鄧彥1 鄧巒琿1 劉俊甫2

1.中國石化管道儲運有限公司； 2.中石化長(cháng)輸油氣管道檢測有限公司

 

摘 要：復雜的外部環(huán)境容易造成海底管道的損傷和疲勞失效，從而導致危險后果�；�于路由檢測結果，研究了海底管道風(fēng)險評估方法，主要針對懸空管段的渦激振動(dòng)、坐底穩定性和錨擊破壞三種風(fēng)險開(kāi)展了適用性風(fēng)險評估。

關(guān)鍵詞：海底管道；風(fēng)險評估；渦激振動(dòng)；坐底穩定性；錨擊破壞

 

 

世界各國對海底油氣管道安全都極為重視，為保障其長(cháng)期安全運行，必須定期進(jìn)行檢測與維護。

1 海底管道路由檢測技術(shù)

海底管道路由檢測技術(shù)是常用的管道定期檢測技術(shù)手段之一，主要是通過(guò)多波束測深，獲取海底地形數據；利用淺地層剖面儀確定管道的平面位置和埋設深度；采用單波束地形測量與淺地層剖面儀同步進(jìn)行，獲得管道的埋深及高程信息；采用側掃聲吶進(jìn)行掃測，獲取管道掩埋、裸露、懸空的總體分布信息，并與淺地層剖面儀及多波束測深系統獲得的管道掩埋、裸露、懸空進(jìn)行檢校，最終確定整個(gè)海底管道掩埋、裸露、懸空、沖刷狀態(tài)等信息。當確定海底管道出現懸空、裸露、偏移問(wèn)題應開(kāi)展基于路由檢測結果的風(fēng)險評估。

2 海底管道懸空風(fēng)險評估

洋流速度相對較大，水流動(dòng)力較強，使海床表層土質(zhì)抗沖擊能力較弱。海底管段所在海床長(cháng)期處于驟淤驟沖的環(huán)境中，會(huì )導致海底管道出現裸露，甚至懸空，失去有效支撐的管道在波浪流作用下，易出現疲勞損壞，嚴重的導致管道斷裂[1]。

2.1 渦激振動(dòng)（VIV）

渦激振動(dòng)（Vortex Induced Vibration，簡(jiǎn)稱(chēng)VIV），是海底管線(xiàn)出現懸跨段后，海流流經(jīng)管道時(shí)在管道后部尾流區周期性泄放漩渦的結果。當其泄放頻率與管道固有頻率接近時(shí)，發(fā)生共振現象。此現象使漩渦對管道的拖曳力與舉升力作用急劇增加，嚴重的會(huì )導致管道疲勞受損甚至破裂。

2.2 渦激振動(dòng)評估

（1）漩渦泄放頻率

通常海底管道的漩渦泄放頻率很低，甚至低于1 Hz ，學(xué)術(shù)界經(jīng)過(guò)大量研究，給出了經(jīng)驗公式（1）：

fs=St×U /D （1）

式中： fs為漩渦泄放頻率， Hz； U為波流流速，m/s； D為管道外徑， m； St為斯特羅哈爾數（Strouhalnumber），是流體雷諾數Re的函數（圖 1），對于剛性圓柱體， St一般取0.2；流體雷諾數Re=U×D /v，其 中v為運動(dòng)黏度， m2/s。

 

（2）懸空管道固有頻率有限元分析

使用有限元建模計算管道固有頻率，規定載荷和邊界條件，進(jìn)行懸跨模態(tài)分析，確定結構的固有頻率、振型以及振型的參與系數。管道的高階振動(dòng)可能會(huì )引發(fā)管道共振現象。因此，應對懸跨管道多階的固有頻率進(jìn)行分析（圖 2），找出內、外流因素影響下的懸跨管道振動(dòng)規律。分析過(guò)程不能將海底懸空管段完全等同于兩端固支約束或簡(jiǎn)支約束，還應考慮管土耦合的非線(xiàn)性關(guān)系。

（3）共振當漩渦的泄放頻率接近當前管道的某階固有頻率時(shí)，將發(fā)生共振，振動(dòng)釋放的能量成指數增長(cháng)，導致二次應力聚集急速增加，破壞能力也顯著(zhù)增強。通常認為發(fā)生共振的條件見(jiàn)式（2）：

fs =(0.8～1.2)fp （2）

式中， fp為當前管道的某階固有頻率， fs是漩渦泄放頻率。

即當漩渦泄放頻率fs為管道某階固有頻率fp的0.8～1.2倍時(shí)，管道將發(fā)生共振。

3 坐底穩定性

管道坐底穩定性不足時(shí)，將發(fā)生漂移并累積應力、應變，會(huì )引起管道屈曲，影響管道壽命。

3.1 坐底穩定性受力分析

直接鋪設在海床上的管線(xiàn)，由于受到環(huán)境水動(dòng)力載荷作用，導致管道產(chǎn)生豎向或側向移動(dòng)。圖 3為海底管道穩定性分析受力模型，環(huán)境載荷包括作用于管道的水動(dòng)力載荷（拖曳力、升力和慣性力）、管道沉降產(chǎn)生的側阻力。

3.2 坐底穩定性評估方法

為了校核管道的水下重量是否滿(mǎn)足保持其水下穩定性的要求，采用準靜態(tài)分析模型[2]，并根據管道穩定性的安全系數FS來(lái)確定[3]，見(jiàn)式（3）。一般情況下， FS應小于1，一旦大于1則表示管道的穩定性風(fēng)險較高，該值越大其風(fēng)險越高。

FS=γsc (FY+μLFZ)/(μLwtsub+FR) （3）

式中： FS為保證管道穩定性的安全系數； μL為土壤側向摩擦系數； γsc為安全系數因子，國內海域可取1；wtsub為管道及其運輸物質(zhì)的浸沒(méi)重力， N；FY為管道受到的最大水平載荷（包括拖曳力及慣性力，考慮管線(xiàn)陷深）， N； FZ為管線(xiàn)受到最大的垂直載荷， N； FR為被動(dòng)土抗力， N。

4 錨擊風(fēng)險

船舶拖拋錨時(shí)可能會(huì )撞擊海底管道，破壞管道覆蓋層，造成管道外部損傷及管道變形缺陷，威脅管道安全。

4.1 錨擊分析

錨下落撞擊管道存在以下幾種情況：

（1）錨的沖擊能量非常大，貫穿管道覆蓋層，并且破壞混凝土層與管道自身，發(fā)生凹陷變形。

（2）錨的沖擊能量較大，貫穿管道覆蓋層，破壞混凝土層，但是管道自身不變形，混凝土層與覆蓋層足以吸收船錨的沖擊能量。

（3）錨的沖擊能量較小，不能貫穿覆蓋層，覆蓋層足以吸收錨的沖擊能量。

4.2 錨擊評估

基于錨擊概率，分析落錨對海底管道的沖擊能量，結合水深、管道埋深、混凝土配重層厚度與密度、錨重等參數評估管道的抗沖擊能力，計算管線(xiàn)可能發(fā)生的變形量，最終判定管道是否可承受錨擊破壞，見(jiàn)圖 4。

（1）拋錨能量分析

計算錨撞擊海底管道產(chǎn)生的相應能量，可先假設①錨是堅硬的，撞擊時(shí)不會(huì )發(fā)生變形。②錨直接下落，不發(fā)生旋轉。③撞擊能量轉移至海底管道的時(shí)間很短，接觸時(shí)沖擊能量被土層、配重層和管道的凹坑吸收。

基于以上假設，當錨下落過(guò)程中一直處于加速運動(dòng)，則根據式（4）、式（6）計算錨下落產(chǎn)生的最大動(dòng)能；當錨下落距離較長(cháng)，以最終速度v T勻速下落，則按式（5）、式（6）計算錨下落產(chǎn)生的最大動(dòng)能[4]。

ma =Wsub－Fdrag             （4）

 (m－Vρwater)g =0.5ρwaterCDAvT2 （5）

ET = 0.5mvT2                （6）

式中： m為物體質(zhì)量， kg； a為物體加速度， m/s2；g為重力加速度， m/s2； Wsub為物體浸沒(méi)重力， N； Fdrag為流體阻力， N； V為物體體積（排開(kāi)水體積）， m3；ρwater為海水的密度， kg/m3 ； CD為拖曳力系數； A為錨的前端面積投影面積， m2； vT為錨在水中下落的最終速度， m/s； ET為最終速度時(shí)動(dòng)能， J。

（2）掩埋層吸收的能量

埋設的海底管道受土壤保護，當錨落下后，首先與土壤接觸，土壤吸收部分動(dòng)能，吸收能量的大小與土質(zhì)及土壤厚度有關(guān)。掩埋層吸收能量Ep按式（7）計算：

式中： γ為回填材質(zhì)的單位有效重量， kN/m3；L 為沖擊物棱邊的長(cháng)度， mm； z 為貫入深度， mm；Nγ為承載系數。

（3）混凝土配重層吸收的能量

混凝土配重層覆于海底管道表面，墜落物撞擊海底管道時(shí)先與其接觸，配重層能吸收墜落物撞擊所產(chǎn)生的部分能量，進(jìn)而有效提高海底管道的抗沖擊能力，計算公式見(jiàn)式（8）：

Econc=Yconcb h X0 （8）

式中： b 為錨作用于管道時(shí)的接觸寬度， mm；X0為嵌入深度，校核時(shí)一般為混凝土層厚度， mm；Yconc為混凝土抗沖擊強度， MPa； h 為錨穿透涂層后在管線(xiàn)中的寬度，定義為截面弦長(cháng)， mm。

（4）管道凹陷吸收的能量

管道吸收沖擊能量的能力計算參考式（9）：

 

式 中 ： mp 為 管 壁 瞬 時(shí) 塑 變 能 量(0.25×SMYS×t2)， J； ddent為沖擊凹痕深度， m；SMYS為管道材料屈服極限， Pa； t為管壁厚度， m；D為管道鋼質(zhì)層外徑， m。

（5）管道變形預測

一般認為，管道所能承受的外部沖擊能量等于土壤層(埋設管道需要考慮土壤吸收的能量)、混凝土層以及管道允許沖擊凹痕吸收的總能量。即：

ET=Econc+Ep+E （10）

根據式（10）計算出E ，根據式（9）可計算出管道可能的沖擊凹痕深度，從而得到管道可能發(fā)生的變形量。

當錨擊管道產(chǎn)生的最大變形量小于5%時(shí)，管道受損傷程度較低，可不進(jìn)行維修；當大于5%時(shí)，管道受損傷程度較高，管道運行具有高風(fēng)險。

5 結束語(yǔ)

基于海底管道路由檢測數據，可以知道管道的懸空長(cháng)度、裸露情況、埋深情況；可以開(kāi)展海底管道懸空風(fēng)險評估以確定管道是否發(fā)生共振；開(kāi)展坐底穩定性評估以確定海底管道運行狀態(tài)是否會(huì )發(fā)生超標偏移；開(kāi)展錨擊評估以分析管道產(chǎn)生的最大變形量從而分析管道能否承受錨擊破壞。通過(guò)這些評估確定管道 運行風(fēng)險，對于高風(fēng)險因素應采取相應措施消減風(fēng)險，確保海底管道安全平穩運行。

 

參考文獻：

[1] 朱紅衛.海底管道系統管跨渦激振動(dòng)疲勞可靠度綜合評估方法 [J]. 中國海上油氣， 2009， 21（2） :133-137.

[2] 曹靜. DnVRPF109與AGA海底管道側向穩定性設計對比研究 [J]. 中國造船， 2016， 57（11）： 61-68.

[3] DNV-RP-F109.On-Bottom Stability Design of SubmarinePipelines， 2010.

[4] DNV-RP-F107. Risk Assessment of Pipeline Protection,2017.

 

作者：鄧彥， 1963年生，教授級高級工程師，中國石化管道儲運有限公司，長(cháng)期從事海底長(cháng)輸管道安全工程和油氣儲運管理與技術(shù)研究。

2019年第4期（總第47期）