船舶锚泊作业对海底管道安全风险分析.pdf
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1、石油工程建设故障与安全D0I:10.3969/j.issn.1001-2206.2023.05.009船舶锚泊作业对海底管道安全风险分析李海学1,朱青春,魏颂珂31.中海油安全技术服务有限公司,天津30 0 4502.必维(天津)安全技术有限公司,天津30 0 2 0 13.中国石油集团海洋工程有限公司,北京10 2 6 0 0摘要:船锚撞击、拖虫是海底管道遭受第三方破坏,导致海底管道发生泄漏,造成海洋环境污染、生产停滞等严重后果的主要因素之一。针对渤海湾水域水深较浅、航运密集度高的现实情况,建立落锚贯入深度的数学模型,采用耦合的欧拉-拉格朗日方法模拟计算方法,计算出船舶落锚后的贯入深度,提出
2、渤海湾某海底管道埋设深度的安全值;根据落物漂移轨迹理论,计算落锚击中海底管道的概率,综合分析得出船舶落锚对该海底管道安全风险;通过计算拖锚时锚爪的入土深度和渤海水域拖锚的可能性,得出拖锚对海底管道安全风险。分析计算落锚、拖锚等船舶锚泊作业对海底管道产生的安全风险,对海底管道管理方、船舶方、海事部门共同保护海底管道具有一定的指导意义。关键词:海底管道;锚泊;抛锚;拖锚;欧拉-拉格朗日方法;埋深Analysis of safety risk of submarine pipelines in ship anchoring operationsLI Haixue,ZHU Qingchun,WEI S
3、ongke31.CN00C Safety Technology Service Co.,Ltd.,Tianjin 300450,China2.Bureau Veritas(Tianjin)Safety Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300201,China3.China Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Beijing 102600,ChinaAbstract:Anchor impact and towing are the main factors that cause the submarine pipeline to
4、 be damaged by a third party,resulting insubmarine pipeline leakage,marine environmental pollution,production stagnation,and other serious consequences.Since the waterdepth of Bohai Bay is relatively small,and the intensity of shipping is high,a mathematical model of anchored penetration depth isest
5、ablished in this paper.The coupled Euler-Lagrange simulation method is adopted to calculate the penetration depth after shipanchoring,and the safety value of the buried depth of a submarine pipeline in Bohai Bay is proposed.According to the drift trajectorytheory of falling objects,the probability o
6、f falling anchor hitting the submarine pipeline is calculated,and the safety risk of thesubmarine pipeline is obtained by comprehensive analysis.By calculating the depth of the anchor claw and the possibility of draggingthe anchor in Bohai Bay,the safety risk of dragging the anchor to the submarine
7、pipeline is obtained.By analyzing and calculating thesafety risks of ship anchoring operations such as dropping anchor and dragging anchor,this paper has certain guiding significance to thejoint protection of submarine pipelines by submarine pipeline parties,ship parties,and maritime departments.Key
8、words:submarine pipeline;anchoring;dropping anchor;dragging anchor;Euler-Lagrange method;burial depth据国家统计局数据,2 0 2 1年我国原油对外依存度高达7 2%,天然气对外依存度达到46%。为了保障我国能源供给和经济高速发展,近海石油天然气开采得到了极大的重视,获得了迅速的发展。海底输送管道作为最便捷、安全、可靠的输送方式被首选使用,随之而来的是产生了海底管道的安全运营与繁忙的船舶运输之间的矛盾。近年来,国内外相继发生了多起海底管道受损事故,据事故原因统计,最主要的原因是船舶锚泊作业。主要
9、表现在两个方面:一是船锚下落直接撞击海底管道,由于船锚自身重量大,落锚时船锚贯穿海底管道正上方土层,对海底管道产生巨大的冲击力,造成海底管道结构损伤;二是船锚被拖拽过程中与海底管道相遇,船锚人土深度超过了海底管道的埋深,在船舶强大的动力系统作用下,最终钩拽拉断海底管道。本文基于船舶AIS数据,采用耦合的欧拉-拉格朗日方法,定量计算船舶落锚、拖锚过程中船锚的入土深度,对落锚击中渤海湾某海底管道的概率进行分析计算,得出船舶锚泊作业对海底管道破坏的风险,同时从管理方面提出了适用的措施建议。第49卷第5期47故障与安全石油工程建设1船舶落锚对海底管道的风险分析本文选取通行船舶较多的某海底管道海床典型点
10、位土壤特性,计算船舶落锚的贯人深度和落锚击中管道的概率,从而得出船舶落锚对海底管道的总体风险。1.1锚贯入深度分析本文选取该水域通行的中大型船舶常使用的霍尔锚作为计算模型1-2 ,用非线性有限元软件ABAQUS计算船锚贯人海床的深度。由于海底管道敷设主要采用挖沟深埋的方式,因此船舶落锚撞击海底管道时,存在海床土体对撞击能量的吸收、海床土体大变形等一系列复杂问题。1.1.1耦合的欧拉-拉格朗日方法本文采用耦合的欧拉-拉格朗日方法模拟计算3,该算法结合了欧拉算法和拉格朗日算法的优点,其采用拉格朗日网格离散结构物,采用欧拉网格离散海底土壤,使其网格固定而允许材料在网格中自由流动,可以较好地分析涉及大
11、变形和材料破坏等问题,特别适用于模拟船锚贯入土壤引起土壤变形的过程。船锚与海底土壤间的接触面采用拉格朗日域边界来描述,很好地解决了船锚界面描述与网格大变形问题。这点不同于ALE方法的允许网格运动,通过不断产生新网格来适应上一步计算得到的变形。ABAQUS软件采用欧拉体积分数EVF(Eu l e r i a n Vo l u m e Fr a c t i o n)来追踪欧拉材料在网格中的分布状态,通过指定EVF的值来表示欧拉单元中充满材料的比例。EVF=0表示该单元中没有欧拉材料,EVF=1表示该单元被欧拉材料充满,如此,欧拉材料的流动即可表征土体的变形与运动。欧拉体参数的施加也可以计算初始时的
12、EVF,通过材料指派来赋值4-0 。1.1.2有限元模型建立7-8 选用2 6 t锚的参数9,建立简化的有限元模型,使用R3D4单元建立离散的刚体模型10,在锚柄上指定参考点,在参考点上赋予锚的质量。采用八节点欧拉单元EC3D8R模拟土体,将锚置于EVF=1土体表面,如图1所示。锚和土体接触采用通用接触。1.1.3海底土壤特性海底土壤具有各向异性、非均质性和非连续图1锚贯入模拟的有限元模型性等复杂的性质,因而应力应变关系表现出强烈的黏滞性、非弹性和非线性等复杂的力学特征。土壤受到物体冲击后,受到的压力和剪切力均会引起塑性体积变形。查阅地质勘探资料,可知计算点位处的土壤特性参数,如表1所示。表1
13、典型点位土壤特性参数密度/凝聚力内摩擦角/弹性模量/典型点位泊松比(g/cml)kPaB41.82B81.851.1.4荷载与边界条件对模型施加重力场,并对土体进行地应力平衡。设置初始状态,锚与土体接触面以下欧拉单元的EVF值为1,接触面以上EVF值为0。锚链孔距离水面2 0 m,计算得到锚贯入土体初速度为18 m/s,锚的运动通过对锚柄参考点施加初速度实现。对土体模型底面和侧面施加速度边界条件,欧拉边界采用无反射边界,近似于无限元边界。1.1.5贯入深度计算结果第一,B4点位,锚在贯人过程中,最大贯人深度为1.7 53m,最终回弹至1.552 m深度。第二,B8点位,锚在贯入过程中,最大贯入
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