邓彦1 邓峦珲1 刘俊甫2

1.中国石化管道储运有限公司； 2.中石化长输油气管道检测有限公司

 

摘 要：复杂的外部环境容易造成海底管道的损伤和疲劳失效，从而导致危险后果。基于路由检测结果，研究了海底管道风险评估方法，主要针对悬空管段的涡激振动、坐底稳定性和锚击破坏三种风险开展了适用性风险评估。

关键词：海底管道；风险评估；涡激振动；坐底稳定性；锚击破坏

 

 

世界各国对海底油气管道安全都极为重视，为保障其长期安全运行，必须定期进行检测与维护。

1 海底管道路由检测技术

海底管道路由检测技术是常用的管道定期检测技术手段之一，主要是通过多波束测深，获取海底地形数据；利用浅地层剖面仪确定管道的平面位置和埋设深度；采用单波束地形测量与浅地层剖面仪同步进行，获得管道的埋深及高程信息；采用侧扫声呐进行扫测，获取管道掩埋、裸露、悬空的总体分布信息，并与浅地层剖面仪及多波束测深系统获得的管道掩埋、裸露、悬空进行检校，最终确定整个海底管道掩埋、裸露、悬空、冲刷状态等信息。当确定海底管道出现悬空、裸露、偏移问题应开展基于路由检测结果的风险评估。

2 海底管道悬空风险评估

洋流速度相对较大，水流动力较强，使海床表层土质抗冲击能力较弱。海底管段所在海床长期处于骤淤骤冲的环境中，会导致海底管道出现裸露，甚至悬空，失去有效支撑的管道在波浪流作用下，易出现疲劳损坏，严重的导致管道断裂[1]。

2.1 涡激振动（VIV）

涡激振动（Vortex Induced Vibration，简称VIV），是海底管线出现悬跨段后，海流流经管道时在管道后部尾流区周期性泄放漩涡的结果。当其泄放频率与管道固有频率接近时，发生共振现象。此现象使漩涡对管道的拖曳力与举升力作用急剧增加，严重的会导致管道疲劳受损甚至破裂。

2.2 涡激振动评估

（1）漩涡泄放频率

通常海底管道的漩涡泄放频率很低，甚至低于1 Hz ，学术界经过大量研究，给出了经验公式（1）：

fs=St×U /D （1）

式中： fs为漩涡泄放频率， Hz； U为波流流速，m/s； D为管道外径， m； St为斯特罗哈尔数（Strouhalnumber），是流体雷诺数Re的函数（图 1），对于刚性圆柱体， St一般取0.2；流体雷诺数Re=U×D /v，其 中v为运动黏度， m2/s。

 

（2）悬空管道固有频率有限元分析

使用有限元建模计算管道固有频率，规定载荷和边界条件，进行悬跨模态分析，确定结构的固有频率、振型以及振型的参与系数。管道的高阶振动可能会引发管道共振现象。因此，应对悬跨管道多阶的固有频率进行分析（图 2），找出内、外流因素影响下的悬跨管道振动规律。分析过程不能将海底悬空管段完全等同于两端固支约束或简支约束，还应考虑管土耦合的非线性关系。

（3）共振当漩涡的泄放频率接近当前管道的某阶固有频率时，将发生共振，振动释放的能量成指数增长，导致二次应力聚集急速增加，破坏能力也显著增强。通常认为发生共振的条件见式（2）：

fs =(0.8～1.2)fp （2）

式中， fp为当前管道的某阶固有频率， fs是漩涡泄放频率。

即当漩涡泄放频率fs为管道某阶固有频率fp的0.8～1.2倍时，管道将发生共振。

3 坐底稳定性

管道坐底稳定性不足时，将发生漂移并累积应力、应变，会引起管道屈曲，影响管道寿命。

3.1 坐底稳定性受力分析

直接铺设在海床上的管线，由于受到环境水动力载荷作用，导致管道产生竖向或侧向移动。图 3为海底管道稳定性分析受力模型，环境载荷包括作用于管道的水动力载荷（拖曳力、升力和惯性力）、管道沉降产生的侧阻力。

3.2 坐底稳定性评估方法

为了校核管道的水下重量是否满足保持其水下稳定性的要求，采用准静态分析模型[2]，并根据管道稳定性的安全系数FS来确定[3]，见式（3）。一般情况下， FS应小于1，一旦大于1则表示管道的稳定性风险较高，该值越大其风险越高。

FS=γsc (FY+μLFZ)/(μLwtsub+FR) （3）

式中： FS为保证管道稳定性的安全系数； μL为土壤侧向摩擦系数； γsc为安全系数因子，国内海域可取1；wtsub为管道及其运输物质的浸没重力， N；FY为管道受到的最大水平载荷（包括拖曳力及惯性力，考虑管线陷深）， N； FZ为管线受到最大的垂直载荷， N； FR为被动土抗力， N。

4 锚击风险

船舶拖抛锚时可能会撞击海底管道，破坏管道覆盖层，造成管道外部损伤及管道变形缺陷，威胁管道安全。

4.1 锚击分析

锚下落撞击管道存在以下几种情况：

（1）锚的冲击能量非常大，贯穿管道覆盖层，并且破坏混凝土层与管道自身，发生凹陷变形。

（2）锚的冲击能量较大，贯穿管道覆盖层，破坏混凝土层，但是管道自身不变形，混凝土层与覆盖层足以吸收船锚的冲击能量。

（3）锚的冲击能量较小，不能贯穿覆盖层，覆盖层足以吸收锚的冲击能量。

4.2 锚击评估

基于锚击概率，分析落锚对海底管道的冲击能量，结合水深、管道埋深、混凝土配重层厚度与密度、锚重等参数评估管道的抗冲击能力，计算管线可能发生的变形量，最终判定管道是否可承受锚击破坏，见图 4。

（1）抛锚能量分析

计算锚撞击海底管道产生的相应能量，可先假设①锚是坚硬的，撞击时不会发生变形。②锚直接下落，不发生旋转。③撞击能量转移至海底管道的时间很短，接触时冲击能量被土层、配重层和管道的凹坑吸收。

基于以上假设，当锚下落过程中一直处于加速运动，则根据式（4）、式（6）计算锚下落产生的最大动能；当锚下落距离较长，以最终速度v T匀速下落，则按式（5）、式（6）计算锚下落产生的最大动能[4]。

ma =Wsub－Fdrag             （4）

 (m－Vρwater)g =0.5ρwaterCDAvT2 （5）

ET = 0.5mvT2                （6）

式中： m为物体质量， kg； a为物体加速度， m/s2；g为重力加速度， m/s2； Wsub为物体浸没重力， N； Fdrag为流体阻力， N； V为物体体积（排开水体积）， m3；ρwater为海水的密度， kg/m3 ； CD为拖曳力系数； A为锚的前端面积投影面积， m2； vT为锚在水中下落的最终速度， m/s； ET为最终速度时动能， J。

（2）掩埋层吸收的能量

埋设的海底管道受土壤保护，当锚落下后，首先与土壤接触，土壤吸收部分动能，吸收能量的大小与土质及土壤厚度有关。掩埋层吸收能量Ep按式（7）计算：

式中： γ为回填材质的单位有效重量， kN/m3；L 为冲击物棱边的长度， mm； z 为贯入深度， mm；Nγ为承载系数。

（3）混凝土配重层吸收的能量

混凝土配重层覆于海底管道表面，坠落物撞击海底管道时先与其接触，配重层能吸收坠落物撞击所产生的部分能量，进而有效提高海底管道的抗冲击能力，计算公式见式（8）：

Econc=Yconcb h X0 （8）

式中： b 为锚作用于管道时的接触宽度， mm；X0为嵌入深度，校核时一般为混凝土层厚度， mm；Yconc为混凝土抗冲击强度， MPa； h 为锚穿透涂层后在管线中的宽度，定义为截面弦长， mm。

（4）管道凹陷吸收的能量

管道吸收冲击能量的能力计算参考式（9）：

 

式 中 ： mp 为 管 壁 瞬 时 塑 变 能 量(0.25×SMYS×t2)， J； ddent为冲击凹痕深度， m；SMYS为管道材料屈服极限， Pa； t为管壁厚度， m；D为管道钢质层外径， m。

（5）管道变形预测

一般认为，管道所能承受的外部冲击能量等于土壤层(埋设管道需要考虑土壤吸收的能量)、混凝土层以及管道允许冲击凹痕吸收的总能量。即：

ET=Econc+Ep+E （10）

根据式（10）计算出E ，根据式（9）可计算出管道可能的冲击凹痕深度，从而得到管道可能发生的变形量。

当锚击管道产生的最大变形量小于5%时，管道受损伤程度较低，可不进行维修；当大于5%时，管道受损伤程度较高，管道运行具有高风险。

5 结束语

基于海底管道路由检测数据，可以知道管道的悬空长度、裸露情况、埋深情况；可以开展海底管道悬空风险评估以确定管道是否发生共振；开展坐底稳定性评估以确定海底管道运行状态是否会发生超标偏移；开展锚击评估以分析管道产生的最大变形量从而分析管道能否承受锚击破坏。通过这些评估确定管道 运行风险，对于高风险因素应采取相应措施消减风险，确保海底管道安全平稳运行。

 

参考文献：

[1] 朱红卫.海底管道系统管跨涡激振动疲劳可靠度综合评估方法 [J]. 中国海上油气， 2009， 21（2） :133-137.

[2] 曹静. DnVRPF109与AGA海底管道侧向稳定性设计对比研究 [J]. 中国造船， 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：邓彦， 1963年生，教授级高级工程师，中国石化管道储运有限公司，长期从事海底长输管道安全工程和油气储运管理与技术研究。

2019年第4期（总第47期）