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基于AIS数据与仿真修正耦合的海底管道锚害风险分析.pdf
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1、.163-第8 期基于AIS数据与仿真修正耦合的海底管道锚害风险分析张少洋郝林王子维武丹峰杨召(中海油安全技术服务有限公司,天津3 0 0 457)摘要】本文提出了一种基于AIS统计数据与有限元仿真修正耦合的海底管道锚害风险分析方法。以渤海某管道为例,基于AIS数据及周边航道、锚地情况对管道进行分段;根据DNV-RP-F107、G LNo b l e D e n t o n 0 0 3 2/ND、中海油设备设施完整性风险管理程序等标准或研究成果计算落锚、拖锚损伤概率和风险后果,判断风险等级;考虑AIS数据中各船型配锚情况,基于ABAQUS有限元软件CEL方法对落锚入土深度进行仿真模拟,比照管道
2、实际埋深修正锚害损伤概率。关键词1海底管道;落锚损伤;拖锚损伤;AIS;CEL引言海底管道是保障水下石油、天然气生产输送的重要设施,控制海底管道运行风险,就是保护石油、天然气生产输送安全,更是维护国家能源安全。海底管道的危害因素一般分为:设计因素、腐蚀因素、第三方破坏因素、结构强度因素、自然灾害因素、误操作因素等6 大类,其中第三方破坏因素包括拖网、受锚、船舶撞击、坠物、故意破坏/恐怖击、通航影响、其他机械冲击等。对于穿越航道或邻近锚地的海底管道,船舶通航或锚泊作业将对管道的安全运行产生重大影响,海底管道受锚害损伤的风险将大大增加。渤海湾某海底管道,总长约9 8 km,穿越主航道和众多航线,周
3、边锚地环绕,面临锚害风险(如图0-1所示)。本文以该管道为例,结合AIS土土土土土图0-1管道周边航道、航线、锚地情况示意图(A u t o ma t i c i d e n t i f i c a t i o n Sy s t e m,船舶自动识别系统)2 数据,分析落锚、拖锚损伤概率和风险。1AIS数据与管段划分基于管道周边环境与穿越管道截面船舶(2 0 19 年度调查与统计数据,如图1-1所示,2 0 2 1年度AIS统计与预测数据)情况,划分管段情况如表1-1、1-2:图1-1穿越管道截面的船舶轨迹密度图表1-1管段划分管段KP0KP17.5-KKP49KP63-KP56-KP63KP
4、17.5KP49KP56KP98航道穿越锚苗穿越航道、近渔船/穿越航道锚地地锚地作业区商船较少较多较少较少较少渔船极少存在渔船较少较少较多作者简介:张少洋(19 8 9-),男,张少洋,工程师,研究方向:油气输送管道完整性管理。164-2023年第2 6 卷节能安全石油和化工设备表1-2各管段船舶接近、穿越数量情况统计管段船型&吨位KP0-KP17.5KP17.5-KP49KP49-KP56KP56-KP63KP63-KP98渔船3180136315908200客船油轮(10 万吨及以下)51120051150油轮(10-2 0 万吨)209103油轮(2 0-3 0 万吨)20950散货船(
5、10 万及吨以下)2005000200720散货船(10-2 0 万吨)500274散货船(2 0-3 0 万吨)500200集装箱船(5万吨级以下)集装箱船(5-10 万吨级)370拖轮820820其他比例数量合计1071111681614308790202落锚损伤概率分析该管道穿越航道,且周边有多个锚地,船舶如在管道上方落锚,有直接击中管道的风险。2.1船舶落锚直接击中管道的概率管道被船锚击中的概率需综合考虑管道周边船舶的数量、船舶途经管道海域并出现失控的概率、船锚入水后击中管道的概率,其由以下公式计算得到:PL=N Pi P2式(2-1)其中:N一一周边船舶的数量,艘/年,见表1-2;P
6、l一一单艘船舶途经管道海域并出现失控的概率;P2船锚落入水中击中管道的概率(1)船舶途经管道海域并出现失控的概率Pi计算船舶途经管道海域并出现失控的概率P1时,需要同时考虑船舶途经管道的概率、以及在管道上方出现失控的概率。前者与船舶的航速相关,后者根据DNVRPF107中船舶主机失效频率取1.4E-5/hour。以15节的平均航速考虑,船舶速度为7.71m/s,经过管道两侧各16 m范围内时发生失控情况的概率为:Pi=(16 2)/(7.71 60 60)1.4 X 10-s=1.61 X 10-8注:根据DNVRPF107锚在落水下沉的过程中会发生漂移现象,其漂移量符合正态分布,以管道最大水
7、深16 m计算,管道两侧各16 m的累计概率达到9 9.9%以上 3 表2-1船舶失控概率P1K P 0-KP17.5-KKP49-KP56-KP63-KP17.5KP49KP56KP63KP98平均V(m/s)7.717.717.7157.71航速船舶失1.61E1.61E-1.61E-2.49E-1.61E-P1控概率0808080808注:KP56-KP63段考虑锚地内船舶减速情况。(2)船锚落入水中击中管道的概率P2根据DNVRPF107计算船锚落入水中击中管道的概率。船锚在落水下沉的过程中会发生漂移现象,其漂移量符合正态分布,公式如下2P(x)=1式(2-2)V2元其中:X-锚入土点
8、到下落起始点的水平距离;P(x)一锚落在半径x区域范围内的概率。165一张少洋等基于A/S数据与仿真修正来管道锚害风险分析第8 期B+DdDrop-point图2-1锚在水中的漂移分别计算船锚落入不同内外径形成环形空间的概率,当x超过2 0 m,击中概率减小至6.17 10 7 以下,对累计概率的影响已经十分微小,计算结果如表2-2:表2-2船锚落入水中击中管道的概率P,表2-2船锚落入水中击中管道的概率P2锚入土点到下落起始点的水锚落入(x1-x2)环序号平距离环形面积击中面积面积比率击中概率形面积的概率x1x2单位mm123.59E-0112.571.420.114.07E-022242.
9、90E-0137.702.460.071.90E-023461.89E-0162.833.180.059.58E-034689.96E0287.973.760.044.26E-0358104.24E-02113.104.270.041.60E03610121.45E-02138.234.720.034.96E04712144.03E-03163.365.130.031.27E-04814169.03E-04188.505.510.032.64E-05916181.63E-04213.635.870.034.48E-061018202.38E-05238.766.200.036.17E-07累计
10、概率P2=0.0756967(3)船舶途经管道落锚且击中管道的概率PL(3)船舶途经管道落锚且击中管道的概率PL根据式(2-1),计算船舶途经管道落锚且击中管道的概率P,如表2-3。表2-3 不同船型落锚击中管道的概率PL管段船只类型KP0-KP17.5KP17.5-KP49KP49-KP56KP56-KP63KP63-KP98渔船3.89E-61.67E-63.00E-61.00E-5客船油轮(10 万吨以下)6.23E-81.47E-66.23E-82.83E-7油轮(10-2 0 万吨)2.55E-71.94E-7油轮(2 0-3 0 万吨)2.55E-79.42E-8散货船(10 万吨
11、以下)2.44E-76.11E-62.44E-71.36E-6散货船(10-2 0 万吨)6.11E-75.16E-7散货船(2 0-3 0 万吨)6.11E-73.77E-7集装箱船(5万吨级以下)集装箱船(5-10 万吨级)4.52E-7拖轮1.00E-61.00E-6其他累计概率1.31E-61.36E-51.97E-65.82E-61.10E-5166-2023年第2 6 卷节能安全石油和化工设备2.2落锚击中管道后损伤的概率海管的受损程度可分为三级 3 :(1)次损坏(D1):海管不需要修复,也不会导致泄漏。海管壁上凹坑的最大深度为管径的5%,通常不会立即影响海管的运行,不过应该采取
12、检验和技术评估的手段确认海管的结构完整性和通过清管球的能力。(2)中损坏(D2):海管需要修复,但也不会导致泄漏。当海管壁上的凹坑会限制其内部检验时,通常需要进行修复(凹坑的最大深度超过管径的5%),不过修复可以推迟一段时间,再经过结构完整性评定后可以继续运行。(3)重损坏(D3):发生泄漏。海管壁被砸穿孔或者海管破裂,必须立即停止油气输送和进行线路修复,损坏的部分必须修补或替换掉。不同管道损伤程度定级的条件概率如表2-4所示:表2-4管道损伤程度定级的条件概率凹陷/条件概率损伤描述直径D1D2D320%断裂00.10.9综合表2-3、2-4,得到管道不同损伤等级的概率,其中除渔船、拖轮外D1
13、可以忽略,各管段D2、D 3 两个损伤等级的累计概率,如表2-5所示。表2-5管管道被落锚击伤需要修复或发生泄漏的概率管段累计损KP0KP17.5-KP49-KP 56-KKP63伤概率KP17.5KP49KP56KP63KP98D2+D33.07E-79.76E-63.07E-72.82E-60.00E+0注:KP63-KP98段考虑渔船、拖轮落锚仅造成轻微损伤。3拖锚损伤概率分析在管道附近发生拖锚,对管道的安全影响极大,拖锚不仅可能导致管道位置偏移,更有可能导致管道的凹陷甚至破裂。该管道穿越航道,且周边有多个锚地,船舶遭遇恶劣海况紧急落锚时,即使控制了与管道之间的落锚距离,管道也将受到拖锚
14、威胁。3.1紧急落锚导致拖锚概率计算管道被船锚勾住的概率需综合考虑管道周边船舶的数量、船舶航行到管道附近的概率、船舶失控的概率、船舶落锚后遭遇恶劣海况的概率,其由以下公式计算得到:Pr=N P3 P4式(3-1)其中:N一一周边船舶的数量,艘/年/km,见表1-2;P3一一单艘船舶在临界距离内落锚的概率;P4一一舟船舶落锚后遭遇恶劣海况的概率,根据该管道设计资料,海域出现7 级风以上概率为1.2%。落锚距离参考GLNobleDenton0032/ND“GUIDELINESFORMOORINGS”对于管道周边落锚的净距的要求:管道周边10 0 m范围之内不得落锚,当锚链跨越管道时,以跨越点为中心
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