第三方活動沖擊荷載作用下近海管道損傷機理及風險評估研究現狀

姜逢源，董 勝

（1.中國地質大學（武漢） 海洋學院，湖北 武漢 430074；2.中國海洋大學 工程學院，山東 青島266404）

油氣資源是支撐現代社會生產建設的主要能源［1］。自2017年以來，中國已成為世界第一大石油進口國家，約70%的石油消耗來自于國外進口。為緩解能源消耗壓力，減少對外依存度，海洋油氣資源開發具有重要戰略意義［2］。海洋油氣田不論采用何種模式進行開發，都離不開油氣輸送管道。海底管道作為連接海底設施及陸上終端的介質，承擔著輸送油氣資源的重要任務，其結構安全是保障油氣開發生產的關鍵。

如圖1所示，統計資料表明［3-4］，由平臺墜物、船舶拋錨等第三方活動引發的沖擊荷載是造成管道失效的主要原因。中國有關第三方活動導致管道失效的事故頻發，愈加引起工程界關注。2005 年，由于不法分子打孔盜油，導致埕島油田管道泄漏，對300 km2海域造成污染；2008年，渤西油田天然氣管道由于船舶的意外拋錨導致了泄漏；2009 年，埕島油田由外力拖拽而失效；2011 年，珠海橫琴的天然氣管道由于機械損傷而發生泄漏事故，導致天然氣日產量損失達到4.53×106m3。目前，中國已建設的海底管道以近海管道為主，總長度達6 000 多千米，工作區域多集中在近岸、淺水地區［2，5］。近海管道工作區域內海洋平臺、船舶作業等第三方活動頻繁，時刻威脅管道輸運系統的安全。為有效保護近海管道，使其免受第三方破壞，降低其失效風險，開展沖擊荷載作用下海底管道損傷機理及風險評估研究具有重要意義。其目的在于：1）揭示沖擊荷載作用下管道損傷與演化機理，明確相關因素對結構響應的作用機制；2）探究含沖擊損傷管道失效模式及結構極限承載力，發展管道安全評估方法；3）構建管道風險評估模型，闡明管道失效演變規律，優化管道項目防護策略。最終建立探究結構損傷至失效風險演化規律的完整研究體系，實現近海管道輸運系統安全性與經濟性的統一。

圖1 中國、歐洲北海近海管道失效統計數據及第三方破壞示意Fig.1 Statistical data of failures for offshore pipelines in China and North Sea, and schematic diagram of third-party damages forpipelines

根據上述研究目的，分別從管道損傷機理研究、含沖擊損傷管道安全評估研究、管道工程項目風險評估研究3個方面開展國內外研究現狀分析，梳理其發展脈絡及各部分內容的內在聯系，進一步歸納相關研究的關鍵問題及發展趨勢，為中國近海管道安全防護設計及運營維護策略制定提供參考。

1 沖擊荷載作用下管道損傷機理研究

1.1 管道損傷失效模式

20世紀70年代起，學者們主要通過物理模型試驗的手段探究側向荷載作用下管道結構響應特征及變形失效模式。Thomas 等［6］通過試驗發現，簡支條件下，側向集中荷載作用下管道變形模式分為：局部凹陷，局部凹陷及整體彎曲，結構失效3 個階段，且其特征與管道幾何尺寸密切相關。Ghosh 等［7］通過萬能試驗機對圓環及短管構件的頂部及底部進行同步加載，獲得其管道變形—荷載關系曲線，歸納了不同長徑比條件下管道的變形失效模式與損傷特征。針對兩端固定管道，Jones 等［8］進行了一系列準靜態及動態沖擊試驗，共130組工況，試驗中管徑為22～324 mm，沖擊位置為管道跨中及四分之一跨長處，試驗中總結得到了4種管道失效模式。物理模型試驗的開展，為描述管道損傷的半經驗模型及理論模型發展奠定了基礎。Ellinas 和Walker［9］提出了預測管道局部凹痕深度的半經驗公式，在管道變形較小的情況下有較高精度。在此基礎上，Bai 和Pedersen［10］基于三維梁柱理論考慮了管道整體變形的影響，對Walker［9］提出的公式進行了修正，其結論適用于管道線彈性區?；趧偹苄岳碚?，Guedes Soares 和S?reide［11］以及Jones 和Shen［12］建立了描述不同邊界條件下沖擊荷載—管道變形曲線的簡化理論分析模型，用于獲取管道受撞擊后的變形損傷程度。進一步的，基于三維殼體模型，Wierzbicki和Suh［13］建立了考慮軸向荷載及彎矩荷載作用時，管道在側向沖擊作用下的理論分析模型，用于描述管道的局部損傷及變形行為。研究發現，管道變形特征—沖擊荷載關系與邊界處施加的彎矩荷載及軸向荷載密切相關，且當軸向荷載由預拉力變成預壓力時，管道對于側向沖擊荷載的承載力及能量吸收會有明顯下降。如式（1）所示，基于Wierzbicki 和Suh 的研究成果，DNV-RP-F107 規范［14］給出了描述管道凹痕深度和沖擊能量的公式，其假設沖擊荷載全部由管道變形吸收，且忽略了內壓的影響，對于管道損傷的評估結果偏于保守。

式中：E為墜物的沖擊能量，D為管道直徑；t為管道壁厚，mp= 1/4·（σy·t2）為塑性彎矩，σy為管道鋼材料屈服強度，δ為管道凹痕深度。

從上述分析可知，沖擊荷載作用下管狀構件的損傷包含局部凹陷及整體彎曲等多種失效模式。對于真實條件下綿延數公里的海底管道，平臺墜物、船舶拋錨等荷載的作用區域遠小于管道跨長，同時由于海床土體的連續支撐作用，管道所受沖擊損傷以局部凹陷為主。國內外相關研究也集中在探究沖擊荷載作用下海底管道的凹陷變形響應［15-18］，并以此作為度量管道損傷的主要依據［14］。Jiang等［19］在實驗室條件下開展了墜物—管道撞擊試驗，受撞擊損傷的管道試樣如圖2 所示。圖2 中虛線描繪出了撞擊中心處的管道變形橫截面，呈“桃”形。管道的凹陷程度在撞擊中心處最大，并向兩端逐漸減小，隨著距離的增加，管道的橫截面逐漸趨向于圓形，表明該區域管道結構幾乎未受到損傷。凹陷是管道運行中常見的幾何缺陷，是由于管壁內凹形成的永久塑性變形。凹陷的存在會引發管道的應變及應力集中，直接影響結構剩余強度，易在壓力荷載下引發爆破、疲勞，以及屈曲失效［20-21］。進一步的，為量化管道凹陷程度，Cosham 和Hopkins［18］對管道凹陷深度給出了明確定義：如圖3所示，管道橫截面直徑的最大減少量（AB兩點之間的距離）為凹陷深度δ。

圖2 管道試件空間變形特征Fig.2 Spatial deformation characteristics for pipeline specimen

圖3 管道局部凹陷示意Fig.3 Schematic diagram of pipeline dent

1.2 管土耦合作用下結構響應

為模擬接近真實工況下海底管道的結構響應，更多因素逐漸被考慮在內，包括內壓荷載［22］，邊界條件［17］，懸跨支撐［16］，軸向預荷載［23］，材料應變率效應［24］等，其中管土耦合作用近年來備受關注［15，17，25-26］。海床土體作為支撐海底管道的連續性柔體，在沖擊荷載的作用下通過管土耦合作用，對沖擊能量的轉化、管道的局部及整體結構響應等方面具有明顯影響；同時對于埋置管道，管道上覆土體提供的抗沖擊承載力可有效保護管道。上述過程涉及復雜的管土接觸模式、土體失效機理及彈塑性行為，在以往分析中并未得到充分考慮。理論模型通?；谀承┖喕僭O，應用范圍有一定限制性，對于眾多因素疊加下的結構響應描述不再適用。隨著計算機運算能力的提高，有限元數值模擬逐漸成為研究管道結構響應特征的主要手段，其具有嚴謹的理論支撐，在描述管道及土體等固體材料的非線性行為方面具有顯著優勢，有利于分析管土耦合作用對管道結構響應的影響。對于裸置在海床表面的管道，學者們通過試驗及有限元模擬［17，25-26］，建立了墜物—管道—土體模型，探究了剛性海床以及土質海床條件下，管道受撞擊時能量轉化的差異。結果表明，由于海床土體的柔性，部分沖擊能量轉化為管道的整體變形及土體的塑性變形，減緩了管道的局部損傷。進一步的，為充分保護管道免受第三方活動帶來的沖擊損傷，行業規范中指出需要對管道進行挖溝埋深處理［27］。但目前，尚無確定管道安全埋深的明確指導原則［28］。DNV-RP-F107［14］中僅考慮碎石墊層對能量的吸收作用，對埋深并未說明。美國船級社的規范［29］和國際標準化組織的ISO 15649 附則［30］也僅給出埋深的建議值，對于確定原則并未進一步說明；巴西、澳大利亞等國家對此提出的標準也并不全面。中國2021年頒布的《海底管道系統規范》［31］中給出了近海管道的埋深不宜低于1.5～2.0 m，但未給出具體確定依據。許多專家學者對于管道安全埋深做了相關研究。Gao 等［32］和Han 等［33］基于大變形有限元分析技術，考慮土體應變率效應，探究了墜錨在黏土海床中的貫入深度，并擬合相應的預測公式用于確定管道的安全埋深。在此基礎上，Jiang等［19，34-36］基于模型試驗及數值模擬針對埋置海底管道受墜物的沖擊損傷進行了一系列分析，包括損傷機理分析、失效風險分析及經濟評估，初步揭示了管土耦合作用對于結構響應的作用機制，闡明了埋深—管道損傷—失效概率的定量關系。圖4 闡述了沖擊過程中墜物—海床土體—管道結構的相互作用機理（其中，Uv、Uh分別代表管道橫截面節點坐標的豎直與水平分量）。在墜物與管道發生撞擊作用前，墜物首先會侵入管道上覆土體，沖擊作用使得土體逐漸向四周流動，使土體海床表面出現隆起。隨著墜物的持續侵入，土體產生較大變形及塑性應變，并逐漸達到剪切破壞極限狀態［32］。上述過程消耗了部分沖擊能量［17，26］。隨后，墜物以衰減后的初速度與管道發生撞擊，在該局部沖擊荷載作用下管道表面產生明顯的凹陷變形，同時由于四周土體的支撐作用，部分沖擊能量通過管土相互作用轉移到土體中，使得周圍土體產生部分位移及塑性應變。隨著管道變形程度及土體應變的增加，墜物沖擊能量向管道及土體中轉移，速度逐漸衰減至零，墜物開始回彈。隨后，管道變形彈性部分逐漸恢復，剩余不可恢復的塑性部分趨于穩定。

圖4 墜物—海床土體—管道結構的相互作用機理Fig.4 Interaction mechanism for dropped object-seabed soil-pipeline during impact process

以上研究表明，管土耦合作用對管道在沖擊荷載下的結構響應特征有顯著影響，對管道進行挖溝掩埋施工為保護管道免受第三方破壞的有效手段，管道上覆土體受墜物侵入過程中會發生剪切失效，吸收部分沖擊能量，減緩管道損傷，土體強度是決定埋深保護效果的關鍵因素。然而，《中國工程地質學》［37］中指出，由于風浪流、應力條件、沉積條件等多因素復雜作用，海底土層材料性質多變，土體強度具有明顯空間變異性特征［37-38］（圖5）。在海洋巖土力學研究中發現，土體強度空間變異性直接影響土體的失效機理，明顯降低其承載力［38-39］。目前，對于埋深管道沖擊損傷分析，大多數研究中均簡化海床為均質土體，忽略其強度變異性，無法真實反映土體失效模式及管道結構響應，低估管道損傷程度，為安全設計帶來潛在風險。因而如何有效描述土體強度空間變異性，揭示該條件下土體失效模式及管土耦合作用對管道損傷的作用機制為亟待研究的問題。

2 含沖擊損傷管道安全評估研究

如上文所述，遭受沖擊荷載后管道主要損傷形式為局部凹陷。凹陷的存在會引發應力及應變集中，降低管道結構承載力，繼而引發失效事故。如何評估含凹陷管道的安全性，探究凹陷對結構承載能力及失效行為的影響規律具有重要意義。一般情況下，凹陷根據幾何特征可分為平滑凹陷和彎折凹陷兩類［20］：平滑凹陷不存在壁厚減少，其變形區域中管壁曲率變化較為平緩，凹陷區應變較??；與之相反，彎折凹陷變形區域的管壁曲率變化梯度較大，凹陷區應變較大。但目前關于區分上述兩種凹陷類型的臨界曲率定義尚未有統一說法［40］。歐洲管道研究中心［41］認為凹陷區域最尖銳部分的曲率半徑小于5 倍管道壁厚時，可定義為彎折凹陷。

對于含單純凹陷（無劃痕、溝槽、腐蝕缺陷等復合凹陷）的管道，其安全評估一般通過基于深度或基于應變的評價準則來實現。在此基礎上，還應考慮凹陷管道的結構失效模式及極限承載力，以全面評估其安全狀態。尤其是對于彎折凹陷的情況，其應力集中更為嚴重，失效包含高塑性應變等復雜力學行為，需進一步展開研究。

2.1 基于深度的評價準則

對于含凹陷管道的安全性評估，由于測量數據容易獲得，基于深度的評價準則應用最為廣泛。挪威船級社在規范DNV-RP-F101［14］中給出了不同凹痕深度與管道外徑比值δ/D下對應的損傷分級標準，如表1 所示，可以看出，當δ/D超過5%時管道即存在泄露風險。加拿大標準協會在規范CSA-Z662-16［42］中指出，當凹陷最大深度超過6%外徑時，需采取修復操作。此外，在諸多國外規范中，如ASME B31.8［43］、API 579-1/ASME FFS-1［44］、PDAM［45］、API PUBL 1156［46］、DOT 49 CFR 192［47］中也給出了類似的臨界深度標準，其取值在2%～10%外徑之間，大多數為6%外徑。中國國家能源局在規范SY/T 6996—2014 也將6%外徑作為臨界凹陷深度標準［48］。

表1 管道損傷分級標準Tab.1 Damage classification of steel pipelines

然而相關研究表明［49-50］，單純以凹陷深度評估結構的安全性難以真實反映結構的應力應變狀態，還應考慮凹陷長度、凹陷寬度的影響。Baker［49］研究了不同尺寸凹陷的應力分布特征發現，凹陷深度相同時，長凹陷的最大應力要大于短凹陷的最大應力。Rosenfeld［50］開展了含不同尺寸凹陷管道的疲勞試驗，發現狹長凹陷的失效區域（最大應力應變區域）位于凹陷中心處，而短寬凹陷的失效區域位于凹陷邊緣。隨著管線用鋼等級的提高，材料韌性不斷增強，基于深度的評價準則過于保守。此外，即使在凹痕深度較小的情況下，管道也存在疲勞失效的可能［51］。

2.2 基于應變的評價準則

隨著管道缺陷檢測裝備與技術的發展，可獲取管道凹陷區域的高精度內檢測數據，基于應變的評價標準應運而生：根據凹陷區域的離散測量數據，通過插值或擬合等數值方法［52-53］，建立描述凹陷曲面幾何特征的函數，進而估計凹陷處的應變，以此作為評估結構安全性的指標。相較于基于深度的評價準則，基于應變的評價準則描述了結構在極限狀態下的應變特征，可反映客觀物理規律，一般認為具有更高精度。2007年，美國船級社在規范ASME B31.8［43］中提出了相應的基于應變的評估準則，其假設應變最大區域位于凹陷最深處，基于平面應變條件給出了關于環向彎曲應變εcb、軸向彎曲應變εlb、軸向薄膜應變εlm的解析表達式（式（2）～（3）），進一步按式（4）～（5）估計凹陷處的最大等效應變εmax。計算圖示見圖6［43］。該準則指出，當最大等效應變達到εmax=εc= 6%時，需采取修復或更換措施。其臨界值εc= 6%為3%～12%之間選取的數值，3%為規范ASME B31.4［54］及ASME B31.8中所允許的彎曲極限應變，12%為管材應變極限［49］，在這一應變狀態下材料變形開裂的可能性會增加。該方法為基于應變的評價準則建立了基本分析流程，為后續相關研究奠定了基礎。Gao 等［55］通過研究發現，環向薄膜應變及剪切應變對于應變的評估結果有重要影響，而ASME B31.8準則中未考慮上述因素的貢獻，存在一定局限性。進一步的，Lukasiewicz 等［56］提出了一種凹陷應變分析程序，在由凹陷處曲率估計彎曲應變的基礎上，結合理論解析及殼單元有限元模型對軸向及環向薄膜應變進行了求解，同時考慮了切應變的影響，基于塑性應變理論給出了等效應變的評估結果。其精度高于ASME B31.8 準則，然而需要注意的是，該方法需依托于管道凹陷區域的高精度內檢測數據以及有限元模擬，在涉及大變形問題時易產生計算問題，應用范圍受到限制。為實現管道應變的快速評估，Okoloekwe 等［57］提出了一種解析方法，將管道凹陷區域的變形分解至軸向、徑向及周向3 個方向，基于B 類樣條曲線建立相應的曲率特征函數，通過對上述函數的微分得到管道凹陷區域的應變張量。相較于ASME B31.8準則，該方法可描述非平面應變條件下的應力狀態。然而由于未考慮初始缺陷、應力集中等因素的影響，評估結果相較非線性有限元分析結果偏為保守。

圖6 ASME B31.8應變評估準則計算圖示Fig.6 Schematic diagram of strain-based assessment criterion in ASME B31.8

上述研究表明，對于含單純凹陷的管道，理論解析法和有限元分析法均可以較為合理地評估管道缺陷區域的應力狀態，從而判斷結構的安全性。理論解析法通?；谀承┖喕僭O條件，評估精度較低，但計算效率較高。有限元分析法可宏觀考慮多種因素的影響，評估結果更為精確，但需要依托專業知識，同時對計算資源的需求較大。實際應用時，可基于解析法快速判斷凹陷的嚴重程度，繼而對目標工況采取有限元分析，以細致觀察其結構應力應變狀態［57］。

式中：εcb、εlb、εlm分別為環向彎曲應變、軸向彎曲應變、軸向薄膜應變；x，y分別為管道橫截面節點的橫、縱坐標；εin、εout分別為內、外表面等效應變；Rp為管道半徑；Rc、Rl分別為管道橫截面、軸向面曲率半徑；d為凹陷深度；L為凹陷長度。

2.3 內壓荷載下結構響應特征

如前所述，凹陷的存在會引發應力應變集中現象，直接影響結構承載能力。研究發現，一些案例中凹陷即使滿足基于深度或應變的評價準則，管道仍會發生失效［51，58-60］。因此，對于含凹陷管道的安全性評估，在根據凹陷區變形尺寸以基于深度或基于應變的準則判斷其安全性的基礎上，還應對其結構承載力進行校核。對于近海管道而言，內壓荷載為首要考慮的外部荷載［40］。探究含凹陷管道在內壓荷載下的結構響應特征，明確相應承載能力，對準確判斷結構安全狀態具有重要意義。

當凹陷種類為平滑凹陷時，其不存在壁厚減少，凹陷形成過程中材料會產生應變硬化效應，使其材料強度提高，同時內壓荷載作用下凹陷發生回彈，一定程度上減緩了缺陷形變，其剩余強度未有明顯下降［40，60-61］。而對于彎折凹陷，情況則有所不同。Jandu 等［58］通過有限元分析發現，含有曲折凹陷的管道，其剩余強度較無缺陷管道有顯著降低，并指出由于未考慮凹陷區域曲率的影響，美國石油協會規范API-579-1/ASME FFS-1［44］中基于深度的評估準則不再適用于含曲折凹陷管道的安全性評估。為進一步探究凹陷對管道爆破壓力的影響，劉嘯奔等［62］通過非線性有限元模擬，分析了管道爆破壓力與凹陷深度、凹陷半徑、徑厚比的關系，并擬合了相應的經驗公式。研究發現，隨著凹陷深度的增加、凹陷半徑的減小，管道的爆破壓力呈明顯的下降趨勢。田驍［60］基于等效塑性應變失效準則［63］，探究了凹陷深度、曲率對于管道極限壓力的影響規律，確定了相應的臨界曲率半徑及臨界凹陷深度，修正了基于深度的評價準則。此外，凹陷對內壓荷載下管道的應變分布特征有明顯影響，繼而對失效模式及承載力產生作用。針對API 5L X52管道，Shuai等［64］通過原尺度管道壓力試驗（管徑為D=720 mm，壁厚為t= 8.1 mm）及有限元分析發現，在內壓荷載加載過程中，凹陷區域的應變變化頻繁，且凹陷中心處的應變變化量最大。這一特征表明，工作內壓的微小波動有可能引發管道應變的劇烈變化，在長期工作狀態下易引發結構的疲勞失效。Huang和Zhang［65］基于非線性有限元分析探究了內壓荷載下含凹陷的API 5L X80 管道的塑性應變分布規律。研究發現，隨凹陷深度變化，塑性應變最大的區域逐漸由凹陷深度中心沿著周向往邊緣偏移，且凹陷曲率變小時，塑性應變不斷增大，有可能產生爆破失效。而ASME 規范中假定最大塑性位置出現在凹陷中心的條件不符合上述結構響應特征，此時基于應變的評價準則是否適用有待進一步研究。同時，研究指出管道壁厚對于塑性應變分布也有重要影響。

Zhang 等［40］指出，目前對于含彎折凹陷的管道，相關的壓力試驗及數值分析研究成果較少，內壓荷載下結構響應特征尚不清楚，難以準確描述凹陷特征對管道承載能力（剩余強度、疲勞強度）的影響規律。若采用基于深度或基于應變的準則來評估結構安全性，易產生較大偏差。由于海洋環境荷載以及人類第三方活動的強隨機性特征，平臺墜物、船舶拋錨等沖擊荷載作用于管道的位置、角度、量級等因素多變。沖擊荷載對管道產生凹陷損傷的種類、位置包含多種情況，對管道結構響應的影響規律也不盡相同。因此，如何將凹陷特征對結構失效特征及承載力的影響融入管道安全評估方法中有待進一步研究。

3 管道工程項目風險評估研究

為保障海底管道系統安全運行，優化管道項目運營經濟效益，實現管道工程項目安全性和經濟性統一，需開展兩部分研究工作：1）定量風險評估，準確識別管道失效概率；2）經濟風險評估，基于定量風險評估，同時考慮管道失效的經濟成本后果，以及管道建設防護的投入成本，形成合理完善的管道建設、檢修及維護策略。

3.1 定量風險評估

定量風險評估是減小海底管道失效概率、降低事故后果的有效途徑。Moan等［66］給出了平臺附近船舶撞擊及墜物落水的概率計算方法及對應的能量大小，并對其進行了風險評估。Katteland和Oeygarden［67］針對深水落物的風險進行了分析，給出了不同類型墜物的荷載分布。Bai和Bai［68］給出了各種類型撞擊下海底管道的失效概率，研究了其風險的預測及可接受準則。Mazzola［69］提出了一種估計海底管道受平臺墜物撞擊的失效概率方法，該方法以凹陷深度大于20%管徑作為失效的判據，分析了不同墜落點、管道地點對失效概率的影響，并將該方法應用到兩個工程案例中?；陬愃频脑?，挪威船級社在DNV-RP-F107 規范［14］中提出了墜物撞擊下海底管道失效概率的計算方法：首先計算墜物擊中管道的概率；隨后估計管道在撞擊事故發生時的失效概率，二者的乘積即為管道總失效概率。該方法為后續研究提供了良好的分析框架。在此基礎上，許多專家學者對管道的碰撞及失效進行了評估。丁紅巖等［70］改進了DNV規范方法中碰撞概率的估計方法，求解不同墜物撞擊下管道的失效概率，并指出墜物質量及管道尺寸是影響失效概率的主要原因。但上述方法大多數采用經驗公式描述管道損傷程度，忽略了沖擊過程中非線性因素的影響。為解決上述問題，Kawsar等［71］結合有限元分析及蒙特卡洛抽樣法得到了管道失效的超越概率，并充分考慮管道受沖擊荷載下的結構非線性因素，評估結果更精確。Jiang 和Dong［34-35］進一步考慮管土耦合作用及管道埋深的影響，結合概率抽樣、有限元分析及機器學習算法，建立了管道失效概率與管道埋深及土體性質之間的定量關系，為管道安全埋深確定提供參考。

對于管道受撞擊損傷的失效風險評估，其結構極限狀態方程一般可按式（6）表示。其認為當變形凹陷深度與管徑比值δ/D達到某一臨界值時，管道即發生失效，而ηc的取值則對應著不同的風險接受準則，ηc取值越小，對應風險接受準則越為嚴格。DNV 規范［14］指出，當δ/D僅超過0.05 時，將不會對管道結構產生實時影響，但需要對其進行檢查和功能評估。當δ/D超過20%，此時管道會發生破裂，會立即威脅到人類的生命，并對經濟和環境帶來重大損失。Jiang和Dong［34］在其研究中曾探討過這一問題，圖7給出了不同風險接受準則下管道結構累積失效概率Pcf與埋深e的關系。當ηc=0.05 時，即使埋深e=2.0 m 的管道也無法保證其累積失效概率Pcf＜ 1×10-5。相比之下，當ηc=0.20時，埋深為e=1.0 m時管道結構的累積失效概率即可滿足Pcf＜ 1×10-5，其具體數值大約是ηc=0.05準則下相應失效概率的四分之一?？梢钥闯?，不同失效判別標準下對應的失效概率與安全埋深有明顯差異。因而，選取合適的管道失效評估準則為失效風險評估的關鍵因素。

圖7 不同風險接受準則下管道累積失效概率隨埋深的變化Fig.7 Variations of pipeline cumulative failure probabilities with burial depth subjected to different risk acceptance criterions

式中：x為隨機變量矢量；ηc為管道失效臨界參數，根據風險接受準則而定，一般可取ηc=0.05～0.20。

3.2 經濟風險評估

在管道項目設計及運營階段，常采取挖溝埋深以及定期檢修維護等手段，以降低沖擊及腐蝕引發的失效風險。然而，過度保護措施勢必引起投資的巨大增加，反之，若保護措施不足，則引發嚴重經濟損失和環境污染。因此，需充分考慮事故發生的失效概率、經濟成本后果（如管道事故產生的經濟損失費、環境損失費等）及投資成本［72］，對管道項目進行經濟風險評估，從而采取恰當防護手段，保障管道項目安全性及經濟收益。

Park 等［73］開發了一種管道運營風險管理系統，用于評估管道失效概率及相應的后果成本，歸納總結了引起管道失效的主要原因，包括第三方破壞、腐蝕、焊接缺陷及地層運動。Shafiee 和Ayudiani［74］提出了一種基于風險的管道工程完整性評估模型，采用貝葉斯理論計算腐蝕因素影響下海底管道的失效概率，結合相應后果成本及投資成本（設備檢查、維護和修理等費用），得到項目運營最優策略。類似的，Tee 等［75］建立了管道全周期成本優化模型，首先分析了管道服役期內在腐蝕和外界荷載等因素下的失效概率，繼而考慮風險及成本因素，通過智能算法尋找最佳管道維護方案。Aljaroudi 等［76］針對海底原油管道，考慮管道腐蝕泄漏失效及泄漏檢測裝置失效的聯合概率，建立了基于時變可靠度理論的經濟評估模型，給出獲得預期運營收益的臨界干預年份。

目前，相關研究中的經濟風險評估大多是針對腐蝕管道開展的。通常是對項目進行期望理論分析，如式（7）所示，根據期望生命周期成本Lcc（life cycle cost，簡稱LCC）的貨幣價值來進行決策。一般情況下，最佳方案為使Lcc的貨幣價值達到最小的方案（式（8））。在上述研究中，第三方破壞往往僅作為引發風險的一個因素被考慮在內，因而難以針對性評估相關防護措施對應的失效概率及經濟收益。同時，第三方破壞屬于典型的低概率—后果嚴重事件（失效概率量級在10-5～10-3左右），類似于建筑結構中的地震災害［77-78］。此時若繼續采用期望理論進行分析，所估計的期望經濟損失值會因過小的失效概率而導致最終的結果微乎其微（式（7）等號右邊第三項），此時采取防護手段獲得的防護收益甚至為負值，這一現象及結論也在關于建筑結構抗震經濟分析及船舶綜合安全評估的研究文獻中得到了印證［79-80］。針對這一特征，學者們建議通過引入效用理論［81-82］及累積前景理論（cumulative prospect theory，簡稱CPT）［83］來評估低概率—后果嚴重事件的經濟風險。CPT 引入了價值函數和權函數的概念來評價失效事件的后果及相應的失效概率，通過調節低概率—后果嚴重事件及高概率—后果輕微事件的權重，使決策更符合客觀規律，能解釋人們在選擇決策偏好的非線性、追求風險和規避損失等現象?；诶鄯e前景理論及定量風險分析模型［34］，Jiang 和Dong［36］建立了管道第三方破壞防護項目的經濟評估模型，得到了管道埋深、失效概率及防護收益三者間的定量關系。

式中：Lcc(T)為管道項目生命周期成本；T為管道服役周期；E（·）為求期望函數；Cini為項目初始投資；CM（i）為第i年的維護費用；Cf（i）為第i年因失效事故引起的經濟損失；Pf（i）為第i年的失效概率；Lcc，opt為最優管道生命周期成本；Lcc，j(T)為第j個決策方案對應的管道項目生命周期成本；n為決策方案的個數。

總體上看，關于管道風險評估研究的相關理論及方法較為完善，為后續研究提供了可靠的分析模板。然而需要注意的是，目前海底管道第三方破壞的風險評估研究中大多數以基于深度的評估準則作為受沖擊損傷管道的失效判據。相關研究中指出，失效判據對于風險評估的結果有重要影響。因而在后續風險評估研究中，應著重考慮凹陷特征對結構失效模式及承載力的影響：針對潛在的多種凹陷損傷特征，將相應的安全評價準則納入失效判據體系中。

4 結論與展望

近海管道為中國海洋油氣開發產業的重要組成部分，其安全性問題至關重要。第三方活動引起的沖擊損傷是近海管道失效主要原因。隨著海洋資源開發強度的逐年增加，人類第三方海洋活動越發頻繁，勢必增加管道失效風險，對管道安全設計及防護策略提出新的挑戰。文中圍繞沖擊荷載作用下管道損傷機理及風險評估這一主題，針對其損傷機理、安全評估及風險評估3 個方面的國內外研究現狀進行了綜述，梳理了各部分研究內容的發展脈絡及各部分內容間的承接關系，明確了影響管道安全的關鍵因素，并對未來的研究工作提出建議。

1）忽略海床土體的理想條件下，管道在沖擊荷載作用下的損傷機理研究已有較為豐富的成果，相應的模型試驗及理論模型可以較好描述管道變形與沖擊荷載的定量關系。進一步考慮管土耦合作用時，由于其涉及諸多包括土體大變形、材料應變率效應等復雜因素，非線性有限元分析結合試驗驗證為主要研究手段。管土耦合作用對于管道結構響應有重要影響，管道上覆土體受墜物侵入過程中會發生剪切失效，吸收部分沖擊能量，減緩管道損傷，土體強度是決定管道損傷程度的關鍵因素。然而海床土體性質多變，強度具有明顯空間變異性特征。相關研究指出，在強度空間變異性條件下，土體具有多種失效模式，承載力較均質土體明顯下降。若忽略這一因素，會低估管道損傷程度。因此，在未來研究中應重點探究強度空間變異性條件下管道上覆土體的失效模式及管道結構響應特征。

2）局部凹陷為沖擊荷載對管道造成損傷的主要形式，包含平滑凹陷及彎折凹陷。對于含凹陷管道安全評估，目前大多數方法均以基于深度或基于應變的評價準則開展。對于平滑凹陷，上述方法具有較高精度。對于彎折凹陷，凹陷區域曲率變化梯度較大，應力應變集中更為嚴重，其剩余強度及疲勞強度明顯下降，上述評價準則不再適用。目前相關研究較少，包括內壓荷載下凹陷特征對結構失效行為的作用機制，對結構承載能力影響規律，以及彎折凹陷的臨近曲率定義等。

3）對于沖擊荷載作用下海底管道工程項目的失效風險及經濟風險評估，相關研究方法與體系較為成熟。為考慮結構損傷的非線性因素，可采用有限元模擬、蒙特卡洛抽樣及機器學習算法結合的手段實現數值分析與概率分析的耦合問題。對于管道第三方破壞這類低概率—高風險事件，建議采用CPT 理論進行經濟風險評估，可合理平衡失效概率及后果的權重。但目前大多數研究中對于失效準則的判斷均來自于基于深度的評估準則，這種方法對于彎折凹陷的情況會引起較大誤差，影響失效概率估計精度及防護策略制定。概率分析中，不同抽樣工況中管道凹陷損傷特征多變。因而在今后研究中應考慮不同凹陷特征對結構失效行為的影響規律，基于相應凹陷安全評估準則構建全面的失效判據體系，以合理估計具有凹陷損傷多樣性特征的目標管道失效概率。