渤海灣海底輸油管道溢油風險評估分析*

張立奎，黃承義，李建偉，張永明

(1. 國家海洋局北海海洋工程勘察研究院 青島 266061； 2.中海石油環保服務(天津)有限公司 天津 300452)

?

渤海灣海底輸油管道溢油風險評估分析*

張立奎1，黃承義1，李建偉2，張永明1

(1. 國家海洋局北海海洋工程勘察研究院 青島 266061； 2.中海石油環保服務(天津)有限公司 天津 300452)

渤海灣海底輸油管道分布廣泛，文章重點從渤海灣海底地形地貌、沉積物類型、水動力條件、海底沖淤變化等自然環境因素的角度，半定量化計算研究區海底輸油管道溢油風險評估指標，劃分不同區域海底管道的溢油風險等級。并以埕島油田一條海底輸油管道為例，根據實際調查資料核實該海底輸油管道狀況，分析其溢油風險。

渤海灣；海底管道；溢油風險評估

渤海灣是我國海洋石油的重要產區，分布有埕島、趙東、渤西、南堡等油氣田，海底管線較多，分布復雜。近年來由于渤海灣進行了大量的圍填海工程，海岸線發生了巨大的變化，海底沖淤變化也較為復雜，有的海底淤積明顯，會掩埋輸油管道，有的海底發生明顯沖刷，會造成輸油管道懸空。通過對部分已有海底管道的現狀調查發現，海底管道暴露懸空現象較為普遍，這些非設計懸空會破壞輸油管道的穩定性，給海底管道的安全運行帶來嚴重隱患[1]。

渤海灣南部海域受黃河入海泥沙影響明顯，海底堆積大量黃河帶來的泥沙，該區域海洋環境、海底地貌條件、淺層工程地質十分復雜，黃河尾閭河道于1976年由釣口流路改道清水溝流路，造成渤海灣南部泥沙供給量減少，在強烈的水動力因素作用下，海底較不穩定[2]，沖淤狀況發生了較大的變化，成為海底輸油管道重要的不穩定因素。另外，部分海底輸油管道的設計壽命只有15年，許多現役海底管道已進入老齡期，管道本身的老化、腐蝕以及人為破壞，管道事故頻繁發生，嚴重影響了管道的正常運行和周圍的自然環境。目前較多的海底輸油管道將要到達使用年限，因此存在較多的安全隱患。由于海底輸油管道的運營環境風險對海洋環境影響較大，一旦發生管道溢油事故，將造成巨大的生態和經濟損失，因此，對渤海灣海底輸油管道溢油風險的評估已迫在眉睫，伴隨著大量輸油管道的退役，有關這方面的研究也應得到加強。

1 研究現狀

國內外對海底輸油管道運營環境風險的研究一直沒有停止，國外對管道工程進行風險分析這方面的研究較早，美國的W.Kent Muhlbauer提出了較為完整的指數打分法，將風險分為腐蝕、第三方破壞、設計因素與誤操作4個方面；Herbich等于20世紀60年代研究了埋設管道的沖刷現象，隨后提出了潮流影響下海底管道平衡沖刷深度的估算方法；Ibrahim和Nalluri通過實驗分析將沖刷分為動床沖刷和清水沖刷，提出了這兩種沖刷的底床剪切力系數對沖刷深度的影響[3-5]。

國內近年來一些學者在海底輸油管道風險性研究方面也取得了豐富的成果，余建星等[6]運用工程模糊數學理論，提出輸油管道風險分析中營運誤操作、維護誤操作、公眾教育等不易確定因素的風險評估方法，使指數法可運用于我國輸油管道的風險評估中。祁世芳等[7]通過對管道適用性評價、風險評價、完整性評價以及可靠性評價等模式進行討論、分析和比較，提出了我國輸油管道開展安全評估工作的建議。閻通等根據黃河三角洲埕北海域的工程地質條件和水動力條件，分析了海底管道埋置在一定土層深度和裸露于海床上的沖刷穩性，推算了管道沖刷平衡時的最大深度。王利金等對海底輸油管道發生懸空的原因進行了分析探討，并對懸空的海底輸油管道的治理提出了一些有效的方法[1]。楊兵等應用量綱分析方法對海流、管道與海床之間的動力耦合作用進行了分析，通過實驗模擬了典型海洋環境下海底管道的渦激振動和管道周圍海床沖刷等問題。楊毅等[8]計算并分析了某輸油管道懸空管段的應力和可靠性。

從國內外研究可以看出，海底輸油管道附近海底的沖刷嚴重威脅的管道的運營環境風險，通過建立海底輸油管道溢油風險評估指標對其進行風險評估，最終能夠減少風險需要投入資金，改進運行管理的方法，控制海底管道的風險。

2 溢油風險評估的指標概述

可能導致海底管線漏油的因素很多，如海底管線長期運行受海流和風浪的起伏而受力震動疲勞，造成管線薄弱環節焊縫開裂；海上作業拋錨誤碰損壞管線；輪船航運偏離航道刮碰管線，造成海底管線損壞；管線發生水擊壓力升高致海底管線波動位移拉力作用，造成管線破損；海灣海底急海水旋流長期沖刷海底管線泥沙，使部分管段懸空受力拉裂；發生地震、海嘯等不可抗拒的自然災害損壞管線等。溢油風險可概括為管道自身因素、人為因素和自然因素等[9]。

2.1 管道自身因素

海底管道使用材料有缺陷，施工中造成的管道破壞未及時發現，以及管道材料缺陷等都會對管道造成損壞。海底管道腐蝕也是一個重要因素，在海洋環境中引起腐蝕的因素很多，如海洋大氣鹽分、溫度、濕度、光照、海水鹽度、含氧量、氯離子含量、海洋生物、泥沙成分等都對管道有不同程度的腐蝕。

2.2 人為因素

管道設計不合理，海上工程施工、船舶起拋錨作業以及拖網捕魚等人為因素，會對海底管道造成破壞，安裝、不當操作及其他未知原因等。

2.3 自然因素

風浪和海流長期作用會造成管道周圍土體的沖刷，使埋設的管道露出管溝，并可能使管道懸跨過長，產生較大應力。自然力對海底管道影響主要有：海底地貌變遷、海床局部沖刷腐蝕、高速海流波浪侵蝕沖刷、懸跨、海床滑移、海床液化等。

本文主要從海底地形地貌、沉積物類型、水動力條件和海底沖淤變化4個自然因素對渤海灣海底輸油管道溢油風險進行評估。

3 溢油風險評估的指標概述

3.1 地形地貌因素

渤海灣海底地形平緩，水深由近岸向灣中緩慢加深，等深線基本平行于海岸線，灣內平均水深12.5 m，渤海灣北部曹妃甸淺灘以南有一WE走向的溝槽，最大水深可達38 m。渤海灣南部和西部為典型的淤泥質平原海岸，海岸帶寬廣低平，形態單一，潮灘處于潮間地帶，高潮時被海水淹沒，低潮時出露為灘地，是我國海岸帶淤泥質潮灘最發育的岸段之一[10]。

渤海灣海底坡度較大的區域為北部曹妃甸淺灘附近，以及南部老黃河口外海域。依據渤海灣海底地形特征，將研究區海底輸油管道溢油風險劃分為中等風險和較高風險。渤海灣北部曹妃甸淺灘附近和南部老黃河口外海域為海底輸油管道溢油風險較高區域，其他海域為中等風險區域。據海底地形地貌劃分的研究區海底輸油管道溢油風險等級如圖1所示。

圖1 研究區海底輸油管道溢油風險等級劃分(據海底地形地貌)

3.2 表層沉積物因素

渤海灣表層沉積物整體上呈現中部和南部細、北部粗的特點。渤海灣北部沉積物類型主要有砂、粉砂質砂和砂質粉砂，沉積物粒度較粗；渤海灣南部沉積物類型主要有粉砂、黏土質粉沙，近岸區域也存在一部分砂和粉砂質砂，沉積物粒度相對較細；渤海灣中部沉積物類型主要為粉砂和黏土質粉沙，沉積物粒度在渤海灣內最細。

渤海灣北部較粗的沉積物應該主要來源于灤河，灤河入海挾帶的泥沙沿渤海灣北岸向西輸運，較粗的泥沙在距河口較近的近岸區域沉積，形成攔門沙或潮流沙脊等砂質堆積體；較細粒物質則向西部和南部運移。

渤海灣南部存在的較粗的沉積物主要來源于黃河，渤海灣中部和南部較細的沉積物則由入海河流挾帶的細顆粒泥沙沉積而來，黃河入?？诟牡篮竽嗌硜碓大E減[11-12]。

依據渤海灣表層沉積物特征，將研究區海底輸油管道溢油風險劃分為中等風險和較高風險。渤海灣北部曹妃甸淺灘附近和南部老黃河口與濱州港之間近岸海域為海底輸油管道溢油風險較高區域，其他海域為中等風險區域。據表層沉積物劃分的研究區海底輸油管道溢油風險等級如圖2所示。

圖2 研究區海底輸油管道溢油風險等級劃分(據表層沉積物)

3.3 水動力因素

據渤海灣水動力狀況，北部曹妃甸海域和南部老黃河口外海域潮流流速較大，西部近岸海域潮流流速較小。

依據渤海灣水動力條件特征，將研究區海底輸油管道溢油風險劃分為較低風險、中等風險和較高風險。渤海灣北部曹妃甸海域和南部老黃河口外海域為海底輸油管道溢油風險的較高風險區域，渤海灣西部近岸大約20 km以內海域為低風險區域，其他海域為中等風險區域。據水動力條件劃分的研究區海底輸油管道溢油風險等級如圖3所示。

圖3 研究區海底輸油管道溢油風險等級劃分(據水動力條件)

3.4 海底沖淤變化因素

據渤海灣海底沖淤數值模擬結果，渤海灣南部黃河口廢棄葉瓣附近海域、大口河和套爾河河口附近海域以及曹妃甸西部海域呈明顯的侵蝕狀態[13]；渤海灣西部和中部則以淤積為主，西北部淤積量略大；近岸區域以淤積為主，部分海域存在一些呈帶狀分布的侵蝕區。

依據渤海灣海底沖淤變化特征，將研究區海底輸油管道溢油風險劃分為較低風險、中等風險和較高風險。渤海灣北部曹妃甸海域、南部老黃河口外近岸海域以及濱州港黃驊港天津港南港區外海域為海底輸油管道溢油風險較高區域，渤海灣南部離岸約20～30 km海域、天津港北港區外海域、曹妃甸港黃驊港港內附近海域為低風險區域，其他海域為中等風險區域。據海底沖淤變化劃分的研究區海底輸油管道溢油風險等級如圖4所示。

圖4 研究區海底輸油管道溢油風險等級劃分(據海底沖淤變化)

3.5 風險等級綜合分析

綜合考慮研究區海底地形地貌、沉積物類型、水動力條件和海底沖淤變化4個自然因素可以看出，渤海灣北部曹妃甸淺灘附近和南部老黃河口外海域可定義為海底輸油管道溢油風險極高區域，渤海灣西部近岸海岸線平緩、海底地貌簡單海域一般為海底輸油管道溢油風險較低區域，其他海域可視為中等風險區域。

結合研究區管道分布情況，埕島油田海底管線分布最多、最復雜，而此處又存在海底輸油管道溢油風險極高區域，因此埕島油田是研究區海底輸油管道溢油風險等級最高的區域。研究區北部曹妃甸及冀東油氣田附近也有部分管線位于海底輸油管道溢油風險較高區域，研究區西部的渤西油氣田大部分位于海底輸油管道溢油風險較低區域。

4 海底管道調查驗證

據2012年埕島油田管線復勘資料，中心一號-海三站457管道位于渤海灣南部海域，管道路由區水深在3.1～12.5 m間，由中心一號平臺向海三站登陸點處水深逐漸變淺，水深最深處在平臺附近，最淺處在登陸點處。調查區整體地形比較平坦，距中心一號平臺約2 590～5 970 m區域存在大面積沖蝕區域，水深變化在1～1.5 m，形成沿路由方向長達約2 216 m的沖刷地帶，沖刷溝最深處水深為8.9 m；平臺和登陸點防護帶處地形相對較復雜，中心一號平臺周圍有沖蝕地貌存在，登陸點防護帶周圍由于沖刷作用形成沖刷坑。

本次調查共發現3處懸空地段(圖5)：第一處懸空管道位于距平臺樁腿27～211 m的位置，懸空長度184 m，最大懸空高度1.86 m；第二處懸空管道位于距樁腿4 582～4 608 m的位置，懸空長度26 m，最大懸空高度為0.43 m，此處位于沖蝕溝內，溝深約1 m；第三處懸空管道位于距樁腿7 495～7 514 m的位置，懸空長度20 m，懸空高度最大為0.35 m。懸空管道多波束圖像如圖6所示。

圖5 中心一號平臺附近懸空管道圖譜

圖6 懸空管道多波束圖像

渤海灣南部海域海底沖刷較為普遍，尤其是海底管道立管底部的沖刷較為嚴重，也是造成海底管道懸空的一個重要因素，為了保證海底輸油管道在海底的穩定，應該改進常規的挖溝埋管工藝，盡量將管道埋設在不能沖刷的深度。建議對已經防護的長距離懸空管道加密防護，對未防護懸空部分立即進行防護，對位于沖蝕地貌發育地段的出露管道立即進行防護，對其他出露管道采取適當的措施進行防護。對于已經投產的海底管道懸空的治理，建議采用水下短樁支撐法，拋砂袋結合混凝土塊覆蓋法[14]進行防護。對位于沖蝕地貌發育地段的管道不定期監測，及時發現問題，預防事故發生，同時為工程設計提供準確的數據。

5 結論

本文重點從沉積物類型、水動力條件、海底地形地貌、海底沖淤變化等自然環境因素的角度，半定量化計算渤海灣海底輸油管道溢油風險評估的指標，劃分不同區域海底管道的溢油風險等級。并以埕島油田一條海底輸油管線為例，根據實際調查資料核實該海底輸油管線狀況，分析其溢油風險。

本文綜合考慮研究區海底地形地貌、沉積物類型、水動力條件和海底沖淤變化4個自然因素，可以看出，渤海灣北部曹妃甸淺灘附近和南部老黃河口外海域可定義為海底輸油管道溢油風險極高區域，渤海灣西部近岸海岸線平緩、海底地貌簡單海域一般為海底輸油管道溢油風險較低區域，其他海域可視為中等風險區域。結合研究區管道分布情況，埕島油田海底管線分布最多、最復雜，而此處又處于海底輸油管道溢油風險極高區域，因此埕島油田是研究區海底輸油管道溢油風險等級最高的區域。

通過研究可以看出，海底輸油管道附近海底的沖刷嚴重威脅的管道的運營環境風險，通過建立海底輸油管道溢油風險評估指標對其進行風險評估，最終能減少風險需投入的資金，改進運行管理的方法，控制海底管道的風險，因此本項目研究具有重要實踐意義。

[1] 王利金，劉錦昆.埕島油田海底管道沖刷懸空機理及對策[J].油氣儲運，2004，23(1)：44-4.

[2] 中國海灣志編纂委員會. 中國海灣志第十四分冊： 重要河口[M]. 北京： 海洋出版社，1998：626-733.

[3] ALTSHULER B， PASTEENACK F， Statistical measures of lower limit of detection of a radioactivity counter[J]. Health Physics， 1963，9(2): 149-154.

[4] CURRIE L A， Limit for quantitative detection and quantitative determination[J]. Analytical Chemistry， 1968，67(3): 586-593.

[5] IBRAHIM A，NALLURI C.Scour prediction around marine pipelines[C]//Proc 5th Int SymP on offshore Mech and Arctic Eng,Japan:Tokyo，1986：679-684.

[6] 余建星， 李建輝，黃國平，等.基于模糊綜合評判的輸油管道系統安全風險評估方法[J].中國海上油氣，1998，10(2)：13-19.

[7] 祁世芳，余建墨.輸油管道安全評估模式及其在我國的應用[J].油氣儲運，2002，21(3)：5-9.

[8] 楊毅，閆寶東，廖柯熹.輸油管道懸空管段應力計算[J].石油學報，2011，32(5)：911-914.

[9] 余建星，黃振廣，李建輝，等.輸油管道風險評估方法中風險分析因素權重調整研究[J].中國海上油氣，2001，13(5)：41-44.

[10] 李廣雪，楊子賡，劉勇. 中國東部海域海底沉積物成因環境圖[M]. 北京：科學出版社，2005.

[11] 中國科學院海洋研究所. 渤海地質[M]. 北京：科學出版社，1985.

[12] 李建偉，吳建政，胡日軍，等. 渤海灣西南部海域表層沉積物分布特征[J]. 海洋地質前沿，2011，27(9)：11-17.

[13] 尹延鴻. 現代黃河三角洲海岸的沖淤及造陸速率[J]. 海洋地質動態，2003，19(7)：13-18.

[14] 仲華.某氣田群海底管道的沖刷機理[J].油氣儲運，2011，30(5)：380-384.

國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室開放基金資助項目(201316)；國土資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室開放基金項目(MRE201403)；海油能源發展股份有限公司英才計劃課題“海上溢油懸浮羽流形成機理與探測技術研究”.

X74；P7

A

1005-9857(2015)08-0096-05