余志兵， 何 寧， 潘悅然， 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行拋石或覆蓋水泥壓塊等保護方式以防止過往船舶落錨風險[1-3]。國內不少學者[4-6]針對管道的機械保護方式開展大量的數值分析和試驗研究。拋石防護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航道進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，同時水泥壓塊因其離散式結構對船錨沖擊能量的吸收效果不明顯，且如果用于防護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，一種柔性防護墊開始大量應用于海洋工程。該防護墊由瀝青混合料、碎石和鋼絲骨架等構成，為一種新型海底管道抗應力沖擊及壓載材料，具有柔性、抗撞擊性和抗壓性等特點。該柔性防護墊如圖1所示。作為海底管道的力學保護層，柔性防護墊可減小管道上層的碎石回填厚度，能夠達到長期有效防護的目的，而且可滿足航道疏浚要求并減少施工費用[7]。

圖1 柔性防護墊

本文針對渤海某項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，研究海底管道在拋石保護、柔性防護墊保護及兩者組合保護等多種保護形式下的受力行為，以此獲得拋錨條件下管道承受的局部軸力和彎矩，并依據設計規(guī)范對管道強度進行評估。對比分析結果，給出穿航道海底管道最優(yōu)防護方案，為工程設計與施工提供依據。

1 穿航道海底輸油管道及其保護方式

該穿航道海底管道為雙層保溫管，內外管尺寸為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。各層相關設計參數如表1所示。管道輸送介質為油、水混輸，其密度為936 kg/m3。管道內腐蝕裕量為3 mm。設計壓力和溫度分別為7.1 MPa、85 ℃，安裝溫度為18.1 ℃。

表1 雙層管道結構參數

航道設計為通行10萬噸級船舶，考慮浚深后航道的設計底高程至-17.0 m，管頂高程為-19.0 m，因此管道上方僅有2.0 m的防護覆蓋厚度。為了確定管道保護層的最優(yōu)設計，擬采用5種設計組合方案(見表2)，并開展模型試驗對防護方案進行驗證與研究。對應的管溝截面及管頂保護層如圖2和圖3所示。

表2 保護設計方案

單位：m圖2 拋石防護方案

單位：m圖3 組合防護方案

2 物理模型試驗

2.1 模型設計與制作

試驗模型遵照重力相似準則設計，結構尺寸滿足幾何相似。管道在試驗過程中固定在試驗水池內，并且保證其在波浪作用下不發(fā)生位移。根據試驗結構方案、水深條件、試驗場地和現有設備性能等確定落錨試驗模型的幾何比尺為1.00∶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。

(2) 管線彈性模擬。由于落錨試驗主要測量管線受力和應力-應變數據，因此可采用聚氯乙烯管加工制作。

(3) 船錨模擬。船錨根據錨型和錨重采用消失模金屬澆鑄加工。

(4) 柔性護墊模擬。柔性護墊參考原型結構，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 落錨試驗方法

設計落錨高度為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量管道的落錨沖擊力，在管道表面布設玻璃光柵應力-應變傳感器以測量管道的應變。為節(jié)省試驗周期，試驗中同時在模型中2個位置處分別鋪設應力-應變和總力測量模型，試驗布置如圖4所示。

圖4 應力-應變和總力測量布置方式

將7個玻璃光柵應力-應變傳感器以250 mm間隔布置在管道模型上，并在每個位置以環(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(左側面)和R(右側面)等4個方向，用以采集管道上下左右4個表面的應變數據。具體布置如圖5所示。

圖5 應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，在遠離落錨區(qū)域的區(qū)域間隔適當增加至100 mm。

具體實施步驟如下：

(1) 將安裝光纖的管道平放在一定厚度的細砂中，管道最上方與砂面保持平行，然后在砂層上方按試驗工況堆放塊石層或柔性防護墊。試驗模型分別如圖6和圖7所示。

圖6 無柔性防護墊落錨試驗模型

圖7 有柔性防護墊落錨試驗模型

(2) 調節(jié)落錨裝置位置，使錨塊的下落點對準管道中間。

(3) 將光纖連接至光纖光柵調解器和計算機，對光纖應變進行整零處理，在松開錨塊之前開始記錄管道應變數據和總力數據。

(4) 改變墊層類型或厚度、落錨高度，進行下一組試驗。

2.3 落錨試驗分析結果

調整船錨懸掛高度，根據項目所在位置的水深，選擇20 m作為落錨高度。調整錨模型的拋出位置，使錨落在管道頂部。與此同時，記錄各測點相應的動應變時程數據。具體試驗工況下測量得到的數據如表3所示。

表3 落錨試驗分析結果

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

3 管道強度校核

3.1 載荷控制準則

根據DNV-OS-F101規(guī)范[8]，經受彎矩、有效軸力和內部超壓力作用的管道所有的橫截面設計應滿足如下條件：

(1)

式中：γm為材料抗力因子；γSC為安全等級抗力因子；Msd為設計彎矩；αc為考慮應變硬化的流動應力參數；Mp為塑性彎矩抗力；t2為管道壁厚(安裝期為名義壁厚，操作期考慮內腐蝕后的壁厚)；Ssd為設計有效軸向力；pi為內壓；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計應滿足以下條件：

(3)

式中：pmin為管道能經受的最小內部壓力；pc為特征壓饋壓力。

式(3)適用于15≤D/t2≤45、Pi

3.2 管道強度評估

根據管道受落錨沖擊后測定的應變，推算出海底管道承受的軸力和彎矩。然后根據DNV規(guī)范的載荷控制準則進行強度校核。當內外管計算得到的UC值均小于1.00時，可認為管道是安全的。5種保護方案對應的內外管強度校核結果如表4和表5所示。

由表4和表5可知：采用各類保護方案的管道強度校核UC值均小于1.00，但采用拋石方案(即無柔性防護墊層)和1層柔性防護墊層方案計算得到的內管UC值偏大(超過0.95)，設計安全裕量較低；采用2層柔性防護墊層另加1.5 m層拋石方案對應的安全因數較大(此時UC值為0.79)，因此推薦該保護方案作為本項目穿航道海底管道的力學保護方案。

表4 內管強度校核結果

表5 外管強度校核結果

4 結 論

介紹穿航道海底管道常用的防落錨力學保護方案，如拋石回填和水泥壓塊。引入一種新型防護結構物——柔性防護墊，并針對某工程實例開展柔性防護墊的物理模型試驗。由試驗測定的管道受力、應變和強度評估結果，得出如下結論：

(1) 穿航道海底管道上方采用施加2層防護墊(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營，同時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結構，與內充連續(xù)介質的柔性防護墊相比，所吸收落錨的沖擊能量更小。

(3) 作為新型抗外力防護產品，柔性防護墊具有較強的吸收能量。另外，柔性防護墊具有自身結構柔性及質量小等特點，可更好地包裹在被保護管道周圍，有效降低外力對管道造成的損傷與失效。