孫 偉,劉 帆,劉麗麗

(1.青島黃海學(xué)院,山東 青島266427;2.海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島266520)

我國海洋油氣資源開發(fā)目前大都集中在近海,海底鋪設(shè)有大量輸送油氣的海底管線,隨著海底管線的不斷延伸,近海形成了縱橫交錯的海底管線網(wǎng)絡(luò)體系,海底管線的安全與否直接影響海洋生物環(huán)境和海洋油氣生產(chǎn)的安全。海底管線面臨的風(fēng)險主要來源于碰撞、腐蝕、疲勞損傷、管線穩(wěn)定性等,來自漁區(qū)捕撈作業(yè)的碰撞是最主要的損傷原因。近海捕撈對海底管線的損傷主要有兩個方面:漁船拋錨對海底管線的碰撞;在拖網(wǎng)過程中對海底管線的撞擊及拖拽。兩種情況都有可能對海底管線造成嚴(yán)重的損傷,甚至造成油氣泄露,為保障海底石油管線的安全,有必要對海底管線在捕撈作業(yè)方面的風(fēng)險進行評估。

1 拋錨對海底管線的碰撞

1.1 錨撞擊海底管線的概率

漁船進入海底管線上方水域發(fā)生事故性拋錨或捕撈作業(yè)拋錨都有可能撞擊到海底管線,錨撞擊管線的概率可以表示為

式中,Panch_i為第i個錨脫錨撞擊海底管線的概率;N i為第i個錨的拋錨次數(shù);P i1為由于誤操作第i個錨脫錨的概率,P i1=2×10-4;P i2為第i個錨脫錨后掉落在管線上(裸露)或管線上方(填埋)的概率;i為錨的編號。

P i2可以采用如下方法計算:先求解漁船拋錨落在一定范圍內(nèi)的概率,再根據(jù)該區(qū)域內(nèi)海底管線的布置情況求解撞擊管線的概率[1]。

錨墜落后在海水中發(fā)生漂移,設(shè)漂移服從正態(tài)分布,其概率密度函數(shù):

式中,P(x)為墜落錨在與入水點垂直投影位置距離為x處著陸的概率;x為海底著陸點與墜落點的水平距離(m);δ為側(cè)向偏移量(m);δ與水深和漂移角有關(guān),δ=dtanα,且α一般取5°。

因此,墜落錨擊中海床上與墜入點垂直投影位置距離小于r區(qū)域內(nèi)的概率:

以墜落點為圓心,以10 m為步長遞增畫一系列的同心圓,如圖1所示,將評估區(qū)域劃分為一系列圓環(huán),計算出每個環(huán)內(nèi)單位面積的撞擊概率,然后乘以管線在此圓環(huán)內(nèi)的投影面積,就可以得到墜落錨與此段管線

錨的動能為的撞擊概率。將所有撞擊概率求和,就可以得到錨墜落后撞擊海底管線的概率

圖1 錨墜落海底位置分布Fig.1 Distribution of the positions of anchor falling down to the seafloor

總的撞擊概率:

式中,n為漁船拋錨個數(shù)。

1.2 拋錨撞擊海底管線的損害程度分析

根據(jù)Ellinas和Warker對海洋損傷石油管線的研究[3],可用下面公式表示撞擊荷載:

式中,d為撞擊點處損傷深度;K=150;mp為管線壁的塑性瞬時能量;D為管線直徑。

離開撞擊點的距離用x表示,損傷的局部深度d x計算公式:

由試驗可知,自重為Wa的錨,當(dāng)在深水中不用錨機剎車剎減出鏈速度的情況下自由拋錨時,其下降的最高速度即最終觸底前速度va可由試驗公式計算[4]:動量p=mv。若錨與海底管線做完全非彈性碰撞,動量將全部轉(zhuǎn)換為管線變形能量,管線所受的損傷程度可由錨重Wa反映。

2 拖網(wǎng)作業(yè)對海底管線的撞擊及拖拽

拖網(wǎng)作業(yè)根據(jù)水深不同分為3種:上層拖網(wǎng)、中層拖網(wǎng)和底層拖網(wǎng)。其中只有底層拖網(wǎng)才會對海底管線造成損傷。

2.1 拖網(wǎng)撞擊海底管線的概率

隨著捕魚設(shè)備的改進和魚群的密度變化。拖網(wǎng)撞擊管線的概率也在不斷變化,但主要還是考慮下面3個方面的內(nèi)容:在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)漁船的密度;相對于海底管線拖網(wǎng)的拉拽走向;不同拖網(wǎng)設(shè)備的尺寸。

拖網(wǎng)撞擊到海底管線的概率,可以表示為:

式中,ftmp為每千米管線的年撞擊頻率;n g為每艘漁船拖網(wǎng)板或梁拖的個數(shù);I為漁船密度;V為漁船速度;α為漁區(qū)內(nèi)可能遭受干擾的海底管線的長度與漁區(qū)內(nèi)縱管線的總長之比;φ為主流航向與管線法線方向的夾角,cosφ可用統(tǒng)計信息代替。

2.2 拖網(wǎng)撞擊海底管線的損害程度分析

拖網(wǎng)板撞擊能量可用下式表示[5]:

式中,mt為拖網(wǎng)板的質(zhì)量;Ch為影響系數(shù);V為拖船航速;Rfs為折減系數(shù),依賴于管線直徑和土壤類型。

另外應(yīng)該考慮由流體附加質(zhì)量引起的能量沖擊Ea,那么海底管線或其防護層所承受的撞擊能量保守的估計為Eloc=max{Ea,Es}。

2.3 拖網(wǎng)對海底管線產(chǎn)生拖拽的概率

漁船捕撈中的拖網(wǎng)作業(yè)對海底管線產(chǎn)生拖拽是上述撞擊事件的并發(fā)事件,可用下面公式表示:

式中,ftmp為每千米管線的年撞擊頻率;κ是經(jīng)驗系數(shù),與拖網(wǎng)水深h、管線直徑D有關(guān)。

2.4 拖網(wǎng)對海底管線產(chǎn)生拖拽的損害分析

拖網(wǎng)對海底管線產(chǎn)生的水平拉力Fp:

式中,CF為經(jīng)驗系數(shù);kw為絞索強度。

拖網(wǎng)拖拽時間:

式中,CT為拖拽時間系數(shù);δp為位移。

由上述兩物理量可求出管線有效軸向力和管線曲率極限。

3 風(fēng)險評估矩陣

在對漁船拋錨和拖網(wǎng)作業(yè)對海底管線產(chǎn)生的概率和損害分析后,進行風(fēng)險評估綜合分析,建立風(fēng)險概率和損害等級的關(guān)系,對近海捕撈區(qū)的海底管線進行定量風(fēng)險評估。

海底管線發(fā)生風(fēng)險的概率等級[6]見表1。海底管線發(fā)生風(fēng)險的損害嚴(yán)重程度等級見表2。建立海底管線風(fēng)險矩陣見表3。

表1 海底管線風(fēng)險概率等級Table1 Risk probability grades of the submarine pipelines

表2 海底管線風(fēng)險損害嚴(yán)重程度等級Table2 Damage level grades of the submarine pipeline

表3 海底管線風(fēng)險矩陣Table3 Risk matrix of the submarine pipelines

通過式(2)、式(7)和式(9)可以計算出拋錨拖網(wǎng)的撞擊拖拽的概率,通過損傷分析可以得出海底管線發(fā)生風(fēng)險的損害嚴(yán)重程度等級,參照表3建立概率與損傷度的關(guān)系,得到定量風(fēng)險矩陣,從而判定近海捕撈作業(yè)區(qū)海底管線的風(fēng)險水平是否可以接受。

4 實例計算

4.1 拋錨碰撞計算

以渤海灣附近的捕魚船為例進行計算,漁船所經(jīng)過的水域的最大深度為60 m,最大潮流流速為2.5 m/s,漁船錨鏈長度為120 m,錨重為8.7 t。據(jù)公式(2)計算得:

拋錨點與海底管道的距離越遠,錨撞擊管道的概率就越小,海底管道受到錨撞擊的風(fēng)險就越小。取r=50,總的撞擊概率Panch:

認(rèn)為拋錨撞擊管線為小概率事件,概率等級為4。當(dāng)r≥50時,概率趨于0。

這時錨具有的動能:

在這種情況下若錨與海底管線做完全非彈性碰撞,管線所受的損傷非常大,會造成事故性的嚴(yán)重損傷,根據(jù)表3可知,當(dāng)P≥0.01或產(chǎn)生嚴(yán)重損傷時,都會產(chǎn)生不可接受的風(fēng)險,根據(jù)評估分析可知,應(yīng)遠離管線作業(yè)區(qū)進行捕魚,可在管線區(qū)50 m以內(nèi)設(shè)置警戒線。

4.2 拖網(wǎng)計算

渤海灣捕魚船所用到最大的拖網(wǎng)板重3 500 kg,拖行速度為2.8 m/s,整個管線線路布置范圍內(nèi)漁船密度為每1 000 km2住4只,主要拖航方向與管線成70°。全部管線長度內(nèi)都有可能遭受拖網(wǎng)荷載。拖網(wǎng)撞擊速度系數(shù)0.85,折減系數(shù)0.55。海底管線外徑356 mm,壁厚13 mm。管線鋼體材料數(shù)據(jù):鋼材品質(zhì)為X65,額定最小屈服應(yīng)力448 N/mm2,防護層為40 mm水泥。

每小時撞擊1 km海底管線的概率為

若漁船拋錨能夠撞擊到管線,其下降的最高速度即最終觸底前速度為

認(rèn)為拖網(wǎng)撞擊管線事件可能在管道的生命周期里發(fā)生,概率等級為4。

海底管線或其防護層所承受的撞擊能量保守的估計為

進行動態(tài)模擬,模擬分析結(jié)果:撞擊力380 k N,能量吸收3.3 kJ,永久凹陷2.1%。估計最小撞擊次數(shù)為4次。漁船捕撈中的拖網(wǎng)作業(yè)對海底管線產(chǎn)生拖拽的概率Ptz=f tmp,是并發(fā)事件。通過上述計算結(jié)果和動態(tài)分析結(jié)果可知,管線最大經(jīng)受4次撞擊和拖扯。撞擊4次概率p=0.000 033,為很少發(fā)生事件,概率等級為2。將數(shù)據(jù)放入表3風(fēng)險矩陣可知,拖網(wǎng)1次撞擊管線的風(fēng)險位于合理可行降低區(qū),4次撞擊拖拽管線的風(fēng)險位于可接受區(qū)。

5 結(jié) 語

海底管線的安全直接關(guān)系到海洋環(huán)境和石油生產(chǎn)的安全,利用概率分析和損傷嚴(yán)重度估計的辦法可以有效地降低近海捕撈作業(yè)對管線的損傷風(fēng)險。本研究對研究海底管線在近海捕撈作業(yè)方面的風(fēng)險評估有一定的參考價值,同時通過分析可知,合理鋪設(shè)管線、減少作業(yè)區(qū)捕魚、定期維修檢測等方法可有效預(yù)防風(fēng)險的發(fā)生。

[1] LIU X T,ZHANG L,GUO Z B.Research on probability of collision assignment to submarine pipeline[J].Petroleum Engineering Construction,2005(6):31-33.劉學(xué)濤,張磊,郭振邦.錨泊作業(yè)對海底管道撞擊概率的研究[J].石油工程建設(shè),2005(6):31-33.

[2] WANG Z M,MI X L,ZHANG C.Study on the impact of construction ship breaking on submarine pipeline[J].Journal of Transport Information and Safety,2010(6):93-95.王再明,米小亮,張超.施工船舶拋錨作業(yè)對海底管道的影響研究[J].交通信息與安全,2010(6):93-95.

[3] ELLINAS C P,WALKER A C.Damage on offshore tubular bracing members[J].[s.n.],1983,73(40):3337-3338.

[4] TAN J,LI H,TIAN BO.Discussion on damage to submarine pipeline caused by accidental breaking[J].Ship&Ocean Engineering,2008(1):142-144.

[5] XIAO H.Quantitative risk assessment of submarine pipeline for trawling[D].Tianjin:Tianjin University,2004.肖輝.海底管線關(guān)于拖網(wǎng)作業(yè)的定量風(fēng)險評估[D].天津:天津大學(xué),2004.

[6] Det Norske Veritas.Cathodic protection of submarine pipelines by galvanic anodes[M/OL].(2016-08-20).https:∥wenku.baidu.com/view/916693eb998fcc22bcd10d40.html.

[7] LOU M,M H Q.Analysis of dynamic response of submarine suspended pipeline based on LS-DYNA[J].Marine Science Bulletin,2015,17(1):34-41.婁敏,明海芹.基于LS-DYNA海底懸空管道受墜物碰撞動力響應(yīng)分析[J].海洋通報,2015,17(1):34-41.