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.中石化長輸油氣管道檢測有限公司

 

摘 要：復雜的外部環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。基于路由檢測結果，研究了海底管道風險評估方法，主要針對懸空管段的渦激振動、坐底穩定性和錨擊破壞三種風險開展了適用性風險評估。

關鍵詞：海底管道；風險評估；渦激振動；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，為保障其長期安全運行，必須定期進行檢測與維護。

1 海底管道路由檢測技術

海底管道路由檢測技術是常用的管道定期檢測技術手段之一，主要是通過多波束測深，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行，獲得管道的埋深及高程信息；采用側掃聲吶進行掃測，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、懸空進行檢校，最終確定整個海底管道掩埋、裸露、懸空、沖刷狀態等信息。當確定海底管道出現懸空、裸露、偏移問題應開展基于路由檢測結果的風險評估。

2 海底管道懸空風險評估

洋流速度相對較大，水流動力較強，使海床表層土質抗沖擊能力較弱。海底管段所在海床長期處于驟淤驟沖的環境中，會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（VIV）

渦激振動（Vortex Induced Vibration，簡稱VIV），是海底管線出現懸跨段后，海流流經管道時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，發生共振現象。此現象使漩渦對管道的拖曳力與舉升力作用急劇增加，嚴重的會導致管道疲勞受損甚至破裂。

2.2 渦激振動評估

（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 ，學術界經過大量研究，給出了經驗公式（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，進行懸跨模態分析，確定結構的固有頻率、振型以及振型的參與系數。管道的高階振動可能會引發管道共振現象。因此，應對懸跨管道多階的固有頻率進行分析（圖 2），找出內、外流因素影響下的懸跨管道振動規律。分析過程不能將海底懸空管段完全等同于兩端固支約束或簡支約束，還應考慮管土耦合的非線性關系。

（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，將發生共振，振動釋放的能量成指數增長，導致二次應力聚集急速增加，破壞能力也顯著增強。通常認為發生共振的條件見式（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，管道將發生共振。

3 坐底穩定性

管道坐底穩定性不足時，將發生漂移并累積應力、應變，會引起管道屈曲，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，由于受到環境水動力載荷作用，導致管道產生豎向或側向移動。圖 3為海底管道穩定性分析受力模型，環境載荷包括作用于管道的水動力載荷（拖曳力、升力和慣性力）、管道沉降產生的側阻力。

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足保持其水下穩定性的要求，采用準靜態分析模型[2]，并根據管道穩定性的安全系數FS來確定[3]，見式（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險較高，該值越大其風險越高。

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的浸沒重力， N；FY為管道受到的最大水平載荷（包括拖曳力及慣性力，考慮管線陷深）， N； FZ為管線受到最大的垂直載荷， N； FR為被動土抗力， N。

4 錨擊風險

船舶拖拋錨時可能會撞擊海底管道，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，計算管線可能發生的變形量，最終判定管道是否可承受錨擊破壞，見圖 4。

（1）拋錨能量分析

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

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

ma =Wsub－Fdrag             （4）

 (m－Vρwater)g =0.5ρwaterCDAvT2 （5）

ET = 0.5mvT2                （6）

式中： m為物體質量， kg； a為物體加速度， m/s2；g為重力加速度， m/s2； Wsub為物體浸沒重力， N； Fdrag為流體阻力， N； V為物體體積（排開水體積）， 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為最終速度時動能， 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，土壤吸收部分動能，吸收能量的大小與土質及土壤厚度有關。掩埋層吸收能量Ep按式（7）計算：

式中： γ為回填材質的單位有效重量， kN/m3；L 為沖擊物棱邊的長度， 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先與其接觸，配重層能吸收墜落物撞擊所產生的部分能量，進而有效提高海底管道的抗沖擊能力，計算公式見式（8）：

Econc=Yconcb h X0 （8）

式中： b 為錨作用于管道時的接觸寬度， mm；X0為嵌入深度，校核時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中的寬度，定義為截面弦長， 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 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生的變形量。

當錨擊管道產生的最大變形量小于5%時，管道受損傷程度較低，可不進行維修；當大于5%時，管道受損傷程度較高，管道運行具有高風險。

5 結束語

基于海底管道路由檢測數據，可以知道管道的懸空長度、裸露情況、埋深情況；可以開展海底管道懸空風險評估以確定管道是否發生共振；開展坐底穩定性評估以確定海底管道運行狀態是否會發生超標偏移；開展錨擊評估以分析管道產生的最大變形量從而分析管道能否承受錨擊破壞。通過這些評估確定管道 運行風險，對于高風險因素應采取相應措施消減風險，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，長期從事海底長輸管道安全工程和油氣儲運管理與技術研究。

2019年第4期（總第47期）