鄧彥1 鄧巒琿1 劉俊甫2

1.中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司； 2.中石化長(zhǎng)輸油氣管道檢測(cè)有限公司

 

摘 要：復(fù)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(dǎo)致危險(xiǎn)后果�；�于路由檢測(cè)結(jié)果，研究了海底管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，主要針對(duì)懸空管段的渦激振動(dòng)、坐底穩(wěn)定性和錨擊破壞三種風(fēng)險(xiǎn)開展了適用性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

關(guān)鍵詞：海底管道；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；渦激振動(dòng)；坐底穩(wěn)定性；錨擊破壞

 

 

世界各國(guó)對(duì)海底油氣管道安全都極為重視，為保障其長(zhǎng)期安全運(yùn)行，必須定期進(jìn)行檢測(cè)與維護(hù)。

1 海底管道路由檢測(cè)技術(shù)

海底管道路由檢測(cè)技術(shù)是常用的管道定期檢測(cè)技術(shù)手段之一，主要是通過多波束測(cè)深，獲取海底地形數(shù)據(jù)；利用淺地層剖面儀確定管道的平面位置和埋設(shè)深度；采用單波束地形測(cè)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(cè)掃聲吶進(jìn)行掃測(cè)，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(cè)深系統(tǒng)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(dāng)確定海底管道出現(xiàn)懸空、裸露、偏移問題應(yīng)開展基于路由檢測(cè)結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2 海底管道懸空風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

洋流速度相對(duì)較大，水流動(dòng)力較強(qiáng)，使海床表層土質(zhì)抗沖擊能力較弱。海底管段所在海床長(zhǎng)期處于驟淤驟沖的環(huán)境中，會(huì)導(dǎo)致海底管道出現(xiàn)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(xiàn)疲勞損壞，嚴(yán)重的導(dǎo)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VIV），是海底管線出現(xiàn)懸跨段后，海流流經(jīng)管道時(shí)在管道后部尾流區(qū)周期性泄放漩渦的結(jié)果。當(dāng)其泄放頻率與管道固有頻率接近時(shí)，發(fā)生共振現(xiàn)象。此現(xiàn)象使漩渦對(duì)管道的拖曳力與舉升力作用急劇增加，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致管道疲勞受損甚至破裂。

2.2 渦激振動(dòng)評(píng)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)過大量研究，給出了經(jīng)驗(yàn)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(shù)（Strouhalnumber），是流體雷諾數(shù)Re的函數(shù)（圖 1），對(duì)于剛性圓柱體， St一般取0.2；流體雷諾數(shù)Re=U×D /v，其 中v為運(yùn)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(jì)算管道固有頻率，規(guī)定載荷和邊界條件，進(jìn)行懸跨模態(tài)分析，確定結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型以及振型的參與系數(shù)。管道的高階振動(dòng)可能會(huì)引發(fā)管道共振現(xiàn)象。因此，應(yīng)對(duì)懸跨管道多階的固有頻率進(jìn)行分析（圖 2），找出內(nèi)、外流因素影響下的懸跨管道振動(dòng)規(guī)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(jiǎn)支約束，還應(yīng)考慮管土耦合的非線性關(guān)系。

（3）共振當(dāng)漩渦的泄放頻率接近當(dāng)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(shù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致二次應(yīng)力聚集急速增加，破壞能力也顯著增強(qiáng)。通常認(rèn)為發(fā)生共振的條件見式（2）：

fs =(0.8～1.2)fp （2）

式中， fp為當(dāng)前管道的某階固有頻率， fs是漩渦泄放頻率。

即當(dāng)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(wěn)定性

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

3.1 坐底穩(wěn)定性受力分析

直接鋪設(shè)在海床上的管線，由于受到環(huán)境水動(dòng)力載荷作用，導(dǎo)致管道產(chǎn)生豎向或側(cè)向移動(dòng)。圖 3為海底管道穩(wěn)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(cè)阻力。

3.2 坐底穩(wěn)定性評(píng)估方法

為了校核管道的水下重量是否滿足保持其水下穩(wěn)定性的要求，采用準(zhǔn)靜態(tài)分析模型[2]，并根據(jù)管道穩(wěn)定性的安全系數(shù)FS來確定[3]，見式（3）。一般情況下， FS應(yīng)小于1，一旦大于1則表示管道的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)較高，該值越大其風(fēng)險(xiǎn)越高。

FS=γsc (FY+μLFZ)/(μLwtsub+FR) （3）

式中： FS為保證管道穩(wěn)定性的安全系數(shù)； μL為土壤側(cè)向摩擦系數(shù)； γsc為安全系數(shù)因子，國(guó)內(nèi)海域可取1；wtsub為管道及其運(yùn)輸物質(zhì)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(dòng)土抗力， N。

4 錨擊風(fēng)險(xiǎn)

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(píng)估

基于錨擊概率，分析落錨對(duì)海底管道的沖擊能量，結(jié)合水深、管道埋深、混凝土配重層厚度與密度、錨重等參數(shù)評(píng)估管道的抗沖擊能力，計(jì)算管線可能發(fā)生的變形量，最終判定管道是否可承受錨擊破壞，見圖 4。

（1）拋錨能量分析

計(jì)算錨撞擊海底管道產(chǎn)生的相應(yīng)能量，可先假設(shè)①錨是堅(jiān)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(zhuǎn)。③撞擊能量轉(zhuǎn)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(shè)，當(dāng)錨下落過程中一直處于加速運(yùn)動(dòng)，則根據(jù)式（4）、式（6）計(jì)算錨下落產(chǎn)生的最大動(dòng)能；當(dāng)錨下落距離較長(zhǎng)，以最終速度v T勻速下落，則按式（5）、式（6）計(jì)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(shù)； 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(shè)的海底管道受土壤保護(hù)，當(dāng)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(jì)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(zhǎng)度， mm； z 為貫入深度， mm；Nγ為承載系數(shù)。

（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(jì)算公式見式（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(qiáng)度， MPa； h 為錨穿透涂層后在管線中的寬度，定義為截面弦長(zhǎng)， mm。

（4）管道凹陷吸收的能量

管道吸收沖擊能量的能力計(jì)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(yù)測(cè)

一般認(rèn)為，管道所能承受的外部沖擊能量等于土壤層(埋設(shè)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(jù)式（10）計(jì)算出E ，根據(jù)式（9）可計(jì)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(dāng)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(dāng)大于5%時(shí)，管道受損傷程度較高，管道運(yùn)行具有高風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語

基于海底管道路由檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以知道管道的懸空長(zhǎng)度、裸露情況、埋深情況；可以開展海底管道懸空風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以確定管道是否發(fā)生共振；開展坐底穩(wěn)定性評(píng)估以確定海底管道運(yùn)行狀態(tài)是否會(huì)發(fā)生超標(biāo)偏移；開展錨擊評(píng)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。通過這些評(píng)估確定管道 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)因素應(yīng)采取相應(yīng)措施消減風(fēng)險(xiǎn)，確保海底管道安全平穩(wěn)運(yùn)行。

 

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 曹靜. DnVRPF109與AGA海底管道側(cè)向穩(wěn)定性設(shè)計(jì)對(duì)比研究 [J]. 中國(guó)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(jí)高級(jí)工程師，中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司，長(zhǎng)期從事海底長(zhǎng)輸管道安全工程和油氣儲(chǔ)運(yùn)管理與技術(shù)研究。

2019年第4期（總第47期）