海底输气管道力学保护分析

海底输气管道力学保护分析

张鹏宇

（中国石油天然气管道工程有限公司天津分公司，天津）

摘要：随着海洋油气的大力开发，海底油气管道得到越来越广泛的使用。相比于陆地管道，海底管道失效后，修复极为困难。浅海输气管道作为海底油气管道重要的组成部分，受第三方活动造成的坠物撞击破坏的可能性大。因此有必要对管道的坠物碰撞损伤进行定量分析，以寻求合理的防护措施，保障管道的安全运行。

关键词：海底输气管道；力学保护；埋深；

引言

关于海底管道埋深的研究，二十世纪七八十年代国外学者便开始进行探索，研究结果也被写入相关法规和规范，主要有挪威船级社（DNV）规范、ISO标准、加拿大国家标准、澳大利亚国家标准和日本国家标准。不同国家标准规范对不同海域管道埋设深度规定不同，本文主要应用DNV RP-F107 Risk Assessment of Pipeline Protection对海底输气管道埋深和损伤程度进行初步校核。

1管道数据

海底输气管道分析模型设计压力为2.5MPa，采用Φ762×19.05mm API 5L PSL2 X60 螺旋埋弧焊钢管；为保护海底管道免受抛锚锚击、拖锚等因素的破坏，海底管道采用全程挖沟埋设，本报告根据最小保护层厚度和锚击贯入深度校核管道设计埋深与对海底管道的损害程度。

2抛锚撞击相关理论研究

2.1分析假设

针对抛锚的海底管道保护设计，进行如下假设：

根据《钢制海船入级规范》，3万吨的油轮干舷一般为5m，因此假设锚从海面上5m的空中坠落；

坠落的锚视为细长形物体来考虑其在海水中的行为；

坠锚的冲击能量首先被回填层或混凝土连锁排吸收，后被海底管道吸收。

2.2锚的冲击能量

锚从船舶上以自由落体形式下落至海平面时的速度V0可根据能量守恒定律计算，即：

式中：

g —重力加速度，m/s²；

h0—锚至水面距离，m。

锚入水后的运动形式可通过下式描述：

式中：

M—锚的质量，kg；

W—锚的浮重，等于锚在空气中的重力减浮力，N；

v—锚在水中的运动速度，m/s；

FD—海水对锚的阻力，N。

将相关参数带入上述微分方程得如下表达式：

式中：

U —锚的体积，m³；

ρS—锚的密度，kg/m³；

ρS—海水的密度，kg/m³；

Z  —锚落入水中的深度，m；

CD—阻力系数，无量纲；

AF—锚的前端面面积，㎡；

v—锚落入水中深度为z时的速度，m/s。

求解上述微分方程，可得锚落入水中深度为z时的速度为：

代入相关参数，可求解出锚降落到海床表面时的最终速度VT。

坠落物体的有效冲击能量EE的计算方法如下：

式中：

ET—物体动能，kJ；

EA—增加水动力质量的能量，kJ；

m—物体质量，kg；

ma—增加的质量，kg；

VT—物体贯穿海水的终点速度，m/s。

2.3回填层吸收能量

堆石保护层可以有效降低由于锚直接冲击对管道造成的损伤。根据DNV-RP-F107，坠落物体贯穿回填保护层的能量吸收计算方法：

式中：

Ep—回填保护层的吸收能量，kJ；

γ—回填材料单位有效重量，块石取11kN/m；

D—坠落物的直径，m；

Ap—坠落物的接触面积，㎡；

Z —贯穿深度，m；

Nq, Nγ—承载力因子。

依据规范DNV-RP-F107，回填砂层对坠落物的冲击阻力是块石回填层冲击阻力的2%-10%。因此，在本分析中的机械回填层采用2%块石回填层的冲击阻力进行计算，粗砂回填层采用5%块石回填层的冲击能量进行计算。

2.4钢管对锚冲击能量的吸收能力

若管道裸露于海底，其上无覆盖层或混凝土保护层，则落锚的冲击能量全由钢管吸收。根据DNV-RP-F107，钢管吸收落锚的冲击能量按下式计算：

式中：mp—钢管壁的塑性抗弯能力，；

δ—凹坑深度，m；

t—钢管壁厚，m；

σy—钢管屈服强度，Pa；

D—钢管外径，m。

3计算结果

3.1最小保护层厚度分析结果

将海底管道埋到海床的锚贯穿深度以下，以避免锚拖曳和刮钩的情况发生。根据上文所述的分析方法，对于设计锚尺寸，海底管道的最小保护层厚度分析结果如下表3-1所示.

表3-1 避免锚拖曳的最小保护层厚度

3.2抛锚结果分析

（1）海底管道锚击分析结果

在进行回填段管道锚击分析时，考虑管顶以上2.0m粗砂覆盖、1.5m原土回填和0.8m原土回填三种埋设情况。三种情况下管道受落锚冲击的计算结果见表3-2、表3-3和表3-4所示。

表3-2 粗砂回填2.0m锚贯入深度计算结果

表3-3 机械回填1.5m锚贯入深度计算结果

表3-4 机械回填0.8m锚贯入深度计算结果

根据DNV-RP-F107，裸露管道直接受落锚冲击所形成凹坑与管径比值δ/D允许的最大值为5%。由以上分析结果可知，粗砂回填2.0m时覆盖层可以承受10.5t重霍尔锚（3万吨级船舶）的冲击，原土回填1.5m时管道最大能承受3.3t重霍尔锚的冲击，原土回填0.8m时管道最大能承受1.44t重霍尔锚的冲击。

（2）未回填海底管道锚击分析结果

未回填管线受落锚冲击的计算结果见表3-5。

表3-5 未回填海底管道锚贯入深度计算结果

根据DNV-RP-F107，裸露管道直接受落锚冲击所形成凹坑与管径比值δ/D允许的最大值为5%。由上表可知，不进行人工回填自然回淤的管道最大能承受0.78t重霍尔锚的冲击。建议在海底管道未进行人工回填时，在海底管道周边采取警示措施，避免海底管道受到锚击等破坏。

(3) 交越段海底管道锚击分析结果

位于交越段的新建海底管道上方，采用混凝土连锁排进行覆盖，其由尺寸为300mm×300mm×300mm的混凝土方块构成。在进行抛锚保护分析时，混凝土连锁排视为等同厚度的混凝土配重层进行考虑，落锚的冲击能量将由其首先吸收，计算结果如下表所示。

表3-6 交越段海底管道锚贯入深度计算结果

根据DNV-RP-F107，裸露管道直接受落锚冲击所形成凹坑与管径比值δ/D允许的最大值为5%。由上表可知，交越段的新建海底管道能够承受10.5t重霍尔锚的冲击。

4结束语

根据上述分析可知：

1）粗砂回填2.0m时，覆盖层可以承受10.5t霍尔锚（3万吨级船舶）的冲击，且满足防止其拖曳的最小保护层厚度要求；

2）原土回填1.5m时，管道最大能承受3.3t霍尔锚的冲击，且满足防止其拖曳的最小保护层厚度要求；

3）原土回填0.8m（+自然回淤0.7m）时，管道最大能承受1.44t霍尔锚的冲击，且满足1.44t霍尔锚的最小保护层要求；

4）在海底管道未进行人工回填时，海底管道最大能承受0.78t重霍尔锚的冲击，建议采取相应警示措施避免海底管道受到锚击等破坏；

5）对于位于交越段的新建海底管道能够承受10.5t重霍尔锚的冲击。

参考文献：

[1]刘欢，冯梅芳，张文海.抛锚作业撞击海底管道的影响分析[J].石油工程建设，2012，38（1）：21-23

[2]张磊.基于船舶应急抛锚的海底管道埋深及保护研究[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[3]王迎松.锚泊贯入量的研究[D].辽宁大连：大连海事大学，2015.