锚击是海底管道第三方破坏的主要形式之一,开发能够确切反映海底管道损伤后果的预警技术,对于早期预防因海底管道锚击破坏引发的生产与溢油事故,合理利用海底管道资源具有十分重要的意义。海底管道已安装了监测系统,但这些监测系统大多针对海底管道本体、腐蚀等的监测。对于海底管道损伤后果的监测与安全预警还处于起步和探索阶段。本文以海底管道法律法规、行业技术标准为依据,以安全评价理论和凹深损伤评价理论为指导,结合试验手段,建立了海底管道凹陷深度与载荷理论修正模型;利用在线监测技术、损伤评价技术和实时通信技术,构建了基于实时数据分析的海底管道损伤预警系统,实现对海底管道风险评估、损伤监测、损伤研判、控制与实时预警。为降低海底管道锚击破坏风险,科学实时预警提供可靠理论依据与技术支持。本文重点开展六个方面的研究工作:(1)海底管道锚击破坏安全屏障理论与危险性研究;(2)海底管道锚击损伤检测试验方法;(3)海底管道凹陷区域应变变化特征研究;(4)基于修正公式的海底管道凹陷深度理论模型与损伤评价研究;(5)基于实时数据分析的海底管道损伤预警系统;(6)海底管道预警软件平台开发与预警实现。主要研究内容如下:(1)海底管道安全屏障理论与危险性研究:基于海底管道事故统计数据,建立海底管道锚击破坏油气泄漏蝴蝶结模型,从事故原因到事故控制到事故后果,演绎海底管道事故发生发展过程。通过安全屏障理论,建立海底管道油气泄漏屏障模型,监测报警作为海底管道油气泄漏的安全屏障,提出建立海底管道损伤预警系统的必要性。(2)海底管道锚击损伤检测试验方法。构建海底管道锚击损伤试验系统,模拟海洋环境下海底管道损伤演化过程;根据自动化在线监测的要求,研发一套海底管道损伤检测系统,能够实时监测海底管道损伤特征参量的变化,为海底管道损伤在线监测奠定试验基础。(3)海底管道凹陷区域应变变化特征研究。利用所建立的海底管道损伤检测试验系统,再现海底管道锚击损伤过程。针对全尺寸海底管道试样,开展了海底管道损伤试验研究;通过试验系统分析了典型载荷及海洋环境条件下海底管道损伤力学响应特征;利用Abqus软件,考虑内压及海洋环境下,分析海底管道锚击损伤力学行为,提出了反映海底管道凹陷缺陷损伤敏感的参数体系,掌握海底管道损伤变形规律。为海底管道凹陷区域损伤判定提供可靠依据。(4)海底管道凹陷深度理论模型与损伤评价。根据海底管道锚击损伤的特点,开展不同影响因素条件下凹陷深度的特征分析;考虑管道尺寸及工况条件,设计了海底管道铺沙及海水条件下海底管道锚击损伤试验,结合试验数据,对载荷与凹陷深度理论公式进行修正,获得基于修正公式的海底管道损伤评价模型,为海底管道的损伤评价提供可靠理论依据。结合DNV海底管道损伤评价标准,对不同条件下的海底管道锚击损伤进行评价。为海底管道损伤预警系统的构建提供可靠的数据支持。(5)海底管道损伤预警系统的构建。研发基于GIS、通信一体化技术的由海上通信浮标、数据服务器和浮标监测客户端组成的立体化海底管道损伤预警系统,该系统可开展海底管道风险评估、损伤识别与实时预警。(6)海底管道损伤预警软件平台与预警实现。研发一款基于谷歌电子地图的浮标跟踪预警系统配套软件,该软件与浮标协同使用,形成浮标、数据服务器及客户端间数据友好交互,并实时显示在客户端的电子地图中,实现海底管道损伤的实时跟踪监测预警。为了验证预警系统及配套软件的有效性,设计海水条件下海底管道锚击损伤与预警综合测试试验,实验表明,海底管道损伤预警系统具有定位、损伤研判与实时预警功能,系统运行正常,结果可靠。