海底管道承受風(fēng)險(xiǎn)載荷作用研究

趙 黨，夏日長(zhǎng)，李秀鋒，何 寧，孫國(guó)民

(海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計(jì)公司，天津 300451)

海底管道承受風(fēng)險(xiǎn)載荷作用研究

趙 黨，夏日長(zhǎng)，李秀鋒，何 寧，孫國(guó)民

(海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計(jì)公司，天津 300451)

為保證海底管道在運(yùn)營(yíng)期間的安全性，需要對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)載荷進(jìn)行評(píng)估。首先依據(jù)行業(yè)規(guī)范界定海底管道失效等級(jí)；之后對(duì)不同類型海底管道對(duì)沖擊能量的吸收能力進(jìn)行詳細(xì)分析；最后提出海底管道風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)措施。隨著我國(guó)海底管道建設(shè)的增多，研究海底管道風(fēng)險(xiǎn)載荷作用具有重大的學(xué)術(shù)意義和實(shí)際應(yīng)用意義。

風(fēng)險(xiǎn)載荷；柔性管；臍帶管(纜)；失效等級(jí)

0 引 言

海底管道的運(yùn)營(yíng)安全，為海底石油開(kāi)采提供重要保障。一些海底管道的路由走向跨越船舶航道和漁業(yè)作業(yè)區(qū)域，由人類活動(dòng)引起的偶然風(fēng)險(xiǎn)載荷決定了海底管道在服務(wù)周期內(nèi)是否安全，針對(duì)不同形式的海底管道，評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)載荷的作用具有重要意義。

有2種偶然荷載能導(dǎo)致立管、海管和臍帶管(纜)破壞，即沖擊功(如落物引起)和拖曳力、鉤掛力(如拖網(wǎng)漁船作業(yè)和船舶收放錨引起)。偶然荷載和立管，海管和臍帶管(纜)構(gòu)成復(fù)雜動(dòng)態(tài)、非線性的作用機(jī)制，研究偶然荷載沖擊能量吸收情況，涉及沖擊作用能量大小、作用方式，管材等級(jí)、尺寸、涂層及土壤特性等重要參數(shù)。海管位于松軟介質(zhì)特性海床，對(duì)落物沖擊能功具有良好的吸收功能。拖曳力和鉤掛力的作用，強(qiáng)制海管發(fā)生位移或產(chǎn)生附加彎矩。

1 失效等級(jí)分類

海管失效表現(xiàn)為管線壁厚凹陷、穿孔及承受過(guò)量的彎矩導(dǎo)致穩(wěn)定性失效[1-2]。參照DNV-RP-F107[3]規(guī)范，失效模型將依據(jù)破壞程度(如D1～D3)分類如下：

1)小損傷(D1)。損害程度既不需要修復(fù)，也沒(méi)有導(dǎo)致碳?xì)浠衔镄孤?。碳鋼管壁上小的凹陷，如小?%的管徑，沒(méi)有直接影響海管運(yùn)營(yíng)。只需對(duì)管線進(jìn)行監(jiān)測(cè)和技術(shù)評(píng)定，以確保管線結(jié)構(gòu)的完整性。

小損傷對(duì)于柔性管、臍帶管(纜)、涂層和陽(yáng)極塊的局部損傷，不需要進(jìn)行修復(fù)。

2)中等程度損傷(D2)。損傷需要修復(fù)，但未導(dǎo)致碳?xì)浠衔镄孤?。碳鋼管上凹陷限制了?nèi)部檢測(cè)(如凹陷深度大于5%的碳鋼管管徑)，需要進(jìn)行修復(fù)。

有海水進(jìn)入柔性管和臍帶管(纜)，將導(dǎo)致防腐蝕失效。

當(dāng)需要頻繁通球操作，需要進(jìn)行特殊考慮。對(duì)于這樣管線，大的凹痕將限制通球操作，迫使其停產(chǎn)，這種情況盡管沒(méi)有導(dǎo)致碳?xì)浠衔镄孤?，但損傷將定為嚴(yán)重?fù)p傷(D3)。

3)嚴(yán)重?fù)p傷(D3)。損傷導(dǎo)致碳?xì)浠衔镄孤?。介質(zhì)泄漏情況(如R0～R2)分以下3種：

①無(wú)泄漏(R0)。未導(dǎo)致輸送介質(zhì)泄漏。

②小泄漏(R1)。泄露來(lái)自管壁上的小孔或中孔(壁厚小于80 mm)。管線泄露少量的輸送介質(zhì)，這種泄漏導(dǎo)致管內(nèi)壓強(qiáng)降低或可直接觀察到。

③大泄漏(R2)。泄漏來(lái)自斷裂的海管。完全斷裂將導(dǎo)致海管輸送介質(zhì)泄漏，直至管線被隔離處理。

管線破壞等級(jí)分類用于經(jīng)濟(jì)評(píng)估，泄漏等級(jí)用于對(duì)于人類安全和環(huán)境安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。依照管線結(jié)構(gòu)形式和管線保護(hù)形式對(duì)管線失效等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。管線吸收沖擊能量計(jì)算公式為

(1)

式中：mp=0.25·σy·t2為壁厚彈性模量；δ為管材凹陷深度；t為管材名義壁厚；σy為屈服應(yīng)力；D為管材外徑。

2 海管結(jié)構(gòu)形式

2.1 碳鋼管線

1)沖擊情況

沖擊可導(dǎo)致海管相對(duì)“平緩”的凹陷。這種吸收沖擊能的碳鋼管凹陷計(jì)算見(jiàn)式(1)，凹陷形式如圖1所示。保守分析時(shí)，不考慮管線內(nèi)壓作用。詳細(xì)吸收能量評(píng)價(jià)可借助有限元軟件模擬獲得。

圖1 凹陷預(yù)測(cè)示意圖Fig.1 Schematic of dent prediction

沖擊能增加可導(dǎo)致壁厚失效，海管泄漏。表1列出了針對(duì)不同沖擊形態(tài)碳鋼管的損傷等級(jí)。

表1 碳鋼管的能量吸收和損傷等級(jí)Tab.1 Impact capacity and damage classification of steel pipeline

2)拖曳和鉤掛情況

拖曳(見(jiàn)圖2)和鉤掛(見(jiàn)圖3)可導(dǎo)致管線發(fā)生側(cè)向位移與局部懸跨增大。DNV-RP-F111[4]給出這種情況的分析方法，DNV-OS-F101[5]中給出了針對(duì)屈曲和相關(guān)失效的描述及管線安全判別標(biāo)準(zhǔn)。如果超出規(guī)范的允許范圍，海管將在橫截面處發(fā)生壓潰，或者屈曲失效。

圖2 典型漁網(wǎng)拖曳與海管相互作用示意圖Fig.2 Typical beam trawl gear crossing a pipeline

圖3 典型鉤掛示意圖Fig.3 Sketch of typical hooking scenario

2.2 柔性管線

1)沖擊情況

柔性管結(jié)構(gòu)典型截面形式如圖4所示，其由多層加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和聚合物組合生成。針對(duì)不同柔性管結(jié)構(gòu)形式，需單獨(dú)確定其對(duì)沖擊功的吸收能力。如無(wú)特別說(shuō)明，針對(duì)8″～10″柔性管，可以參考表2確定其吸收能力和損傷等級(jí)。

圖4 柔性管典型截面圖Fig.4 Sketch of typical flexible pipeline cross section

表2吸收能量情況適用于8″～10″柔性管，在一定情況下也可用于其他尺寸柔性管：吸收能力減少25%適用于4″～6″柔性管，吸收能力增加25%適用于12″～14″柔性管。保守設(shè)計(jì)考慮時(shí)，認(rèn)為柔性管不能承受任何損傷，也不能吸收損傷能量。

表2 柔性海管的吸收能量和損傷等級(jí)Tab.2 Impact capacity and damage classification offlexible pipelines

2)拖曳和鉤掛情況

柔性管的拖曳、鉤掛情況和碳鋼管類似，但柔性管將能承受更大的側(cè)向位移和更小的彎曲半徑。

2.3 臍帶管(纜)

臍帶管(纜)典型截面形式如圖5所示，由支撐結(jié)構(gòu)、電纜、護(hù)套、涂層等組成。最易破壞部分是電纜。臍帶管(纜)實(shí)際承受能力要根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求確定。對(duì)于有含有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的臍帶管(纜)，如無(wú)信息提供，可參考表3確定吸收能力和損傷等級(jí)，對(duì)于沒(méi)有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的臍帶管(纜)，表3中所對(duì)應(yīng)的吸收能力應(yīng)相應(yīng)減少。

圖5 臍帶管(纜)典型截面圖Fig.5 Sketch of typical umbilical cross section

作用能量/kJ損傷描述情況概率D1D2D3<25小損傷未導(dǎo)致海水進(jìn)入100025～5損傷需要修復(fù)，部分失效005055～10損傷需要修復(fù)，部分失效0025075>10完全失效001

對(duì)于拖曳或鉤掛作用在臍帶管(纜)情況，可參考柔性管。

臍帶管(纜)自身失效對(duì)于人類安全和環(huán)境安全的影響并不明顯，其主要表現(xiàn)在由于臍帶管(纜)失效所導(dǎo)致的油氣資源輸送停止，易造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

3 保護(hù)措施

3.1 混凝土涂層

混凝土涂層所能吸收沖擊能量是關(guān)于物體沖擊形成凹陷尺寸和混凝土壓碎強(qiáng)度(Y)的公式。普通混凝土壓碎強(qiáng)度是3～5倍的立方體抗壓強(qiáng)度，輕質(zhì)混凝土壓碎強(qiáng)度是5～7倍的立方體抗壓強(qiáng)度。典型方體抗壓強(qiáng)度范圍為35～45MPa。式(2)和式(3)是2個(gè)吸收能量公式。

圖6 混凝土涂層吸收沖擊作用示意圖Fig.6 Impact in concrete coating

(2)

(3)

式中：x0為凹陷深度；b為作用物體寬度；h為長(zhǎng)度；D為管徑。對(duì)于大管徑海管，式(2)相對(duì)保守，用于有凹陷形狀分析。如無(wú)相關(guān)信息資料，對(duì)于45mm厚的混凝土涂層海管受沖擊深度為30mm時(shí)，其吸收能量為40kJ。

3.2 聚合物涂層

聚合物是幾層不同厚度和材質(zhì)物質(zhì)組合形成。其吸收沖擊能量數(shù)值一般由實(shí)驗(yàn)獲得。如無(wú)相關(guān)信息，可參考表4數(shù)據(jù)。

表4 聚合物涂層吸收能量情況Tab.4 Energy absorption in polymer coating

3.3 拋石和自然回填

拋石保護(hù)是海管最常使用的保護(hù)形式?；谌叨葘?shí)驗(yàn)，石塊吸收能量界限計(jì)算公式：Ep=0.5·γ′·D·Nγ·Ap·z+γ′·z2b·Nq·Ap。

(4)

式中：γ′為回填材質(zhì)的單位有效重量；D為海管直徑；Ap為垂直落下管體插入石塊面積；z為落下管體進(jìn)入石塊深度(見(jiàn)圖7)；Nq，Nγ為剪切強(qiáng)度系數(shù)。

圖7 落下管體作用示意圖Fig.7 Sketch of falling pipe

Ap應(yīng)依據(jù)石塊顆粒大小確定，與石塊顆粒相比，屬于小管徑的管體，可取插入管體截面積數(shù)值。相比較管徑，如果石塊顆粒較小，Ap可以采用管徑周長(zhǎng)和石塊顆粒尺寸相乘獲得。剪切強(qiáng)度系數(shù)Nq=99，Nγ=137。回填有效材質(zhì)重量取11kN/m3。對(duì)于其他非管狀物(如集裝箱)作用在石塊上，如下2個(gè)吸收能量公式分別針對(duì)邊作用和角作用情況。

(5)

(6)

式中：sγ為形狀系數(shù)，取0.6；L為作用邊界長(zhǎng)度。

石塊覆蓋不同管體、不同深度時(shí)能量吸收情況如圖8所示。自然回填時(shí)，砂礫的能量吸收能力較石塊小。

圖8 石塊能量界限吸收情況Fig.8 Absorbed energy in gravel

3.4 其他保護(hù)方法

在海管近平臺(tái)處，為防止落物沖擊的影響，在海管或膨脹彎上覆蓋一層混凝土壓塊或者沙包(見(jiàn)圖9)，混凝土壓塊的吸收能量一般取5～20kJ，沙包取5～10kJ。海管穿越特殊路由段時(shí)，采取隧道保護(hù)方式[6]，其保護(hù)形式如圖10所示。針對(duì)船舶錨拖拽力作用，有效方式為將海管埋設(shè)一定深度，具體情況，由過(guò)往船只的錨特性及土壤特性決定。

圖9 混凝土壓塊或沙包保護(hù)示意圖Fig.9 Sketch of concrete mattress/sand bags protected

圖10 隧道保護(hù)示意圖Fig.10 Sketch of tunnel protected

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)上述對(duì)不同形式的海管結(jié)構(gòu)承受風(fēng)險(xiǎn)載荷作用情況分析及保護(hù)措施研究，可得出以下結(jié)論：

1)碳鋼管結(jié)構(gòu)承受沖擊功作用性能優(yōu)于柔性管和臍帶管(纜)，柔性管和臍帶管(纜)承受拖曳和鉤掛載荷能力優(yōu)于碳鋼管；

2)混凝土涂層對(duì)管線保護(hù)強(qiáng)度高于聚合物涂層；

3)對(duì)特殊路由段的海管，拋石、混凝土壓塊和沙包覆蓋保護(hù)能收到良好效果。

對(duì)于海底管道風(fēng)險(xiǎn)載荷評(píng)估是海底管道完整性管理[7]的重要部分，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)載荷評(píng)估，可以規(guī)避和有效控制海底管道運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，保障海底管道運(yùn)營(yíng)期安全?，F(xiàn)在的研究成果多來(lái)自工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)，具有一定的局限性，隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的風(fēng)險(xiǎn)載荷作用強(qiáng)度特性將通過(guò)有限元軟件模擬獲得。

[1] 趙黨，郝雙戶，何寧.海底管道穩(wěn)定性分析[J].北京：艦船科學(xué)技術(shù),2013,35(5):99-102.

ZHAODang,HAOShuang-hu,HENing.Surveyonon-bottomstabilitydesignofsubmarinepipelines[J].BeiJing:ShipScienceandTechnology,2013,35(5):99-102.

[2]DNV-RP-F109,On-bottomstabilitydesignofsubmarinepipelines[S].2011.

[3]DNV-RP-F107,Riskassessmentofpipelineprotection[S].2006.

[4]DNV-RP-F111,Interferencebetweentrawlgearandpipelines[S].2010.

[5]DNV-OS-F101,Submarinepipelinesystems[M].2012.

[6]TIKHONOVVS.Dynamicmodelofpipelineduringpullingindirectionallydrilledhole[J].2005NO.67043:ASME.

[7]DNV-RP-F116,Integritymanagementofsubmarinepipelinesystems[S].2009.

Research on the effects of risk load on subsea pipeline

ZHAO Dang, XIA Ri-chang, LI Xiu-feng, HE Ning, SUN Guo-min

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd,Engineering Company, Tianjin 300451,China)

It is necessary to assess the risk load for the security of subsea pipeline during service life. Firstly, the paper presents the damage classification according to standard. Secondly, analyses energy absorption of impacting objects for different types (steel, flexible, umbilical). Finally, presents different protection methods for the effects of risk load. With the development of subsea pipeline construction in China, the assessment results of the risk load for subsea pipeline design have certain academic and engineering significance.

risk load;flexible pipeline;umbilical;damage classification

2013-06-24；

2013-07-10

2012年天津市濱海新區(qū)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012-BK120004)；2013年行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)資助項(xiàng)目(E-0813X202)

趙黨(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事海底管道設(shè)計(jì)。

TE58

A

1672-7649(2014)06-0063-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.06.012