（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）海底管线关于拖网作业的定量风险评估.pdf

中文摘要 随着海洋油气资源开发力度的不断加强 作为油气输送重要载体的海底管 线 由于作业条件非常复杂 面临着各种各样的风险 这种风险主要来自外部的 不确定干扰 其中一种重要的形式就是物体的撞击 它可能造成管线的损坏 而 管线的检查维护 应急处理极为不便 一旦发生事故 在造成经济损失的同时还 危害环境和人身安全 但是过多的投入资金加强管线的保护措施又违背了经济效 益原则 因此对海底管线进行偶然荷载作用下的安全分析是非常必要的 本文讨论了在捕鱼作业条件下拖网设备对海底管线的干扰问题 系统地描 述了拖网设备与管线发生干扰的三种形式 撞击 拖扯和勾扯 在能量计算和管 线响应方面给出了具体的计算公式和动态分析模型 在明确了事件对管线的损伤 程度之后 建立了故障概率模型 最后利用风险矩阵综合分析 建立起故障概率 与破坏等级的关系 对通过作业区的管线进行了定量风险评估 关键词 拖网设备海底管线概率模型风险矩阵 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fo c e r ne x p l o i t a t i o n o f f s h o r ep i p e l i n ew h i c hi sa n i m p o r t a n tm e a n so f t r a n s p o r t i n go i la n dg a si ss u b j e c t e dt oa l lk i n d so f r i s k sd u et ot h e c o m p l e xe n v i r o n m e n ti no c e a n t h er i s ki sm a i n l yd u et oe x t e m a io c c a s i o n a l d i s t u r b a n c e i n c l u d i n gi m p a c tf r o mo t h e ro b j e c t s t h i sk i n do fr i s kc a nd a m a g et h e p i p e l i n e i ti sn o tc o n v e n i e n tt oc h e c k m a i n t a i nm a do p e r a t et h ed a m a g e do f f s h o r e p i p e l i n e su n d e r w a t e r o n c ea l la c c i d e n th a p p e n s i tc a d c a u s eg r e a tl o s si ne c o n o m y e n v i r o n m e n ta n dh u m a ns a f e t y h o w e v e r i tv i o l a t e st h eg o a lo fg r e a t e s tp r o f i tt o e n h a n c ep r o t e c t i o nm e a s u r e m e n t se x c e s s i v e l y t h e r e f o r ei ti sv e r yn e c e s s a r yt oc a r r y t h es a f ea n a l y s i su n d e ra c c i d e n t a ll o a d s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r o b l e mt h a tt r a w le q u i p m e n ti n t e r f e r e si ns u b s e a p i p e l i n e s c o n s e q u e n t l y w ed e s c r i b et h r e ek i n d so fi n t e r f e r e n c e si nt h ep i p e l i n e s i m p a c t p u l l o v e ra n dh o o k i n g s p e c i f i cf o r m u l aa n dd y n a m i ca n a l y s i sm o d e la r e g i v e n w h i c ha l eu s e dt oc a l c u l a t et h ee n e r g ya n dr e s p o n s eo fp i p e l i n e s t h i sp a p e r d e v e l o p st h em o d e l o f f a i l u r ep r o b a b i l i t ya f t e rc o n f i r mt h eb r e a k a g eg r a d eo f p i p e l i n e s f i n a l l y t h i sp a p e rr e l a t e st h ef a i l u r ep r o b a b i l i t yt ob r e a k a g eg r a d eb yu s i n gr i s k m a t r i x a n dg i v e sr i s ka s s e s s m e n tq u a n f i t i v e l y k e yw o r d s t r a w le q u i p m e n t s u b s e ap i p e l i n e s p r o b a b i l i t ym o d e l r i s km a t r i x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其它人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得墨洼盘堂或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 签字日期 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权盘壅态鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 导师签名 新物瓢 签字f t 期 年月日签字日期 如厂年 月 j 一日 天津大学硕士学位论文 第一章综述 第一章综述 海底管线是海上油气田的生命线 随着海上油气田开发工作的不断发展 如 何保证海底管线在服役期间的可靠性是在海底管线的设计 铺设 检测 维护以 及运行中的一个非常重要的课题 海底管线在人们并不熟悉的海底进行作业难免 出现各种问题 人们在不断改进技术和设备的同时 开始关注由各种不确定因素 导致的管线事故 这些不确定因素造成的破坏主要有四大类 1 腐蚀破坏 主 要是由于用管线输送含腐蚀作用液体引起的内腐蚀及所处作业环境引起的外腐 蚀 2 疲劳破坏 在管线横截面上波浪诱发冲蚀作用引起疲劳 主要作用于管 线焊缝 3 撞击破坏 在管线附近的施工作业 例如导管架钻井 暴风雨时的 不规则抛锚和收锚活动以及其它不确定物体的撞击损伤等 4 稳定性问题 沉 积物的下滑移动 包括塌陷和缓移滑动 撞击破坏在四种破坏类型中处于首要地位 它主要由偶然性荷载造成 所谓 偶然性荷载是指在异常和意外情况下施加于海底管线上的荷载 包括船舶海事 碰撞 沉没 搁浅 引起的撞击 坠落物的撞击及渔业活动 第三方建设 军 事演练活动等引起的破坏 渔业区内 由于拖网设备的活动 可能对管线造成三 种形式的破坏 分别为撞击破坏 拖扯破坏和勾扯破坏 在这三种形式中撞击破 坏又以历时短 能量集中 造成的破坏力最强成为了管线失效的主要模式 对于 撞击问题的研究 国内外众多学者经历了一个较长的历史时期 建立了较为完善 的研究体系 发表了大量的研究成果 1 1 撞击研究历史和现状 海上结构物的撞击损伤研究始于2 0 世纪5 0 年代后期 1 9 5 9 年m i n o r s k y 在 j o u r n a lo fs h i pr e s e a r c h 杂志上的发表了名为 a na n a l y s i so fs h i pc o l l i s i o nt o p r o t e c t i o no f n u c l e a rp o w e r e dp l a n t 的研究论文 讨论了如何防止核动力船舶在 碰撞或搁浅等事故中受损引发的核泄漏问题 这篇论文揭开研究海上结构物撞击 损伤问题研究的序幕 6 0 年代 7 0 年代撞击破坏的研究重点主要集中在核动力 船体的结构上 进入8 0 年代 海上油船事故的不断升级使得撞击破坏的研究转 向了油船结构 进入9 0 年代随着海洋工程结构受重视程度的提高和计算机科学 的进步 撞击破坏的研究进入了多元化发展阶段 涌现出大量的研究成果 总的 天津大学硕士学位论文第一章综述 来说 撞击破坏的研究方法主要有三种 统计分析方法 试验研究方法 基于碰 撞力学的数值计算方法 l 统计分析方法 统计分析方法是最早的撞击破坏研究方法 其开创者是美国学者m i n o r s k y 后来的统计分析方法大多是在其经验公式的基础上进行的 m i n o r s k y 的研究工 作主要是基于2 6 个实船碰撞或试验数据 他将船舶碰撞问题分为两个相互独立 的部分 动能损失和结构损伤 并用统计分析方法将它们联系在一起 船舶碰撞 中的动能损失用完全非弹性碰撞理论来求解 碰撞中水的影响用一个附加流体质 量d m 来代替 碰撞后两船的速度u 由动量守恒定理 m l u l s i n a r 删l m 2 d m 2 u 求出 再由能量守恒定理求得撞击过程中的动能损失 a e 业坠三璺竺2 上 s i n 口 2 2 m l 坍2 d m 2 动能损失厶职完全转化为结构的变形能 由结构的损伤来承担 而结构的 损伤则用抗力因子 r e s i s t a n c ef a c t o r 坼 矗 只 t 来表达和计算 最后再用统计分析方法建立起动能损失和损伤之间的线性关 系 统计方法虽有简单明了 便于应用的优点 但是由于它需要大量的实船撞击 数据或试验结果作为分析基础 而这些数据和结果又不易获得 所以这种方法适 用范围较小 目前很少使用 2 试验研究方法 撞击过程非常复杂 许多细节无法用理论模型来表达 所以开展试验研究是 必要的 可以从中获取可靠的数据 得到正确的结论 它已经成为撞击损伤研究 中不可缺少的手段 不仅理论分析和数值计算需要试验研究的指导 而且理论分 析和数值计算的结果也需要通过试验来验证 撞击损伤研究的试验工作可以分为 以下几类 1 基础性试验 获取受撞击结构的破裂准则 确定其极限平均应变 2 局部结构模型试验 研究结构各组成部分对抗撞击性能的影响 3 整体结构模型试验 对撞击过程进行详细研究 获取撞击载荷与变形之间 的关系 3 基于撞击力学的数值计算方法 撞击力学一般分为外部撞击动力学和内部撞击动力学 外部撞击动力学研究 撞击过程中结构物在流场中受到的流体动力及刚体运动 建立包括撞击力在内的 运动方程并求解 而内部撞击动力学则研究结构撞击区的弹塑性破坏过程和表现 天津大学硕士学位论文 第一章综述 于外部的非线性撞击阻力 撞击力作用下的结构内部响应等 外部撞击动力学方面 m a r t i nj p e t e r s e n 1 9 8 2 提出了具有代表性的方法 该方法可以模拟撞击过程中船舶在水平面内的二维运动 它假设相撞船舶只在撞 击点发生相互作用 所有变形都发生在撞击点的附近区域 结构变形用四个非线 性弹簧来代替 船体的其余部分则全部作刚体处理 作用于船体上的力只有撞击 力和流体动力 流体动力用切片法计算 撞击力则假设为贯入量 p e n e t r a t i o n 的 函数 该方法可用来模拟一般情况下的船舶碰撞 但由于考虑问题的重点是外部 撞击动力学 所以对撞击区结构变形的处理过于简单 我国的梁文娟将该方法扩 展到三维碰撞 考虑撞击区结构的三向非线性特性和船体6 个自由度运动与撞击 力的关系 以及船体六自由度运动引起的流体介质能量散逸 可以计算出撞击过 程中船体6 个自由度的运动和相应的撞击载荷历程 内部撞击动力学的研究得到了更多的关注 研究内部撞击动力学时 受撞击 结构首先被分成各种各样的子结构 或者有限元 然后计算各个子结构在碰撞过 程中所吸收的能量 最后再将这些能量相加求出吸收的总能量 m c d e r m o t t 1 9 7 4 基于塑性静力学的理论和方法对油船结构的低能碰撞 m i n o rc o l l i s i o n 问题作了 研究 基于剐塑性理论的应用 k i e r k e g a a r d 等学者提出了许多简化分析方法 但这些方法没有考虑局部失效模式和总体失效模式之间的耦合影响 因此 应用 范围受到很多条件的限制 有限元方法作为一种强有力的结构分析工具 在船舶碰撞问题的研究中发挥 了非常重要的作用 它不是采用近似的非线性弹簧 而是用有限元来处理结构变 形 所以能够对碰撞过程中的结构行为进行更加精确的模拟 r e c k l i n g m i n o r s k y c h a n g 等人相继采用有限元技术对船舶碰撞问题进行了分析 c h a n g 将塑性破坏 理论和有限元技术结合在一起 用以验证核动力船舷侧结构的碰撞模型试验 r e c k l i n g 计算了相撞结构的能量吸收 而m i n o r s k y 则重点研究了最大冲击力 l a n s e l i n k 利用m s c d y n a 和m s c p i s c e s 程序对船舶碰撞过程进行了数值 模拟 计算过程采用三步法 第一步 不考虑水的作用 用m s c d y n a 计算 相撞船舶之间的碰撞力 第二步 用m s c p i s c e s 计算碰撞力作用下船舶在水 平面内的刚体运动 并进一步计算出水对船体运动的阻力 流体动力 第三步 再用m s c d y n a 程序进行计算 考虑碰撞力和流体动力的共同作用 水的作 用则用一个弹簧系统和阻尼器系统来代替 该方法计算工作量比较大 每一步计 算都要用到上一步的计算结果 它不能用一个完全耦合的方法来同步处理流体与 结构之间的相互作用 流体动力的计算也只是一个估计值 碰撞过程中 船体结 构失效和船舶运动是同时发生的 并相互影响 所以 船体结构失效和船舶运动 必须耦合求解 同步处理流体与结构之间的相互作用是一个必然趋势 近年来 天津大学硕士学位论文 第一章综述 随着计算机硬件和非线性有限元技术的迅速发展 使我们有可能对流体与结构之 间的相互作用进行同步处理 目前 美国的三维非线性动态响应分析程序m s c d y t r a n 可以完成这样的工作 m s c d y t r a n 利用显式方法求解流体一结 构的动力学控制方程 较好地解决了船舶碰撞中的大变形 破裂 接触 流体动 力等问题 对于船舶撞击来说 运用有限元方法 固然可以获得相当精确的分析 结果 但是 有限元方法建模相当费事 而且计算时间较长 所以许多新的研究 都致力于减少建模工作量和计算时间 上述关于撞击过程的研究为海上平台及海底管线的撞击作用研究提供了丰 富的理论基础和试验资料 近些年 我国对于撞击过程的研究工作在静态分析 动态响应和有限元模拟方面都取得了相当大的进步 1 静态分析 1 9 8 6 年沈伟琴应用极限理论和非线性规划方法 对近海固定 平台的撞击强度进行了静态分析 她没有考虑撞击过程中复杂的静 动力因素对 平台结构的影响 为此 陈伟刚等人提出了准静态分析方法 他们认为撞击过程 是个明显的动力过程 涉及到许多不确定因素 但为了简化计算模型 在研究撞 击问题的初步阶段可以进行静力的假定 即所谓的准静态分析 1 文中采用增量 有限元法以获得每 a n 载步的结构响应 计算中考虑了大变形和塑性变形引起的 非线性特性 对于圆管截面屈服函数作了如下推导 圆管截面如图1 1 所示 图1 1圆管截面应力分布图 由图1 1 中应力分布可得出如下算式 n 4 a y f a 7 i d 却砌 训争抑 m 嘞 心捌争妒 g y 2 i s 叫 当西 0 时 即得截面塑性轴力n p a y 刑d t 当 n 2 时 即得截面塑性弯矩蜱 a y d 2 t 1 1 2 从 1 1 和 1 2 中消去西 得到一个弯矩m 于轴力 的管线式 旦一c o s 兰旦 0 1 3 m p 2n p 天津大学硕士学位论文 第一章综述 其中 轴力 胍弯矩 n p 截面塑性轴力 舰 截面塑性弯矩 巩 材料屈服强度 d 钢管外径 f 壁厚 根据塑性流动理论 1 3 式所表达的弯矩和轴力的相互关系也可看作式圆 管截面的屈服面函数 屈服面的形状可用图1 2 简单示意 在图中曲线以内的点 是弹性的 曲线以外的点是塑性的 而在曲线上的点则表示处于塑性流动的临界 状态 删坳jl 一 甩珊p 图1 2 圆管截面屈服面形状 对于梁柱单元的屈曲准则 仅考虑了单元整体屈曲的状况 不考虑管壁的局 部屈曲 引用了w e c h e n 和t a t s u t a 的研究结论 土 旦三 1 4 石v 点 其中 九 梁柱单元柔度系数 o v 材料屈服强度 e 杨氏模量 h 梁柱单元长度 回转半径 r 爿 剖面惯性矩 a 剖面面积 两端间支的粱柱单元的屈曲强度n 按下式计算 天津大学硕士学位论文第一章综述 只一 0 1 o 2 0 1 5 0 9 9 0 o 1 2 2 1 一0 3 6 7 2 0 1 5 蔓a s l 2 0 0 5 1 0 8 0 1 u 2 1 2 五 1 8 1 5 0 0 0 8 0 9 4 2 f 2 1 8s 兄s2 8 万2 2 8 其中 n 梁柱单元屈曲强度 r 梁柱单元塑性轴力 r o y r d t 九 粱柱单元柔度系数 2 动态分析 撞击的过程是一个动态的过程 p e t e r s e n p e d e r s e n 和 p e d e r s o n j e n s o n 的研究成果指出 在中小程度的碰撞事故中 相当 部分动能 转化为受撞结构的弹性动能 在这种情况下 荷载具有明显的动力效应 在撞击 过程中结构的弹塑性变形大致可分为三类 来撞物的结构变形 受撞结构的 局部变形 受撞结构的总体变形 李润培 顾永宁等人根据国内外的研究资料 建立了撞击系统的局部损伤和总体弹塑性变形的混合模型及其运动方程式 根据 u e d a 等的线弹性数值分析结果和s m i t h 以及e l l i n a s w a l k e r 的实验结果 推导 了 个非线性的荷载一变形关系 用来描述受撞圆管构件在撞击点附近的局部凹 陷特性 n 1 在建立撞击系统运动方程式时 他们作了如下假设 1 来撞物体是一具有一定速度和质量的无体积的刚体 即主要研究受撞结 构对撞击的响应 忽略来撞物体的结构变形 2 计算包括了受撞结构中圆管构件管壁的局部凹陷损伤 并用一个单向受 压非线性弹簧模拟局部损伤特性 3 除了上述受撞构件局部凹陷变形外 受撞结构的总体变形则通过建立空 间刚架模型进行分析 因此 该撞击模型是一个局部损伤和总体变形的混合模型 4 撞击过程中 来撞物体上的水动力通过引进附加质量加以考虑 5 忽略作用于受撞物上的水动力 6 假定材料是弹性一理想塑性的 根据结构系统的动力平衡条件 建立增量形式的运动方程式 m d u c d u k d u d r 1 6 其中 d u 节点位移增量 d u 节点速度增量 d u 节点加速度增量 m 结构质量矩阵 c 结构阻尼矩阵 天律大学硕士学位论文 第一章综述 勘 结构切线强度矩阵 d r 外载荷增量矢量 当撞击发生时 在撞击点附近会发生管壁的局部凹陷损伤 如图l 一3 所示 k 一辫璃随 u 一 图1 3 圆管局部凹陷损伤示意图 由于撞击问题的复杂性 很难找到一个简单的解析模型来分析受撞圆管的局 部凹陷 即计算碰撞力p 与局部变形 凹陷深度 d 之间的关系 为此 许多研 究人员致力于通过实验方法或数值计算结果以获得p 埘之间的关系特性 b a i y o n g 等研究者认为 受挤压荷载作用的圆管构件在荷载作用点的局部线弹性变 形可用下式计算 屯 0 1 1 1 6 争去 1 7 其中 如 弹性变形 d 圆管外径 n 管壁厚度 p 作用力 e 杨氏模量 工c 接触区的轴向特征长度 特征长度工c 与管径 管长以及凹陷形状等很多因素有关 为了获得关于k 的经验公式 u e d a 等进行了线性板壳有限元分析 s m i t h 做了系列凹陷实验 根 据他们所得结果 工c 取平均值如下 l c 1 9 d 1 8 当荷载p 大于一个临界值 d 时 管壁将发生永久的凹陷变形 通过对长度 三c 的受挤压荷载作用的圆环的刚塑性分析 可得到临界载荷 e o 2 t r t 2 上c d 1 9 其中 临界荷载 o v 材料屈服应力 r 管壁厚度 k 接触区的轴向特征长度 天津大学硕士学位论文 第一章综述 d 圆管外径 永久的凹陷变形往往通过半经验公式计算得到 从能量角度出发 通过实验 数据的拟合 e l l i n a s w a l k e r 得出如下公式 岛 d p 3 7 5 0 r t 2 2 1 1 0 其中 昂 永久凹陷变形 d 圆管外径 p 作用力 o 材料屈服应力 n 管壁厚度 最后 当荷载p 大于p o 时 荷载作用点局部变形可由下式计算 d 如 昂 1 1 1 其中 d 载荷作用点局部变形 如 弹性变形 玉 永久变形 3 有限元法的应用 有限元法的优点是用户能够根据研究对象的具体结构 来建立详细的模型 并能在一个宽广的范围内精确地描述构件的材料特性 有限元对于撞击的分析可分为准静态分析与动态分析 准静态分析只建立部 分结构的模型 并用具有一定形状 不变形 的刚体对它施加载荷 这种方法的优 点是计算所得的数值结果与试验所得的测量结果之间比较容易进行比较 动态分 析法则显式或隐式地依赖于所采用的时间积分方法 隐式软件适合对稳态或缓慢 的过渡现象进行模拟 显式软件则适合对短暂的瞬态现象进行模拟 我国的有限 元研究起步较晚 还处在摸索和试验方面 主要是针对现有理论的实际应用进行 分析和讨论 以上对撞击问题在理论分析 实验计算和数值模拟方面取得的研究成果作了 简要的介绍 回顾撞击研究的发展过程 最初是围绕核动力船舶展开的 随后转 向大型油轮 最后进入了海上平台领域 由此可知 工程实际的需要是科学研究 的指向标 现在随着海洋油气资源的开发 海洋平台和海底管线的撞击问题成了 国内外研究人员关注的焦点 我国对于海底管线的研究工作还处于起步阶段 主 要工作集中在海底管线的稳定性研究方面 挪威船级社在海底管线方面的研究在 国际上处于领导地位 2 0 0 0 年颁布了 海底管道系统标准 其中明确提出应对 新建管道进行定量风险评估的要求 同时对评估方法也提出了可以采用h a z o p f m e a f t a e t a 及e c a 分析等方法的建议 其中又明确提出为了加强对海底管 天津大学硕士学位论文 第一章综述 道的保护 对由偶然性载荷引发的风险应进行定量风险评估 并制定了相应的标 准 d n v r p f 1 0 7 而目前实际工程中 业主对偶然性载荷所造成的后果也越 来越重视 并提出了对偶然性荷载进行定量风险评估的要求 目前 关于偶然性荷载风险评估方法的研究很多 其中d n v r p f 1 0 7 推荐 实施办法 一 管道保护的风险评估 的方法相对而言最为具体 该实施办法提 供了一种在偶然性外荷作用下管线保护的风险评估方法 1 2 本文的主要工作 d n v r p fj 0 7 推荐实施办法 中仅对平台起重机起吊重物时坠落物撞击管 道和船舶撞击立管的概率模型给出了较详细的计算方法 而对捕鱼作业条件下 海底管线关于拖网作业的风险评估仅给出了原则上的描述 本文的工作就是在 d n v r p f 1 0 7 的基础上 探讨海底管线关于拖网作业的风险评估方法 主要工作内容如下 1 拖网作业对海底管线的作用形式 2 不同作用形式下管线的评估标准 3 各种形式下的能量计算以及管线的响应 4 拖网设备对管线撞击的概率模型 5 故障概率的计算方法 6 利用风险矩阵 对整个捕鱼作业区域内的海底管线进行定量风险评 估 7 利用单纯单向法分析了概率模型的敏感度 9 天津大学硕士学位论文 第二章评估标准 第二章评估标准 定量评估的主要作用是量化分析偶然荷载作用下管线所承担的风险 在本文 中偶然荷载特指拖网设备施加于管线的荷载 下面通过图2 1 所示的评估流程图来说明本文评估思想 们 图2 1 管线评估流程图 总的来说 评估流程可分成两个阶段 即前期的数据准备阶段和后期的定量 评估阶段 数据准备包括 确定安全目标 定义安全标准 系统描述和危险鉴定 定量风险评估在上述工作完成之后进行 它是本文的核心部分 包括危险事件概 率的评估和危险事件后果的评价 图2 2 所示的风险矩阵可以很好的解释危险事 件概率评估和后果评价的作用 应用风险矩阵可以把损伤程度和发生概率巧妙的 结合起来 直观的确定事件是否在可接受范围之内 图2 2 中概率和后果等级分 别分成五级 表2 1 列出了常用的概率分级 后果分级会因为对管线抵抗能力 人员伤亡 环境影响和经济损失的侧重点不同而有所不同 详细描述见第四章第 1 0 天津大学硕士学位论文 第二章评估标准 二节 这样 只要确定了事件的概率和损伤等级即可确定相应事件的处理办法 发生概率在掌握有细节信息或统计数据的情况下可以通过计算获得 或者在工程 判断或操作经验的基础上通过估算得出 图2 2 风险评估过程示意图 等级 事件描述概率 1 低 低概率事件 可忽略 1 0 3 中等 不会单独发生 但当统计大量的管线数据时 1 0 1 0 4 一年将会发生一次的事件 4 管线运营期间事件单独发生一次的事件 1 0 2 1 0 例如1 0 0 年一见的风暴 5 高 运营期间事件单独发生多次的事件 1 0 2 1 安全目标 安全目标是指操作者所规定的在偶发事件中能够避免受害或能够承受损害 天津大学硕士学位论文第二章评估标准 二节 这样 只要确定了事件的概率和损伤等级即可确定相应事件的处理办法 发生概率在掌握有细节信息或统计数据的情况下可以通过计算获得 或者在工程 判断或操作经验的基础上通过估算得出 图2 2 风险评估过程示意图 表2 1 管线 缆线的年故障概率等级 等级事件描述概率 l 低 低概率事件 可忽略 1 0 4 一年将会发生一次的事件 4 管线运营期间事件单独发生一次的事件 1 0 冬1 0 0 例如1 0 0 年一见的风暴 5 高 运营期间事件单独发生多次的事件 1 0 2 1 安全目标 安全目标是指操作者所规定的在偶发事件中能够避免受害或能够承受损害 安全目标是指操作者所规定的在偶发事件中能够避免受害或能够承受损害 l l 天津大学硕士学位论文 第二章评估标准 的结构物 对于埋设的管线或具有隧道结构的管线 它们不会受到拖网荷载的干 扰 不在本文考虑范围之内 因此 本文所指的安全目标是在渔业区内进行生产 运营而且安置于海床之上的管线 1 2 2 可接受标准 可接受标准应该说明对人身安全 环境影响和经济损失所能承担的极限状 况 业主必须在开始安全评估之前确定可接受标准 当只考察部分管线时 可接 受标准应反映出所有管线所承担的风险级别 可接受标准的表现形式为结构在某一时间段内可接受的风险分布或结构的 失效概率 首先介绍的是一个公认的撞击频率分级 在没有统计数据可供精确计 算的情况下可根据实际情况选取表2 2 中所示撞击频率级别之一 以便确定可接 受标准 表2 2 拖网设备穿越频率级别 频率级别撞击频率 年 千米 高 1 0 0 中等 l 一1 0 0 低 1 0 00 oo l 1 0 0 o 31 5 10 73 5 凹陷尺寸可通过力一管壁凹陷关系进行估算或通过非线性有限元分析来完 成 还可以通过带有保护层的管线撞击测试来测量 2 2 2 防护层撞击评估标准 防护层的主要作用是保护钢质管线 此外还有增加管线的重量和热绝缘的作 用 它的有效性必须通过测试来证明 有防护层的管壁吸收的能量必须通过第三章中提到的撞击响应计算来确定 其中要考虑到测试装置的效率 测试中撞击次数应考虑到拖网频率 见表2 4 表2 40 5 米长管线测试撞击次数 撞击频率 年每千米 撞击次数 1 0 08 1 1 0 0 4 l l 防护层必须满足下述要求 管线钢质材料应受到足够的保护 确保管线凹陷尺寸不大于可接受标准 管线的防腐系统应保持完好 可接受的重量损失应与管线海底稳定性中的要求相一致 对于水泥防护层有如下附加要求 不暴露内部加强层 不允许水泥大面积剥落 典型尺寸2 0 0 2 0 0 r a m 天津大学硕士学位论文 第二章评估标准 2 2 3 拖扯评估标准 拖网的拖扯会给管线一个横向的位移 在与具弹性的轴向力相结合后 它可 能导致更大的偏差和并发的管线钢质材料的高强度利用 我们要处理的海底管线 有如下4 种典型情况 1 轴向力可忽略的管线 2 在拖网拖扯前可释放一部分有效弹性轴向力的管线 3 具有同时释放有效弹性轴向力和拖网拖扯力的管线 4 自由横跨的管线 应用下列规定来判断管线在拖网设备拖扯过程当中和拖扯过程之后是否能 进行安全作业 应在与其它荷载效果 例如温度荷载 管线下垂影响等 叠加的基础上检 查拖扯荷载的效果 应检查海洋管线系统涉及的所有相关的失效模式 例如膨胀 应力或应变形式 累积塑性应变等 在海洋管线系统的挪威规范中每一个安 全级别都给出了这些失效模式相应的利用系数 1 由并发的拖扯荷载造成的损伤积累 例如应变 是不允许的 如果情况允 许 应考虑同一地点的几个荷载 应检查拖扯荷载方向最严重的并发状况 即全 部都在同一个方向上或部分位于反方向上 2 2 4 勾扯评估标准 这是一个极少发生的偶然状况 属于发生在管线上的极端状况 它的力大到 可使绞索断裂的程度 当承受勾扯荷载时 如果情况允许 应在与其它荷载 例 如温度效果荷载 管线下垂影响等 叠加的情况下 检查拖网勾扯荷载的效果 应检查海洋管线系统的挪威规范中涉及的所有的失效模式 如膨胀 应力或应变 形式 累积塑性应变等 在海洋管线系统的挪威规范中的每一个安全级别都给 出了这些失效模式相应的利用系数 m 1 另外 勾扯荷载的效果还可以通过最大位移来检查 它满足和拖扯同样的标 准 根据最终极限状态 荷载系数应考虑最高的拖网设备撞击频率级别和在不平 坦海床上具有几个自由跨距管线的情况 最后需要注意的是在最低拖网设备撞击频率级别中不考虑勾扯状况 1 4 天津大学硕士学位论文第二章评估标准 2 3 系统描述 2 3 1 描述原则 在风险评估之前 应准备一份详尽的系统描述 该描述应包括管线生产运营 期间的全过程和至少如下细节部分 h 1 1 有可能影响管线 控制线缆整体性的活动 一平台或钻塔的起吊操作 一拖网捕鱼 底部拖网 一在生产区域内部或附近的供应船只及普通船只的活动 一水下作业 例如钻探 完井和调装等同期作业 一其它 计划内的建设工程等 2 管线 控制线缆的物理属性 一类型 钢管 挠性管或控制线缆 一直径 壁厚 保护层厚度 一材料 钢质和保护层质料 一施工细节 连接部 鹅颈弯头等 一输送物 气 油 冷凝液 水等 3 降险措施 一保护 一布线 一程序 2 3 2 拖网活动描述 在计算拖网设备荷载以及管线上的荷载响应之前 要收集预计在管线线路上 的拖船航行的基本数据 它们应包括如下沿线数据 但并非只限于这些 拖船种类 即工业拖船还是消费拖船 使用的拖网设备 类型 形状 尺寸 质量和速度 拖网穿越网线的频率 拖网设备或频率方面预计的或可能的变化 即新的设备 更大的拖船 频 率的增加等等 管线应依据上述因素以适当的方式进一步划分为更加明确的小段 数据应从相关的权威机构获得 设计过程中应保证收集的数据是相关的并且 天津大学硕士学位论文 第二章评估标准 随时更新 下面以北海挪威海区为例 对典型的拖网活动做了如下描述 1 1 拖船种类 使用最大设备的消费拖船 作业深度3 0 0 r e 使用较轻设备的工业拖船 作业深度4 0 0 m 捕虾船 作业于挪威海沟的深水区和近岸地区 2 拖网设备 拖网作业按拖网在水下作业深度不同 分为三类 上层拖网 中层拖网和底 层拖网 其中只有底层拖网设备简称底拖设备对海底管线具有威胁 底拖设备有 两种主要类型 拖网板设备和桁拖设备 它们的区别在于使网袋保持开放的方法 不同 拖网板设备用拖网板使网袋保持开放 如图2 3 所示 桁拖设备用横梁使网袋保持开放 如图2 4 所示 图2 3 典型拖网板设备 1 6 天津大学硕士学位论文 第二章评估标准 图2 4 典型桁拖设备 另外 偶尔会用到用两艘船的双拖和一船两网 如果管线有针对拖网板和横 粱的防护措施 则拖网设备不会对管线产生干扰 因此在这里不加以考虑 然而 如果为了使网袋下沉而在绞索上施加重物 那么就必须考虑拖网设备 存在着各式各样的拖网板设计 然而有两种主要类型 多元板和v 型板 它们是应用较为广泛的 一般来说 对管线造成最大荷载的是多元板 图2 5 和 图2 6 绘出了两种最大的拖网板 图2 5 典型消费拖船拖网板3 5 0 0 k g 多元板 天津大学硕士学位论文第二章评估标准 图2 6 典型消费拖船拖网板2 3 0 0 k g v 型板 拖网板的尺寸主要取决于所用网袋的类型 没有发现拖网板的尺寸和速度有 更深的关系 更多的是鱼的类型和数量决定了网袋的类型从而决定了拖网板的尺 寸以及速度 典型的梁托及其组件在图2 7 中给出 梁托是为了捕捞各式各样的鳊鱼而特 别发展的设备 它们主要用于北海南部平坦的浅海沙质海床区域 备用固 梁 架 索连接孔 图2 7 横梁梁托的轮廓 3 拖网撞击数据 由于捕鱼设备的发展和所捕鱼群的变化 在管线的生产运营期间拖网频率可 能发生很大的变化 应讨论以下几个方面以便得到管线和拖网设备之间的干扰频 率 此后统称拖网设备撞击频率 在相应区域内渔船密度 相对于管线的主流拖网航向 不同拖网设备和尺寸的分布 天津大学硕士学位论文 第二章评估标准 拖网设备撞击频率按下式计算 2 唿 v 口e c o s 妒 2 2 其中 石 每千米管线的年撞击频率 每艘渔船拖网板或梁托的个数 拖船密度 乩拖船航速 比例系数 口 主流航行方向与管线法线方向的夹角 注意 啦是指渔业区有可能遭受拖网设备干扰的管线长度与渔业区内管线总 长度的比例 如果有丰富的统计信息 可用一个拖船航行方向的分布函数代替 c o s p 上式用到的角度妒应不太于7 5 4 主要设备的变化 考虑拖网设备的时候 应注意到速度 撞击频率和应用区域等这些可能改变 的参数 例如 北海最大的拖网板已经从7 0 8 0 年代的1 5 0 0 k g 增加到1 9 9 6 年 的3 5 0 0 k g 在巴伦支海用到的拖网板已达到5 0 0 0 k g 捕鱼技术的发展可能开放新的渔业区 同时 国际法可能使某一个海域的捕 鱼活动发生变化 因此 必须确定拖网设备的相关数据和预计将来可能的发展以 及评估拖网和管线的相互作用 表2 5 列出了北海1 9 9 6 年最大的拖网板和横梁 的详细数据 表2 51 9 9 6 年用于北海最大拖网设备的数据 消费型 工业 横粱 多元板v 型板v 型板 质量 k g 3 5 0 02 3 0 01 5 2 55 5 0 0 尺寸 m 4 8 2 8 3 8 2 2 53 7 2 41 7 0 拖船速度 m s 2 82 81 83 4 2 4 危险鉴定 危险鉴定即通过相关活动的有效信息 鉴定出可能对管线 控制线缆造成损 伤的状况 危险鉴定应当系统地鉴定所有的外部偶发状况和可能的后果 对于拖 网作业 在拖网一管线相互作用中有三种危险 即撞击 拖扯和勾扯 把底拖设备穿越管线的过程分成两个时期 9 天津大学硕士学位论文 第二章评估标准 撞击 即拖网板或横梁击中管线的初始阶段a 这个阶段通常会持续百分之 几秒 管线的响应主要是管壁的局部变形 还可能包括各种用来抵抗撞击的防护 措施与拖网板或横梁的相互作用 拖扯 即拖网板或横粱与管线发生接触的第二个阶段 这时拖网板或横粱 开始拖扯管线 这个阶段可能持续一至几十妙 这取决于水深 跨距高度和其它 因素 这常会造成管线更为广泛的响应 勾扯 即当拖网板或横粱 粘 在管线底部对发生的状况 这是一个极少 发生的偶然状况 其力大到可使绞索断裂的程度 2 5 降低风险措施 当评估的风险超出可接受标准时 必须采用降低风险的措施以便生产的安全 进行 下表列出了几种常用的降低风险措施 表2 6 降险措施 措施特征撞击抵抗力 混凝土护板适用于低能量的撞击 如 拖网板撞 击 一般来说 单个的混凝土锥体只有有限的抗 混凝土护板撞击能力 约3 k j 然而在一次撞击时可能有几5 2 0 k j 个锥体共同作用 应注意的是这种板的稳定性应进 行验证 沙袋沙袋通常用于构造人工支座 也可用于保护 5 1 0 k j 捆扎对撞击荷载可进行有效的保护 能量吸收可按根据公式 捆扎 裸露钢管计算 然而要更改能量分级 唯一严重失 3 6 效是泄漏 和公式 管中管和捆扎相似 3 7 引入隧道结构以便解除管线的运动的限制 它可由 无限制 隧道结构几种几何形状和材质构成 因此可以获得各种承受通常至少 能力等级 5 0 k j 不回填挖沟是一种防坠落物的积极但效果有限的 方法 例如沉船 这种方法可以有效的降低击中管 挖沟 无限制 线的可能性 但它依赖于挖沟宽度和撞击物体的尺 寸 2 0 天津大学硕士学位论文 第三章能量计算及管线响应 第三章能量计算及管线响应 承接上一章的思路 针对拖网设备对海底管线的三种作用形式 撞击 拖扯 和勾扯 分析了它们的能量和管线的响应 3 1 撞击能量计算及管线响应 3 1 1 撞击荷载数据处理 撞击方向和传递到管线防护层的能量的数量通常取决于拖网板或梁托前端 的形状 管线直径和跨距高度以及相对于管线的行进方向 撞击能量由有效质量和有效速度构成 总有效质量包括横粱 拖网板的钢体质 量和附加流体的质量 有效速度可取值为拖船航行速度在管线法线方向的分量 有效质量和有效速度可通过模拟拖网设备一管线相互作用获得 或者用表 3 1 给出的数据 其中的数据由模拟拖网设备撞击一条绝对固定 静止的管线获 得并且给出了保守的结果 表3 一l拖网板撞击的设计参数 参数消费型 工业型 横梁 拖网板形状多元板v 型板v 型板 撞击方向 d e g 4 51 8o0 对水平方向 撞击速度m s2 82 81 83 4 钢体质量m k g 3 5 0 02 3 0 01 5 2 57 0 0 0 平面强度k m n m5 0 05 0 05 0 0 流体附加质量m k g2 1 4 m r1 6 0 m 2 9 1 m 弯曲强度k b m n m1 0 1 0 l o 注 横梁的钢体质量包括附加质量 天津大学硕士学位论文 第三章能量计算及管线响应 3 1 2 撞击响应计算巧1 在这一节里 使用经验公式计算了管线的响应 这种方法较为简洁 但是其 结果通常偏于保守 这种计算方法的基本假设是管线局部变形只有凹陷一种形 式 并且全部的撞击能量通过这个变形被吸收 折减系数如的取值依赖于管线 的直径 折减系数月危的取值依赖于管线直径和土壤类型 拖网板钢体质量的撞击能量 占 如 专 蛾y y 3 1 其中 e 拖网板钢体撞击管线的能量 凰 折减系数 m 拖网板钢体质量 c 影响系数 见图3 1 阢拖船航速 玩 l 廓 键9 啦 羹 图3 1 跨距高度对撞击速度的影响系数c h i n 图3 2 中给出了裸露钢管和由高强度水泥保护的管线两种情况下的j k 对 于较软的保护层 例如聚合物防护层 勘取保守值1 o e 天津大学硕士学位论文 第三章能量计算及管线响应 盈 罢 0 岳 籁 谣 壕 辖 嚷 2 蒡多7 自自f 一一 7 一 9 一 磊 夕 一 k 7 折藏系数注释 一 二 一 爿 蓬 1 对于泥土强度恤大干50 一 一 千帕和岩石海床的情况 折减乔散取l0 7 十 3 5 沙于 和s u 5 千柏 坭土 作为折 i f l 川o oj fs u js 十 减器致的下限 折减虽拽取值不能小干o 1 f p 十 口i j j o m i f t i f 3 对于土壤要使用线性插 值 ls j5 十 自自 月f 3 d 04 0 05 0 06 0 07 d o8 0 09 0 01 0 0 01 1 0 0 直径 毫米 图3 2 裸露管线和具水泥防护层管线的折减系数 对于桁拖 由管线及其防护层吸收的能量应由下式计算 e r s c v 3 t 2 其中 e s 桁拖撞击管线的能量 如 折减系数 c b 折减系数 r t l 肼桁拖总质量 n 拖船航速 注意 c b 是考虑到有效质量的折减系数 保守值为o 5 而式 3 2 中的 m 加包括了梁托 流体附加质量和灌注在空心梁里水的质量 流体附加质量主要分布在拖网板的垂直方向上并且在拖网板做横向弯曲时 起作用 与流体附加质量相关的撞击力可通过下式计算 咒5 c h y 蜥a 3 3 其中 f h 流体附加质量对管线的撞击力 c h 影响系数 以拖船航速 m 拖网板附加质量 天津大学硕士学位论文第三章能量计算及管线响应 如 拖网板的横向弯曲强度 相应的撞击能量是 五 r 扣 嘉 3 4 其中 e 流体附加质量对管线的撞击能量 尺自 折减系数 f b 流体附加质量对管线的撞击力 s m y s 拖网板钢材额定最小屈服强度 t 钢管壁厚 取决于管线直径和土壤类型 图3 2 给出了裸露钢管和由高强度水泥覆 盖的管线的胄自 对于较软的防护层 如聚合物防护层 r 盘应取保守值1 o 由管线及其防护层的局部变形所吸收的动能应保守的估计为最和历的最大 值 m a x 溉 乓j 3 5 其中 e 1 局部变形所吸收的动能 e 拖网板或横梁钢体对管线的撞击能量 e 流体附加质量对管线的撞击能量 对于桁拖 流体附加质量的动能已经包含在b 的计算中 由撞击造成的管壁的永久性凹陷也可以被估算为 焉南h 需 s 匕 悖瓯 s m y s 2 f 3 卢 3 7 其中 凹陷深度 k 管壁受到的撞击力 s m y s 拖网板钢材额定最小屈服强度 钢管壁厚 d 钢管公称外径 e l o c 局部变形所吸收的动能 由于厚聚合物防护层能够大量吸收撞击能量 于是由其覆盖的管线虽只能经 受较小撞击荷载却能承受较大的撞击能量 因此 上述简单的方法可能因为这种 防护层而给出并不保守的结果 天津大学硕士学位论文第