FPB-Subsea在海底软管裸露防护的应用研究

胡春阳，李成钢，姜焕勇

(中海油(天津)管道工程技术有限公司，天津 300452)

0 引言

裸露或埋深较浅的海底软管易遭受第三方破坏(如锚击、渔船拖网冲击或坠落物体等)，海底软管受到外力破坏发生泄漏时，处理或铺设新管都需要巨大费用[1-3]。

目前，海底软管的裸露防护措施主要有：人工填埋法(包括直接吹扫法、抛石填埋法以及抓斗回填法)、水泥压块覆盖法、仿生水草法以及柔性覆盖法等[4-7]。张宗峰等针对裸露或悬空的海底管线的防护，研究混凝土联锁排的防护机理，对混凝土联锁排+土工布防护型式进行试验研究[8]。朱鹏鹏等分析了海底管道悬空原因，提出了单一的防护方案具有局限性，不能适应复杂的海底环境，应采用多种防护方案组合方式[9]。李俊等提出了一种海管悬空裸露局部抛石法防护技术，并开展了试验及实践研究[10]。A. C. G. Pires等介绍并讨论了土工合成加强材料在埋地管道保护中的应用，试验结果表明加强材料的存在能有效地降低传递到管道上的垂直应力，降低管道应变[11]。马克菲尔防护垫在中海油海底管道悬空裸露防护方面得到应用，防护后效果良好，但防护价格高[12-13]。

本文从技术可行性与经济性方面，对比研究人工填埋法、水泥压块覆盖法、水下柔性防护毯(FPB-Subsea)覆盖法以及马克菲尔防护垫覆盖法各自特点，得出最优的海底软管裸露防护技术，依据国内外相应的标准规范对FPB-Subsea技术进行了具体的理论分析，依据标准规范计算功率为365 kW的拖网渔船拖曳情况下所需FPB-Subsea的最小质量，达到对海底软管裸露防护的目的。

1 防护方法比选

1.1 人工填埋法

1.1.1 直接吹扫法

直接吹扫法将海底软管两侧的泥沙分别吹到海底软管上方，实现对海底软管的填埋防护，该方法的施工进度与管沟形状、埋深和取泥位置密切相关。

1.1.2 抛石填埋法

抛石填埋法采用浮吊船按单元小区格分层定量抛投的施工工艺进行施工[14]。

1.1.3 抓斗回填法

抓斗回填法采用抓斗从海底软管附近抓取土壤然后回填。

1.2 水泥压块覆盖法

水泥压块覆盖法是指通过使用耐腐蚀尼龙绳将水泥压块连接成网状，使用专用投放装置，将网状水泥压块覆盖到海底软管正上方[15]。水泥压块覆盖法示意图如图1所示。

图1 水泥压块覆盖法示意图

1.3 马克菲尔防护垫覆盖法

马克菲尔防护垫由土工布、沥青混合料、双绞合钢丝网面加强筋、吊耳、特殊填料、各类添加剂混合而成。马克菲尔防护垫覆盖法示意图如图2所示。

图2 马克菲尔防护垫覆盖法示意图

1.4 FPB-Subsea覆盖法

FPB-Subsea外保护层为一种非金属高分子复合材料，材质为高强涤纶，具有一定的抗冲击性，外保护层内部装满沙子水泥，FPB-Subsea吊筋的材料是超高分子量聚乙烯。FPB-Subsea覆盖法示意图如图3所示。

图3 FPB-Subsea覆盖法示意图

1.5 防护方法比选

人工填埋、水泥压块、马克菲尔防护垫以及FPB-Subsea防护方法比选情况如表1所示[16]。

表1 人工填埋、水泥压块、马克菲尔防护垫与FPB-Subsea防护方法对比

2 稳定性分析

若海底软管在海流、波浪和浮力作用下不能保持在海床上的稳定性，可以采取提高海底软管的水下质量、锚固、铺设压块或者在海床上开挖沟槽进行埋设等措施提高软管稳定性。本文通过收集某10英寸(1英寸≈25.4 mm)海底软管规格以及所在区域风浪流和土壤参数等数据，对其进行侧向稳定性以及垂向稳定性分析[17-18]。

2.1 侧向稳定性分析

本文采用静态分析法对10英寸海底软管进行侧向稳定性分析，静态分析法为基于静态力学平衡方程计算海底软管稳定条件下的最小质量。根据DNV-RP-F109，当海底软管满足以下条件时，可以认为海底软管满足侧向稳定性要求[19]：

(1)

(2)

(3)

实际工程应用中，对于操作期工况(工况时间大于12个月)，载荷组合一般选取10年波+100年流和100年波+10年流。根据式(1)～式(3)可得10英寸海底软管侧向稳定性分析计算结果，如表2所示。

表2 10英寸海底软管侧向稳定性分析计算结果

由表2可知，在载荷组合为10年波+100年流情况下，为保证10英寸海底软管在运行时的横向稳定性，软管上方配重应大于236 kg/m。在载荷组合为100年波+10年流情况下，为保证10英寸海底软管在运行时的侧向稳定性，海底软管上方配重应大于276 kg/m。

2.2 垂向稳定性分析

海底软管垂向稳定性分析主要研究海底软管在垂直于海床方向是否能保持稳定状态不上浮和有条件的下沉等，需根据路由区海床不同土壤特性，判断海底软管在垂向的稳定状态。对于沙质海床，因为小颗粒沙土的高浸透性，海底软管能稳定地存在于海床上，只需要校核在沙质海床上的海底软管水下质量是否大于海底软管即可。对于黏土质海床，需要校核海底软管是否稳定，主要包括海底软管是否上浮及黏土质海床能否支撑海底软管使其沉降数值满足要求。

根据DNV-RP-F109，海底软管裸露段应该检查其是否可能下沉或者漂浮。下沉应考虑最大内含物密度，如充水；漂浮应考虑最小内含物密度，如充空气或空管。对于放置在低抗剪强度土壤上的软管，可能需要考虑土壤应力。本文运用经典土力学和OTC2277方法分别对某10英寸海底软管进行垂向稳定性分析。

2.2.1 经典土力学方法

为了评估10英寸海底软管裸露段的下沉情况，以黏性土壤为例，采用布林奇-汉森(Brinch-Hansen)公式计算黏性土壤剪切力：

(4)

式中：Fμ为土壤剪切力；c为不扰动土壤参数；Nc为黏性土参数；γs为海管水下质量；d为海管下沉深度；Nq为无量纲承载力系数(黏性土取1)；B为海管下沉海床的接触宽度；Nr为土壤参数(黏性土取0)。

黏性土壤剪切力公式可以简化如下：

Fμ=cNc+γsd

(5)

表3为在10英寸裸露的海底软管内充满水的情况下，基于经典土力学方法的海底软管上方不同配重下的下沉情况计算结果。

表3 10英寸海底软管下沉情况计算结果1 kg/m

从表3可知，在10英寸海底软管内充满水的情况下，当软管上方配重大于149 kg/m时，10英寸海底软管开始下沉，整体陷于海底土壤但会稳定在表层土壤。

2.2.2 OTC2277方法

以黏性土壤为例，基于OTC2277方法，海底软管在安装、运行和水压试验条件下的垂向稳定性可通过式(6)进行评估：

(6)

式中：γse为土壤单位重量；RV为单位体积土壤的抗浮性或抗沉性；γpemp为空管包括配重的单位重量；γpfill为充水的海底软管包括配重的单位重量。

表4为在充满水情况下基于OTC2277方法的10英寸海底软管上方不同配重下的下沉情况的计算结果。

表4 10英寸海底软管下沉情况计算结果2 kg/m

从表4可知，在10英寸海底软管内充满水的情况下，当海底软管上方配重大于166 kg/m时，海底软管开始下沉，整体陷于海底土壤但会稳定在表层土壤。

3 FPB-Subsea抗冲击能量及选型

3.1 锚和拖网冲击能量计算

根据DNV-RP-F107，撞击过程中下落物体的冲击能量包括物体的冲击动能和附连水能量[20]。物体的冲击动能取决于物体的质量和最终速度，而附连水能量取决于附连水质量和最终速度。下落物体的冲击动能计算公式如下：

(7)

式中：ET为冲击动能；m为物体的质量；g为重力加速度；CD为阻力系数(取决于物体的几何形状)；A为下落物体的投影面积；ρω为海水的密度(取1 025 kg/m3)；V为物体排开海水的体积。

附连水能量计算公式如下：

(8)

式中：EA为附连水能量；ma为附连水质量；vT为速度。

将冲击动能和附连水能量结合起来可以得出下落物体的冲击能量：

(9)

将霍尔锚相关规格参数代入式(9)，可得质量为480 kg霍尔锚的动能为6 042 J，附连水能量为473 J，冲击能量为6 515 J。同理，表5分别计算出了质量为450、550、700、950 kg 4种类型渔船拖网的冲击能量。

表5 渔船拖网冲击能量

由表5可知，随着渔船拖网质量的增加，冲击能量也增加，渔船拖网质量为950 kg的冲击能量为4 275 J。同理，根据规范DNV-RP-F105计算，FPB-Subsea的抗冲击能量为10 000 J左右，FPB-Subsea能满足480 kg霍尔锚和950 kg渔船拖网的冲击[21]。

3.2 FPB-Subsea选型

按照某海洋渔业厅提供的渔船登记基本信息，在其所有登记的41 362艘渔船中，钢制渔船数量为4 115艘。在钢制渔船中，各种类型的渔船统计情况如表6所示。

表6 各种类型的渔船统计情况

由表6可以得出，拖网渔船最多，因拖网的作业特点，对水下设施的损伤最大，据统计，功率为365 kW及以下钢质渔船数量占总钢制渔船数量的92.5%[22-23]，所以本文计算功率为365 kW拖网渔船拖曳下所需的FPB-Subsea的最小质量。拖网渔船拖力计算依据如下：

(1)1马力=0.735 kW。

(2)经验公式：单位系柱拖力=130 N/马力(重力加速度取10 m/s2)。

(3)配重型渔船拖网装置侧视图如图4所示。

图4 配重型渔船拖网装置侧视图

假设网绳与海床之间的角度为30°，摩擦系数取0.6，功率为365 kW拖网渔船的系柱托力为64.6 kN，横向拖力为55.9 kN，FPB-Subsea水中质量为9.32 t，FPB-Subsea空气中质量为13.98 t[24]。

为了保证海底软管稳定性以及防止主机功率为365 kW以下拖网渔船的拖曳，本文将FPB-Subsea设计为由11个沙筒和8根吊筋构成，吊筋宽度不小于0.04 m，每个沙筒长度为6 m，沙筒直径至少为0.334 m，沙筒内部填充物密度不低于2 400 kg/m3。

4 结论

本文提出了一种FPB-Subsea海底软管隐患防护技术，对比研究了人工填埋法、水泥压块覆盖法、FPB-Subsea覆盖法以及马克菲尔防护垫覆盖法，以10英寸海底软管为例完成侧向稳定性以及垂向稳定性分析，通过计算480 kg霍尔锚和950 kg拖网渔船的冲击能量验证FPB-Subsea能否满足冲击要求，然后计算功率为365 kW的拖网渔船拖曳情况下所需FPB-Subsea的最小质量，得到了如下结果：

(1)人工填埋法防护成本高，对环境影响大，需要重新环评。水泥压块覆盖法会对海底软管裸露段造成损伤，马克菲尔防护垫、FPB-Subsea既能满足防护要求，又不会对裸露段海底软管造成损伤，但马克菲尔防护垫费用较高。

(2)海底软管裸露在海床上，存在锚击或渔船拖网冲击的风险，为保证10英寸海底软管在运行时的侧向及垂向稳定性，海底软管上方配重应大于276 kg/m。

(3)为满足海底软管稳定性以及要防止主机功率为365 kW以下的拖网渔船的拖曳，需要FPB-Subsea空气中质量至少为13.98 t，也可根据实际需要自由选择FPB-Subsea的尺寸及质量。

(4)FPB-Subsea不仅可以用于海底管道(软管以及钢制管道等)裸露段防护，也可以用于海底电缆裸露段防护。