拖网作业对海底管道影响的理论分析与模型试验

贾 旭 于春洁

(中海油研究总院 北京 100028)

贾旭，于春洁.拖网作业对海底管道影响的理论分析与模型试验［J］.中国海上油气，2015，27(5)：116-120，129.

在海洋石油、天然气开采工程中，海底管道是油气输送的重要设施。海底管道常年在海流和波浪等冲刷作用下会出现裸露和悬空状态，其悬空高度和长度视具体工程情况有所不同。当海底管道裸露或悬空时，如果该海域有渔业活动，易出现对管道造成撞击、拖越等情况而威胁到管道的安全，需要在工程设计、施工中加以考虑。本文针对东海海域渔业活动，通过理论分析和模型试验，确定拖网对海底管道的作用荷载，并依照DNV-RP-F111规范，针对圆形网板、桁杆等结构对海底管道的撞击力和拖越力进行理论分析。在此基础上，分别在空气中和水中对海底管道开展了撞击和拖越试验，研究了不同拖网速度、不同渔具结构类型对不同悬空高度管道的作用力，并与基于规范的理论分析结果进行了对比，结果表明工程设计中采用理论计算结果偏于保守，可以适当优化。

1 拖网作业对海底管道作用的理论分析

根据东海渔业作业调查资料，选择桁杆拖网和单拖网作为主要研究对象［1］。桁杆拖网中的桁杆一般为40m长的空心圆杆，外径330 mm、内径318 mm、质量1 900 kg，典型拖网速度为1.1 m/s左右，作业水深一般在100 m范围以内；单拖网中的圆形网板质量通常约为170 kg，最大可达400 kg，拖网速度为1.8 m/s左右，作业水深一般可达300 m。这表明，我国东海的渔业设施尺寸、质量及拖网速度等远小于挪威北海的实际情况。根据DNV-RP-F111规范，渔业活动对海底管道等的作用形式包括撞击与拖越，因此根据推荐的理论计算方法分别计算分析了圆形网板和桁杆对海底管道的撞击力和拖越力。

1.1 圆形网板对海底管道的撞击力

拖网渔具在拖曳的过程中与海底管道相撞，拖网渔具的动能转化到管道上所产生的力即是渔具对管道的撞击力［2-3］。由于撞击时间非常短，大部分撞击能量将转化为管道的局部变形。根据DNV-RPF111规范，采用简化的计算方法，即计算圆形网板质量产生的撞击能量Es和圆形网板附加质量产生的撞击能量Ea，选取Es和Ea较大者作为管道撞击能量，再根据撞击能量确定撞击力，从而求出撞击凹坑深度。

1)圆形网板质量产生的撞击能量Es。

式(1)中：Rfs为圆形网板(钢板)质量的折减系数，可根据理论计算和渔业调查资料确定；mt为圆形网板质量；Ch为悬空高度修正系数，可由理论计算确定；V为圆形网板运动速度。

2)圆形网板附加质量产生的撞击能量Ea。

其中

式(2)、(3)中：Fb为附加质量产生的冲击力；Rfa为附加质量折减系数；fy为海管材料屈服强度；t为海管管壁厚度；ma为附加质量；kb为抗弯刚度；其他符号意义同前。

3)最大撞击能量Eloc。

4)撞击力Fsh。

5)撞击凹陷深度Hpf。

式(6)中：OD为海管外径；其他符号意义同前。

1.2 圆形网板对海底管道的拖越力

拖越力分析是针对拖网渔具和管道接触并翻越管道的过程。在这一过程中，管道将根据拖网渔具的不同而可能受到垂直力、水平力或两者组合［4］。

拖越水平力Fp：

拖越垂向力Fz：

式(7)、(8)中：CF为板拖曳力系数，CF=8.0×(1-e-0.8¯H) ；¯H为无量纲高度为悬空高度；B为圆形网板高度的一半；kw为拉伸刚度系数为弹性模量；Aw为曳纲(拖曳缆绳)面积；Lw为曳纲长度；其他符号意义同前。

同理，将以上计算中的圆形网板换成桁杆，即可计

算桁杆对管道的撞击力和拖越力。

2 拖网作业对海底管道影响的模型试验

根据东海海域的渔业活动，开展了渔具对海底管道撞击力和拖越力的模型试验［5］。内容包括：①空气中和水下管道的撞击试验，考虑了圆形网板和桁杆渔具设施及管道不同悬空高度(分别为0.14D、0.43D和0.87D，D为管道模型直径)的组合工况；②空气中和水下管道的拖越试验，其中圆形网板的拖越试验考虑了不同管道悬空高度的影响。

2.1 试验装置

1)试验水槽。试验水槽长60 m、宽40 m、深2.5 m，工作水深0.2～2.0 m。

2)变频拖曳系统。主要包括电机、变频器、滑块、钢丝绳、滑轮、滑道以及固定装置等(图1)。该系统依靠电机的转动提供动力，拖拉滑块在滑道内沿水平方向运动。滑块的另一端通过绳索连接圆形网板或者桁杆模型，以不同的速度撞击或者拖越管道模型，滑块-缆索-圆形网板(桁杆)系统在行进过程中可保持恒定的相对位置，确保以恒定角度撞击结构物模型。试验中通过变频器控制电机转速，进而控制拖曳速度。

图1 海底管道撞击力和拖越力模型试验中变频拖曳系统装置图Fig.1 Frequency conversion towed system in subm arine pipelinemodel test under impact load and pull over load

3)两向力传感器。两向力传感器与管道模型两端相连，可直接测量水平和垂向的撞击力、拖越力。其优点是可以对作用力进行直接测量，缺点是不可浸没在水中。为实现水下撞击试验，通过刚性导板将测力计与被撞击物连接。两向力传感器装置如图2所示，水下撞击现场如图3所示。

图2 海底管道撞击和拖越力模型试验两向力传感器装置图Fig.2 Two force sensor in submarine pipelinemodel test under impact load and pull over land

图3 海底管道撞击和拖越力模型试验水下撞击现场图Fig.3 Field of subsea im pact in submarine pipeline m odel test under im pact load and pull over land

4)光纤光栅应变传感器。试验中将光纤光栅传感器封装在物体表面，当物体受力产生应变时，光栅的宽度会产生改变，导致光信号波长的变化。光信号通过光纤传输给光纤信号解调仪，通过分析波长的变化值可计算出相应的响应应变，进而反算作用力。由于光纤光栅传感器输出的是光信号，因此无需进行防水处理，直接用于水下试验，同时兼备不受外接电磁信号干扰的优点。

2.2 相似准则及模型材料和尺寸的确定

1)相似准则。流体力学模型试验涉及众多相似准则，如雷诺相似、欧拉相似、柯西相似等。但在开展具体试验工作时，由于流体属性、材料属性以及重力加速度等不能同时等比例缩放的原因，难以同时满足这些相似准则应用的条件。当考虑具体问题时，应在确保几何相似的前提下，根据所研究问题的主要特征，选择主要的相似准则。对本试验而言，重点考虑重力相似，即试验模型根据几何相似和重力相似(试验与原型中的弗劳德数相等)来确定。选取模型与原型的几何比尺为1∶10，则速度比尺为1∶3.16，受力比尺为1∶1 000。

2)模型材料和尺寸。根据几何比尺和渔业调查资料所给的基本数据，确定模型材料和尺寸如下：

①管道。小管径管道直径3.45 cm、长0.90 m、壁厚3.00 mm；大管径管道直径7.2 cm、长0.9 m、壁厚4.0 mm。

②曳纲。纤维玻璃绳，直径1.5 mm。

③圆形网板。钢质，长 20 cm、高 12 cm、厚2 cm，质量396 g。

④桁杆。钢质，长50 cm，质量1 900 g。

2.3 管道模型的撞击试验结果

圆形网板的撞击力试验结果见图4，可以看出：圆形网板对管道撞击时，在空气中和水中的撞击力相差不大，整体趋势是随着速度的增大而增大；理论计算结果较试验结果偏大，为试验结果的1.5～2.0倍。

图4 圆形网板对不同悬空高度管道的撞击试验结果Fig.4 Results of traw l board impact on different suspended pipelines

桁杆的撞击力试验结果见图5，可以看出：桁杆对悬空管道撞击时，在空气中和水中的撞击力基本一致，整体趋势是随着速度的增大而增大；理论计算结果较试验结果在各流速下整体偏大100～150 kN。

图5 桁杆对不同悬空高度管道的撞击试验结果Fig.5 Results of beam traw l impact on different suspended pipelines

工程设计中，在缺乏相关试验的情况下通常按照规范在理论上进行海底管道撞击设计。通过本次试验得知，对海底管道撞击力理论计算结果偏于保守，建议在设计中可以根据具体情况进行优化。

2.4 管道模型的拖越试验结果

在空气和水中分别对管道模型(管径D=3.45 cm)进行了拖越试验。管道悬空高度不同时，理论计算中的圆形网板拖曳力系数会有所变化，但桁杆拖曳力系数不受悬空高度的影响。直径D=3.45 cm管道在不同悬空高度时的拖越力系数见表1。

圆形网板对管道的拖越力试验结果见图6，可以看出：水平拖越力在速度较小时，理论计算结果与试验结果很接近；水平拖越力在速度较大时，理论计算值大于试验结果。就整体趋势而言，随着拖网速度的增加及管道悬空量的加大，圆形网板在水平和垂直方向产生的拖越力都增大，但垂向拖越力明显小于水平方向分量。另外，水中试验测力结果与空气中试验测力结果基本一致。

表1 直径3.45 cm管道在不同悬空高度时的拖越力系数Table 1 Pull over coefficients of D=3.45 cm pipline on different suspended heights

桁杆对管道的拖越力试验结果如图7所示，可以看出：桁杆对管道的拖越力在空气和水中试验结果接近，且随着桁杆速度的增加而逐渐增大，在速度为1～3 m/s时桁杆对管道的拖越力在60～280 kN之间；理论计算结果较试验结果偏大。

图6 圆形网板对不同悬空高度管道的拖越试验结果Fig.6 Results of traw l board pull over on different suspended pipelines

图7 桁杆的拖越试验结果Fig.7 Resu lts of beam traw l pull over on the pipeline

工程设计中，由于缺乏相关试验，通常采用按照规范在理论上进行海底管道的拖越力设计，通过试验得知，对海底管道拖越力理论计算的结果偏于保守，建议在工程设计中可以根据具体情况进行适当优化。

3 结论

本文根据东海渔业调查资料，开展了渔业活动对海底管道影响的理论分析和试验研究，重点考虑了圆形网板和桁杆对海底管道的影响。针对海底管道的模型试验表明，理论计算所得的撞击力、拖越力普遍高于试验观测结果。圆形网板撞击力与拖越力、桁杆撞击力与拖越力的水下试验结果与空气中的试验结果基本一致，各作用力均随拖网速度的增加而增大。随着管道悬空高度增大，圆形网板产生的撞击力和拖越力均有所增大，但桁杆的撞击力和拖越力则不受悬空高度变化的影响。根据与试验结果的对比可知，理论计算对各作用力的计算结果偏大，工程设计中使用理论计算的结果偏于保守，建议可以根据具体情况进行优化。

［1］于春洁，贾 旭，朱伟亮，等.以水下生产设施为中心的渔船安全作业范围［J］.中国海上油气，2014，26(6)：93-97.Yu Chunjie，Jia Xu，Zhu Weiliang，et al.A safe operation zone of trawlgear to subsea production system［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26(6)：93-97.

［2］DETNORSKE VERITAS.DNV-RP-F111 Interference between trawl gear and pipelines［S］.DNV，2006.

［3］MELLEM T，SPITEN J，VERLEY R，et al.Trawl board impact on pipelines［C］.OMAE，1996.

［4］VERLEY R L P，MOSHAGEN B H，MOHOLDT N C，et al.Trawl forces on free-spanning pipelines［C］.International Journal of Offshore and Polar Engineering，1991.

［5］朱清澄，崔国平，曲学忠，等.小型渔船单拖网网具与圆形网板改进设计与试验［J］.中国水产科学，1997，4(4)：37-42.Zhu Qingcheng，Cui Guoping，Qu Xuezhong，et al.An experiment on the small otter trawl and the improvementof otter board［J］.Journal of Fishery Sciences of China，1997，4(4)：37-42.