海底管道在波浪和水流沖擊下的斷裂事故分析

海底管道在波浪和水流沖擊下的斷裂事故分析

0海底管線5年發(fā)生事故海底管道是海洋氣壓開發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分，被稱為海洋氣田的生命線。有限公司現(xiàn)有海底管線252條,約4988km,直徑從2到30in,這些海管承擔(dān)著81個(gè)海上油氣田輸送油氣的重要任務(wù),有的道線曾經(jīng)出現(xiàn)因懸跨過長而使海管泄漏和斷裂的事故,如東海海域的平湖油氣田海底管線,分別于1998年、2000年及2001年出現(xiàn)懸空過長導(dǎo)致泄漏事故,而2000年10月在兩次臺(tái)風(fēng)襲擊下因波流沖刷失效的事故中,油氣田被迫停產(chǎn)178天,上海浦東天然氣供應(yīng)幾乎中斷,損失近8000萬元人民幣;埕北油田海底管線,在2002年10月發(fā)生疲勞斷裂,導(dǎo)致2個(gè)多月的停輸;中石化勝利埕島油田,2003年～2009年,該區(qū)域海底管線沖刷懸空嚴(yán)重,海管懸空段多次出現(xiàn)部分管段破裂,造成泄漏。另外,現(xiàn)服役的番禺30-1海底管道、東方1-1海底管道、樂東海底管道、南堡35-2海底管道、歧口18-1海底管道、杭州灣冊(cè)子島一鎮(zhèn)海原油管道目前存在不同程度的懸空,海懸空隱患如不及時(shí)治理,將對(duì)生產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響,因此工程技術(shù)人員有必要了解海底管道懸跨產(chǎn)生的原因、安全評(píng)估方式、危害以及懸跨處理的方法。1海底管道懸跨的原因由于海洋環(huán)境及海床的復(fù)雜特點(diǎn)和人類海洋活動(dòng)的增加,造成海底管道懸跨的原因各異,主要原因有海床不穩(wěn)定、海底地形不平坦、海床侵蝕、結(jié)構(gòu)物存在以及殘余應(yīng)力或熱應(yīng)力引起拱起懸跨等。1.1海床遷移和大面積遷移不穩(wěn)定的海床地質(zhì)條件往往會(huì)使海底管道遭到嚴(yán)重的破壞,即使是掩埋的管線也在所難免。造成這種海床變化和大面積遷移的可能原因有地震、沖蝕、異常潮流、波浪和沙波沙脊等。如東方登陸管線,在路由經(jīng)過沙波沙脊段臺(tái)風(fēng)前后懸跨發(fā)生變化(圖1)。1.2質(zhì)條件類型化后的懸跨類型海底管線在布置過程中,不可避免的要經(jīng)過一些特殊地形和地質(zhì)條件的地區(qū),會(huì)形成一種懸跨類型。此種懸跨類型由于途經(jīng)的地區(qū)地形、地質(zhì)的差別,其表現(xiàn)形式也略有差別。最常見的便是管線經(jīng)過凹凸不平的海床表面所形成的懸跨(如圖2～圖4):1.3上層覆蓋層磷流系統(tǒng)潮流或波浪會(huì)使管道周圍受到?jīng)_刷,管道上的覆蓋層可能會(huì)被沖刷掉,管線失去上層覆蓋層的錨固作用和土壤的剪切力,就暴露在波浪沖擊的動(dòng)態(tài)作用下,造成管道懸跨(如圖5),如勝利油田埕北11D平臺(tái)膨脹彎沖刷懸空達(dá)58m(如圖6),樂東登陸管道在KP69.5處沖刷懸空達(dá)97.53m(如圖7)。1.4管道懸跨的變化在海底管道附近開挖航道、挖沙作業(yè)、圍海造地以及橋梁橋墩建設(shè),對(duì)管道周圍水文條件影響較大,破壞了泥沙沖淤的平衡,在一定程度上改變了原海床或河床的自然規(guī)律,會(huì)使管道出現(xiàn)懸跨。如中石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司的嵐山海底管道,由于舟山大橋以及周圍圍墾等構(gòu)筑物的建設(shè),致使該海底管道在靠近鎮(zhèn)海嵐山段有8處懸空,最大懸空高度0.8m,最大懸跨為19.6m;在拐彎處均有一處懸空長度19m,最大懸空高度0.5m。1.5海底管道本身的抗沖刷能力風(fēng)暴在淺水域海床附近產(chǎn)生相當(dāng)大的流速,如果這段海床是由可沖刷攜帶物組成,那么沉積物的動(dòng)態(tài)平衡就會(huì)不穩(wěn)定,也會(huì)有沉積物被沖刷或淤積的現(xiàn)象,海底管道本身會(huì)裸露或懸跨,如渤南終端登陸海管在淺灘段因風(fēng)暴潮出現(xiàn)懸跨(如圖8)。1.6海底管道的懸跨段海底管線在鋪設(shè)和輸運(yùn)過程中,由于殘余應(yīng)力及傳輸時(shí)的熱應(yīng)力變化等原因,會(huì)使得管線的某些局部產(chǎn)生“屈曲”現(xiàn)象,這些“屈曲”現(xiàn)象也會(huì)使海底管道的部分管線出現(xiàn)懸跨段(如圖9)。這種類型的懸跨與管道的重量、強(qiáng)度及管道局部應(yīng)力大小等因素密切相關(guān),發(fā)生此種懸跨的海管比較少。2懸索及黑市管道懸索的危害及其安全評(píng)估方法2.1環(huán)境危險(xiǎn)因素海底管道發(fā)生懸跨后,會(huì)發(fā)生變形、破裂、斷裂,污染海洋環(huán)境,其危險(xiǎn)主要有:(2)在水流作用下產(chǎn)生渦激共振,引起配重層等附屬結(jié)構(gòu)破壞、鋼管破裂或斷裂;(4)破壞后果是引起油氣泄漏,污染海洋環(huán)境,甚至引發(fā)生態(tài)災(zāi)難。2.2海底管道安全評(píng)估產(chǎn)生懸跨的海底管道在海流及海浪的沖刷下,產(chǎn)生渦激共振,一旦這種振動(dòng)引起的動(dòng)應(yīng)力超過疲勞極限,管道就會(huì)在懸跨最嚴(yán)重的部分產(chǎn)生應(yīng)力集中,以至產(chǎn)生疲勞裂紋,當(dāng)海底管道局部位置超過一定的屈服極限.就極有可能斷裂.引發(fā)原油外漏等海上重大污染事故,不僅造成經(jīng)濟(jì)損失也會(huì)產(chǎn)生惡劣的社會(huì)影響。因此應(yīng)對(duì)出現(xiàn)懸跨的海底管道進(jìn)行安全評(píng)估,以確認(rèn)是否需要處理。海底管道懸跨的長度是決定管道靜、動(dòng)響應(yīng)程度的關(guān)鍵因素。在工程設(shè)計(jì)中考慮到懸跨長度對(duì)管道彎曲變形以及管道固有頻率的影響,對(duì)懸跨問題的評(píng)估采取以下方式:(1)海底管道懸跨靜力分析及安全評(píng)價(jià)(3)海底管道懸跨流激渦旋振動(dòng)分析(4)海底管道懸跨渦激共振評(píng)估及疲勞分析3海底管道懸跨處理為了將海底管道懸跨潛在的危險(xiǎn)減小到最低程度,需要采取相應(yīng)措施來對(duì)海底管道懸跨進(jìn)行處理,海底管道的處理方法包括、砂袋回填法、灌漿填充法、機(jī)械支架法、拋填礫石法、重物壓載法、人工海草法、后挖溝法、樁支撐法和阻流板自埋法。3.1充填砂袋采用砂袋回填(如圖10)的方法用來支撐海底管道的懸跨段,通常這是最簡單、經(jīng)濟(jì)的處理方法。過去在北海海域的經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)表明,傳統(tǒng)的沙袋對(duì)于保護(hù)海底管道不受機(jī)械損傷,效果不是很好,而在墨西哥灣沿海海域工作經(jīng)驗(yàn)表明,使用沙和水泥的混合物是一種行之有效的辦法。回填的水泥砂袋中裝一定比例的粗砂和水泥,每個(gè)砂袋的重量應(yīng)在潛水員或ROV的操控能力范圍內(nèi)。在回填砂袋過程中,由潛水員或ROV對(duì)砂袋進(jìn)行整理,保證管道懸跨段底部支撐點(diǎn)填滿砂袋。對(duì)于海洋平臺(tái)100米范圍內(nèi)的海底管道,應(yīng)采用砂袋將懸跨段全部回填,并在管道上方采用混凝土壓塊覆蓋,提高覆蓋層抗沖刷和抗外部沖擊的能力。3.2聚丙烯材料灌漿填充法(如圖11)可由潛水員或ROV來完成。采用聚丙烯材料按照管道的懸跨高度制成一個(gè)A型袋,潛水員或ROV將其安裝在懸跨管道下方,水面上的工作船通過灌漿管線將水泥漿注入A型袋中,使其擴(kuò)充,從而起到支撐作用。3.3懸跨段懸跨的影響機(jī)械支架法(如圖12)是一種動(dòng)態(tài)支撐方法。在許多情況下,要用專門設(shè)計(jì)的主動(dòng)型(可調(diào)節(jié)高度)支架來縮減懸跨段的跨距,因?yàn)閼铱缍沃潞５讻_刷程度不同,管道的懸跨高度也隨之發(fā)生變化。在懸跨管道底部按預(yù)定間距放置鋼結(jié)構(gòu)支架.這些支架可將管道升高到所需高度,鋼結(jié)構(gòu)支架和管道之間的連接采用管托,以避免對(duì)管道造成破壞。通過在支架上放置配重塊可以抵抗側(cè)向力。采用這種方法時(shí).管道懸跨一般為2m～3m左右,而且海床須具有一定的承載力。3.4海底懸跨段的保護(hù)拋填礫石法(圖13)是指通過工作船向管道上拋填礫石和石子等材料,可以防止懸跨的繼續(xù)惡化和防止旋渦沖刷,這種方法還可以抑制現(xiàn)有懸跨段的擺動(dòng)。如果海底懸跨段不是很高(0.5～1.5m)采用該方法可以保護(hù)整個(gè)懸跨段。如果海床的承載能力不足以支撐傾倒材料,則該方法不可取。對(duì)于深水區(qū),最有效的方法是通過安裝導(dǎo)向管進(jìn)行拋石。導(dǎo)向管的下端保持在管線之上3～5m,通過高精度導(dǎo)航定位設(shè)備或磁力探測(cè)裝置,將船舶控制在管道的路由上方,保證回填的質(zhì)量。在海底管道懸跨段上下部位拋填石塊,石塊大小由環(huán)境條件計(jì)算決定,要做到石塊既不能被沖刷移位,又有良好的返濾作用。3.5懸跨段較長的管道在海床相對(duì)比較穩(wěn)定的深水中,混凝土或?yàn)r青壓塊更適合用來保護(hù)管線懸跨段。如果懸跨段較長而懸跨高度較低(厘米級(jí)),則在管道可承受的應(yīng)力范圍內(nèi),利用壓塊給管線加壓力(負(fù)浮力),使之貼近海底(即將管線壓回海底)。為了充分發(fā)揮沉床的作用,重物壓載法(如圖14)應(yīng)根據(jù)管道的直徑設(shè)計(jì)壓塊的尺寸。3.6固定沙丘和泥沙人工海草法(如圖15)的基本思路是陸上人們用植被進(jìn)行防風(fēng)固沙的技術(shù)。幾個(gè)世紀(jì)以來,人們即利用種草來將沙丘和流沙固定下來。將這個(gè)原理的適用范圍延伸到海底,發(fā)明了利用人工海草“捕捉”泥沙沉積的技術(shù)。將人工草安裝在配重的網(wǎng)墊上,通過潛水員將其錨固在海底管道兩側(cè),利用它來減緩管道附近的局部流速和湍流,從而不僅阻止了侵蝕作用,還使得人工合成海草葉之間的沙質(zhì)沉積物不斷堆積下來,達(dá)到回淤的效果。3.7非接觸式水力噴射挖溝機(jī)通過后挖溝法(如圖16)將懸跨管道掩埋在穩(wěn)定的海床層面中,通過人工或自然力量進(jìn)行溝渠回填。對(duì)于運(yùn)行中的海底管道,建議采用非接觸式水力噴射挖溝機(jī),其主要工作流程如下:挖溝機(jī)就位在海底管道上方2m左右,開啟挖溝機(jī),高壓水噴擊管道底部的泥土,形成管道溝渠;絞動(dòng)工作船的牽引錨泊系統(tǒng),帶動(dòng)挖溝機(jī)前進(jìn);管道懸跨一定距離后,在自重作用下沉入溝底;利用水流作用,管道溝渠自動(dòng)回淤至海床的初始狀態(tài)。在挖溝過程中,為了確保挖溝機(jī)沿著海底管道實(shí)際路由行進(jìn),控制挖溝深度,應(yīng)在挖溝機(jī)上安裝水下聲納監(jiān)控系統(tǒng)。3.8深層土壤振動(dòng)對(duì)于那些易產(chǎn)生較大塌陷滑坡或沖蝕的海床,尤其是土質(zhì)較差表面淤泥較厚而又裸置的管道可以采用錨樁來支撐,它是靠樁基深層土壤來承受波浪,海流作用,保持管道穩(wěn)定,以減小橫向和縱向振動(dòng)幅度。沿管道兩側(cè)交叉布置水下支撐樁,間距應(yīng)根據(jù)計(jì)算的最大允許懸跨長度以及對(duì)管道實(shí)際強(qiáng)度分析后確定,在每一鋼管樁(如圖17)或吸力錨樁(如圖18)靠近海管附近位置,設(shè)有懸臂粱,懸臂粱上設(shè)有高強(qiáng)U型螺栓將懸跨的管段進(jìn)行固定,從而減小管道懸跨長度,達(dá)到固定海底管道的目的。3.9阻流板及翅板安裝技術(shù)對(duì)海底管道懸跨采用回填和機(jī)械挖溝的費(fèi)用很高,如果懸跨管道能自行埋人海床,則節(jié)省的工程費(fèi)用是可觀的。人們?cè)缫延^察到海管的自埋現(xiàn)象,在砂質(zhì)海床上鋪設(shè)的管道經(jīng)過一段時(shí)間后,由于沖蝕而逐漸下沉。上世紀(jì)80年代以來,關(guān)于海管自埋現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析工作得到深入開展,開發(fā)了阻流板技術(shù),所謂“阻流板”是一種安裝在管道頂部的倒T型的結(jié)構(gòu)物,其直立的鰭狀物會(huì)顯著改變管道周圍的流場(chǎng)分布,從而加速管道的自埋過程。該技術(shù)在北海地區(qū)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效果。標(biāo)準(zhǔn)型阻流板由兩部分組成:翅板和底板,為了減重和便于安裝,阻流板采用PVC材料制成,平時(shí)兩部分分離以節(jié)省存儲(chǔ)空間,使用時(shí)將鰭插進(jìn)底板的滑槽中,然后將其捆綁到管道的頂部。底座:為了保證阻流板的底座能夠牢牢地固定在管道上,底座采用圓弧形設(shè)計(jì),其弧度與管道的外徑相匹配,根據(jù)不同的管徑設(shè)計(jì)不同尺寸的底座,寬度一般控制在150mm左右。為了增加底座與管道的接觸面積,底座上共有8根齒與管道相接觸。翅板:翅板高度一般根據(jù)水流大小和土壤條件確定,隨著管徑的增大,翅板的尺寸也相應(yīng)增高。翅板的厚度一般為4mm,以保證足夠的強(qiáng)度。圖19是高度為95mm的翅板及安裝示意圖。綁扎帶:綁扎帶用于將底座和翅板固定在管道上。為了防止綁扎帶在海水中受到腐蝕,同時(shí)也為了防止綁扎帶磨損管道外壁,綁扎帶建議采用合金材料制成,在管道頂部安裝阻流板后,管道周圍流場(chǎng)發(fā)生顯著的改變,使得管道能夠加速自沉和增加沉入深度;能消除或抑制渦激振動(dòng),因而延長海底管道的疲勞壽命或減少渦流脫落的嚴(yán)重威脅;能顯著增大管道的穩(wěn)定性。3.10rov的安裝對(duì)于處理方法的選擇(如表1),除了分析產(chǎn)生懸跨的原因外,水深也是起決定作用的相關(guān)因素之一,必須充分考慮到水深條件。有些方法適合由ROV進(jìn)行安裝,還有一些方法可由潛水員來操作完成。當(dāng)然,保護(hù)方法以及安裝程序的選擇要考慮經(jīng)濟(jì)性,盡可能實(shí)現(xiàn)以低成本達(dá)到管理的最佳目標(biāo),實(shí)際情況將取決于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)能力和自然環(huán)境條件:4通過合理風(fēng)壓措施保證海底管道施工的安全性海底管道一旦出現(xiàn)懸跨,將會(huì)直接影響管道的正常運(yùn)營,因