关于事故性抛锚对海底管线损害的探讨

，，

(武汉理工大学 航运学院，武汉 430063)

海底石油管线是海洋油气资源开发和利用的生命线，它的安全与否直接影响着海洋石油工业和海洋生物与环境的发展。海底石油管线在安装与油气输送过程、渔业捕捞等人类海洋活动以及其他事故性抛锚作业中，难免会产生各种各样的损伤和缺陷，如出现表面凹坑、擦痕、裂纹、弯扭及变形损伤等。海底石油管线的损伤和缺陷可分为两类：一类是发生在管道内部或外部，没有产生任何油气泄漏，如果管道的应力在许用应力之内，油气运输可以不中断，可等待日后管线的评估和维修；另一类是管线中的油气产品会发生泄漏，在这种情况，必须立即停止油气产品的输送，进行管线维修，事故性抛锚作业就是引起这种破坏的一个重要方面。因此，为保障海底石油管线石油运输安全，避免遭受重大经济损失和海洋生物生态环境的破坏，必须对事故性抛锚损伤石油管线的概率及损害程度进行评估和分析，为管线的维修、结构承载潜力的挖掘提供科学合理的决策依据，从而大大提高海底石油管线的综合经济效益。

1 事故性抛锚对海底管线撞击概率

1.1 事故性抛锚作业的分类

对海底管线有影响的事故性抛锚可分为：

1) 在海底管线上方或附近的钻井平台进入施工水域时，由抛锚服务船对平台进行锚泊作业时，抛锚服务船可能由于操作失误而发生脱锚事件。

2) 从钻井作业到完工期间，锚链可能发生断裂事件。

3) 渔业捕捞用具及拖锚等对海底石油管线的拖拉与撞击。

4) 沿航道航行和非航道航行的各类其他船舶在紧急情况下的抛锚作业。

1.2 撞击概率的计算

文献[1]中曾对锚泊作业撞击对海底管线的概率做过研究，认为由于操作失误、紧急情况下抛锚等原因而发生的事故性锚泊作业，锚坠落撞击海底管道的概率为：

Panch i=Ni·P1i·P2i

式中：Panch i——第i个锚脱锚或紧急情况下抛锚撞击海底管道的概率；

Ni——第i个锚的抛锚次数；

P1i——由于误操作第i个锚脱锚或紧急情况下抛锚的概率；

P2i——第i个锚脱锚后掉落在管道上(裸露)或管道上方(填埋)的概率；

i——锚的编号。

P1i的值可采用统计资料或查阅相关文献(如DNV数据库)或统计资料获得。

P2i可采用如下方法求解：首先，求解锚坠落在一定范围内的概率，然后根据海底管道在此区域内的布置，求解撞击管道的概率。

总的撞击概率Panch为：

式中：n——坠落锚的个数。

2 海底管线被锚击中后损害程度

撞击事件发生后是否对管线造成损害，造成多大的损害，必须进行撞击能量的分析。Bjornoy和Rengard等[2]对不同材料及具有不同尺寸的凹陷、切痕及同时具有凹陷和切痕的管线进行试验，获得了大量有价值的试验结果，用于研究受损管线的残余强度及发展修正有关的标准等。Estefen和Netto等[3]利用实验及大变形和弹塑性理论研究了几种海洋损伤石油管线模型的残余强度，并将残余压力容限的实验结果与非线性差分数值结果进行比较，实验与数值计算结果接近。Ellinas和Walker 等[4]研究了海洋损伤石油管线，给出了一个撞击载荷P与撞击点处损伤深度d之间有用的经验关系式：

式中：D——管道的直径;

K——给定常数，为150；

mp——管道壁的塑性瞬时能量。

损伤的局部深度dx可由下式计算：

式中：x——离开撞击点的距离。

实际工作中，25 m以内的水深中抛锚，往往是一锚到底，不用锚机刹车刹减出链速度。试验证明，自重为Wa的锚，在深水中不用锚机刹车刹减出链速度的情况下自由抛锚时，其下降的最高速度即最终触底前速度va可由试验公式计算[5]：

式中：Wa——锚重，t。

以5 t锚为例进行计算，其最终速度为va=6.15 m/s，这时锚具有的动能：

其动量为：

p=mv=5 000×6.15=30 750 kg· m/s。

以霍尔锚为例，船舶误抛锚在管线顶部，一般情况下，锚入土深度为：

T=Hcosα+B/2

式中：T——锚入土深度；

H——锚爪高度；

α——锚爪展开角度；

B——锚身厚度。

在这种情况下若锚与海底管线做完全非弹性碰撞，管线所受的损伤非常大。试比较56式普通弹头7.9 g，开枪初速度为710 m/s，其动能为：

其动量为：p=mv=0.007 9 ×710=5.61 kg· m/s。

在这种条件下，在100 m距离上可射穿6 mm厚的钢板、15 cm砖墙, 30 cm厚土层、40 cm厚木板，两者相比较，每次事故性锚海底管线的损伤程度可见一斑。

3 应对措施

目前国内对海底管线保护的课题主要集中于防腐蚀方面[6]，如外部涂层(熔结环氧(FBE)涂层、聚乙烯(PE)涂层、煤焦油瓷漆涂层、煤焦油环氧涂层、复合涂层)和阴极保护联合的方法进行防护等(在此不作进一步研究)，而对管线埋深方案的研究却极为有限。

鉴于事故性抛锚、管线腐蚀、海床运动等对海底管线的损害，笔者通过对埋深方案的研究认为在管线设计时应考虑如下：

1) 合理的管道线路设计。在选择海底管道线路时，应尽量在海底地形平坦且稳定的区域，避开海床起伏较大、冲淤严重、具有活动断层或软弱土层区域，同时还要尽可能避开船运航道、渔业活动区、矿业活动区，这样可以降低管道因遭受外物撞击、渔网拖挂、海床运动等破坏的概率。

2) 油、气在管线中流动时会使管线产生轻微振动，使埋设管线浮出管沟。

3) 风浪和海流作用也会造成管线振动，使混凝上层破坏，甚至造成管线裸露，并可能导致管线产生疲劳破坏。波流冲刷作用：当海底管道埋深不足时，在波流反复冲刷作用下会逐渐裸露出海底而呈悬跨状态，波流流经悬跨管线时会在管道后部释放旋涡引起管线振动。当悬跨管线自振频率与旋涡释放频率相近时管线发生涡激共振，使管线在很短的时间里发生疲劳或强度破坏。

4) 合理的管线埋深设计。海底管线埋深设计过程即采取措施防止管线损坏的过程，它是防止管线损坏最重要的环节，腐蚀、波流冲刷等造成的海底管线损坏在一定程度上都可以通过合理的设计来防止。

海底管线埋深设计时，应考虑管线的埋设方式(如自然回填或人工埋设)以及海底和填料的性质等，采用将海底管线埋设、用砂袋或混凝土对管线进行外部防护、给悬空管线加固定支撑等方法来防止管线底部被波流冲刷淘空而发生涡激振动。在设计时选取合理的计算理论和计算方法对设计参数进行准确计算，并根据海底管线工作环境条件、工程施工难易、施工单位能力等实际情况来选择最有效可行的安全防护方法。

以某岛登陆点向外26 km(浅水段)海底天燃气管线埋深方案为例：河口段施工方案均需对河口段约16 km的区域进行预挖沟人工回填，规划河床底面距管线顶部2.5 m，而且埋设管顶至-9.4 m(85高程)。按照3 000 t级航道的水深要求，海底管线的埋深必须达到-11.50 m以上(85高程)。后挖沟埋设段中两段穿越沙波处需要深埋，其余后挖沟部分海底面距管线顶部1.5 m。预挖基坑的开挖断面和基坑回填：基坑底宽为5 m，按1∶3边坡开挖，基坑的深度大约为3.1 m(从规划河床面至管顶端为2.5 m，加上管的直径)，基坑底标高为-10.0 m(85高程)，而与航道相交处的基坑底标高为-11.50 m(3 000 t级航道水深至少为6.5 m，另埋管至规划河床底深为3.5 m，再考虑85高程)。基坑的会议案是在海底管线铺完之后进行，先抛一层2.1 m厚的碎石(0～100 mm)，然后抛放1 m厚的块石层(0～720 mm)。而后挖沟的回填方式为自然回填。该航区以3 000 t级船舶为代表船型，单锚重约为1.5 t。以1.5 t霍尔锚为例，锚高2.03 m，锚爪展开角度约为45°，锚爪高度约为锚高的一半即1.015 m，厚0.664 m，船舶误抛锚在管线顶部，锚入土深度为：

T=Hcosα+B/2=

即使整个锚杆垂直全部没入海底，此时锚入土深度为2.03 m，也不致造成海底管线损伤。

4 结束语

海底管线是高风险的工程，其高风险主要来自恶劣的环境条件的腐蚀、波流冲刷、事故性抛锚的破坏、不规范的拖网捕捞作业、管线自身的材料和焊缝缺陷、管道附件缺陷、海床运动等。可以通过合理的管道线路设计、合理的管道埋深设计、严控材料质量、运行期间定期检测等措施来防止海底管线损坏事故发生，提高海底管线的安全性。

[1] 刘学涛,张 磊,郭振邦,等.锚泊作业对海底管道撞击概率的研究[J].石油工程建设.2005 (6),31-33.

[2] Bjornoy O H, Rengard O.Residual strength of dented pipelines, DNV test results[A] .10th International Offshore and Polar Engineering Conference[C],2000.11,182-188.

[3] Estefen S F, Netto T A, Alves T M J.Residual strength of damaged offshore pipelines.Pipeline Technology, ASME, 1992 OMAE,V: 233-238.

[4] Ellinas C P, Walker A C.Damage on offshore tubular bracing mambers, IBASE Colloquium, Copenhagen, 1983.

[5] 王春华.浅谈备锚与抛锚[J].天津航海，1999(1),11-12.

[6] 朱承德.海底管线的外部防护[J].材料保护，1994(4),30-33.