穿越航道的海底管道保护设计抗锚害分析研究.pdfVIP

V01．54 1 54卷增刊1 中 国 造 船 Special 2013年1月 SHIPBUILDINGOFCHINA Jan．2013 文章编号：1000-4882(2013)S1-0101—06 穿越航道的海底管道保护设计抗锚害分析研究 李庆，马坤明，王凤莲，熊海荣，崔少敏 (海洋石油工程股份有限公司， 天津300451) 摘要 在穿越航道的海底管道保护设计中，锚害是影响管道安全性的关键问题。论文分析研究了落锚的冲击 能量以及回填埋设对冲击能量的吸收能力，锚在海床土壤里的拖曳轨迹，锚一一土壤一一堆石层一一管道 交互作用下拖曳轨迹。通过实例计算，验证了管道在设计埋深下的安全性．研究成果将为管道埋深设计提 供一定的理论指导，对于保证管道安全和降低成本具有重要意义。 关 键 词：海底管道；保护设计；落锚；拖锚；埋深 0引言 在海底管道中，穿越航道的那一部分管道面临的风险主要来源于过往该航道的船舶主动或被动的 抛锚。一旦管道发生破损、泄露，将对经济造成难以估量的损失，对环境的破坏更是无法想象。在确 保管道的安全性方面，抗锚害分析己成为一个亟待解决的重要课题，本文将针对穿越航道的海底管道 抵抗落锚和拖锚的问题进行分析和研究。 1 落锚分析 1．1落锚的冲击能量 根据牛顿第二定律，可以用如下的微分方程表达锚在水中的运动： Mv竺：形一FD (1) 式中，M为锚的质量，kg；形为锚的浮重，等于锚的重力减去浮力，N；，’D为海水对锚的阻力，N。 求解该微分方程，可以得到锚落入水中深度为z时的速度： 2 V=I 式中，G为重力加速度，m／s2；H为锚自由下落时处于海面以上的高度，m；U为锚的体积，m3；Ps为 端面面积，In2；v为锚落入水中深度为z时的速度，IIl／s。 当水深z0m时，对式(2)求极限可得落锚的终端速度： vT：卜竺墨垫：型12 (3) CDp，AF ‘【- ．J RP 在DNV 中 国 造 船 学术论文 与上式的计算结果相同。 落物的有效冲击能量定义如下…： 1 ， 、 ． 乓=Er+EA=去【朋-t-m。户T2 (4) Z 式中，所为落锚的终端速度对应的动能，kJ；厶为水动力增加质量对应的能量，kJ；m为落锚的质 量，kg；m。为附连水质量，kg 1．2吸收落锚冲击能量的能力 RP 根据DNVF107[11，可以计算出回填材料、混凝土配重层、防腐涂层以及钢管等对落锚冲击能 量的吸收能力。针对穿越航道的海底管道，一般要进行埋深设计，考虑回填材料(土或堆石层)对落 锚冲击能量的吸收，以确保为管道留有足够的安全余量。 回填材料(土或堆石层)吸收落锚的能量，可按以下公式计算【11： (5) Ep=0．57’DNyApz-I-y’Z2N4Ap 式中，岛为吸收的能量，kJ；)，’为填充材料的有效单位重量，kN／m3；D为落物的直径，m；Ap为落物 的塞紧面积，m2；z为穿越深度，rn；％，M为底部承载力系数。 通过计算得