Y為混凝土抗壓碎強(qiáng)度(28d強(qiáng)度試驗(yàn)要求最小62MPa)；b為沖擊物體的寬度，m；x0為物體貫入土壤的深度，m；h為物體下落深度，m。

根據(jù)DNV-RP-F107(2010)規(guī)范闡述，厚度為50mm的混凝土配重，吸收沖擊能力約45kJ。

3.3 聚合物防腐涂層吸收的沖擊動(dòng)能

管道在外表面會(huì)噴涂聚乙烯防腐涂層(3LPE)，來(lái)保護(hù)管道不被海水腐蝕。另外，為了提高管道保溫性能，還會(huì)給管道穿上一層不同厚度的聚氨酯泡沫外衣。以上這兩層材料也會(huì)在一定程度上抵消外力對(duì)管道的沖擊。表2是DNV-RP-F107(2010)規(guī)范闡述的不同聚合物材料的吸收沖擊能量數(shù)值。

表2 聚合物涂層吸收能量 Tab.2 Energy absorption in polymer coating

4 驗(yàn)證結(jié)論

為了驗(yàn)證上述方法，以某海上油氣田外輸天然氣管道為例。由于該管道穿越航路，為了保證管道安全需要進(jìn)行挖溝埋設(shè)保護(hù)，計(jì)劃后挖溝深度4m后，進(jìn)行原土回填3.5m(沙質(zhì)土壤)方式來(lái)保護(hù)管道安全。該管道的結(jié)構(gòu)形式為單層防腐配重管，管外徑355.6mm，壁厚14.3mm；外防腐層為厚度3.1mm的3LPE；配重層采用混凝土材質(zhì)，厚度50mm，密度2950kg/m3。地質(zhì)調(diào)查資料顯示，習(xí)慣航路區(qū)域的底質(zhì)土壤以沙質(zhì)土為主。根據(jù)海事部門反饋，該行路行駛最大船舶為30萬(wàn)t油輪(VLCC)。采用以上數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證管道在3.5m埋深(填埋層厚度)的情況下，是否可以抵御16.8t重船錨(30萬(wàn)t油輪配置的錨重)的下落沖擊。通過(guò)計(jì)算得出結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算結(jié)果 Tab.3 Calculation results

根據(jù)DNV-RP-F107規(guī)范理念，從能量角度來(lái)驗(yàn)證海底管道在挖溝埋設(shè)方式下，在相應(yīng)地質(zhì)環(huán)境條件 下，選取較為保守的數(shù)據(jù)輸入，來(lái)驗(yàn)證埋設(shè)深度、填埋層厚度、混凝土層的厚度，以及防腐層對(duì)船錨應(yīng)急拋錨工況下，船錨撞擊已防護(hù)海底管道的能力是否能夠保證海底管道安全。以上驗(yàn)證結(jié)果顯示，船錨最終的沖擊動(dòng)能(EE)小于回填土壤(Ep)、混凝土配重層(Ek)、防腐層吸收沖擊動(dòng)能之和，大于落錨的沖擊能量，表明填埋層厚度3.5m可以抵御30萬(wàn)t VLCC油輪在應(yīng)急拋錨工況下對(duì)管道的沖擊。