海洋立管的局部冲刷实验

第31卷第6期2009年12月沈阳工业大学学报Journal of Shenyang University of Technology

Vo l.31No.6Dec.2009

收稿日期：2008－12－18.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（50409015）.作者简介：陈

兵（1970－），男，辽宁大连人，副教授，主要从事港口工程结构等方面的研究.

文章编号：1000－1646（2009）06－0712－09

海洋立管的局部冲刷实验

陈

兵，邵

学，韩丽华，姜

萌

（大连理工大学土木水利学院，辽宁大连116024）

摘要：海洋平台立管底部的局部冲刷容易造成海底管道的暴露悬空，在波浪和水流作用下产生

疲劳破坏，

以往的研究多偏重于海底管道水平段局部冲刷，而对立管底部开始的局部冲刷研究较少.针对这些问题，通过实验室物理模型实验，利用波流水槽对波-流共存以及纯波浪条件下海洋平台立管-桩系统基础周围的局部冲刷进行了研究.通过实验观测立管系统周围海底地形的冲淤变化过程，得到冲刷稳定后的地形形态、各冲深监测点的冲深历时曲线及最大冲刷深度.通过对实测数据的分析，探讨了水深、波高、恒定来流流速、立管-桩系统倾斜角度以及床面泥沙粒径等参数对冲刷形态和最大冲刷深度的影响.关

键

词：海洋平台立管；立管-桩系统；波流共存场；物理模型实验；局部冲刷；最大冲刷深

度；冲淤形态；冲深历时曲线

中图分类号：U 656.6

文献标志码：A

Physical model test for local scour around marine riser

CHEN Bing ，SHAO Xue ，HAN Li-hua ，JIANG Meng

（School of Civil and Hydraulic Engineering ，Dalian University of Technology ，Dalian 116024，China ）

Abstract ：The local scour at the bottom of marine riser is easy to result in the exposure and suspension of sea-bed pipeline ，and thus the fatigue damage of the pipeline occurs due to the action of wave and flow.The pre-vious researches concerning the local scour problem of seabed pipeline mainly focus on the scour around a hor-izontal span rather than that at riser bottom.Thus ，the physical model tests utilizing wave-flow flume were con-ducted to investigate the local scour around a riser-pile system in both coexistng wave-flow and pure wave con-ditions.The change process in the sea bottom terrain around the riser system was observed.The scoured ter-rain of the sea bottom as well as the scour depth-time curve and maximum scour depth at different inspection points were recorded.Based on the meassured data ，the influnce of such parameters as water depth ，wave height ，flow velocity ，incline angle of riser-pile system and particle size of sediment on the scour pattern and maximum scour depth were discussed.

Key words ：marine riser ；riser-pile system ；coexsiting wave-flow field ；physical model test ；local scour ；

maximum scour depth ；scour pattern ；scour depth-time curve

国民经济的迅速发展及各行各业对能源需求

与日俱增，使海洋石油天然气的开发显得十分迫切.在海洋油气田的开采、

油气的储存、运输过程中常需要利用海底输油（气）管道和海洋平台立管.虽然随着海洋工程不断发展，海底输油（气）管道及海洋平台立管的局部冲刷问题逐渐地被关

注与重视，但是对波流共同作用下海洋平台立管

周围的局部冲刷研究却较少.

海洋平台立管是海洋结构系统中薄弱易损的构件，作为海上平台油气设施与海底管道的联系通道，其下端一般直触海床，上端则连于平台或者钻探船舶的油气设施.在波浪和水流作用下的立

管周围，可冲刷海床使之发生变形.海洋平台立管内部一般有高压油或者气流过，外部承受波浪、海流的荷载作用.同时立管系统的建成将使其周围的波浪和水流条件发生改变，对海床产生局部冲刷.冲刷的结果可能会恶化管道的受力，导致管线断裂，危及管道的安全，发生油气泄漏，造成污染，以及危及其他设施的安全等.因此，在海洋立管工程的勘察、设计、施工、运营等各个阶段都必须考虑海洋环境因素的影响和作用.比如：在管道设计过程中就应该了解管道周围的冲刷情况，其中包括冲刷范围，冲刷坑的稳定形状等，以便在设计和施工中采取必要的工程防护措施，从而保证管道在运行过程中的安全.

目前关于波浪作用下立管受力情况的研究较多，圆柱绕流和波浪作用下的桥墩、人工岛等大直径圆柱的局部冲刷的研究成果也较多，但立管周围局部冲刷的研究成果则较少.本实验研究了在波浪水槽中对管道周围的冲刷进行观测这一问题，得出立管桩在波浪和海流共同作用下，其床面的冲淤形态，立管局部冲刷的最大深度及冲刷范围.通过观测点的数据得到以下结果：①冲刷后的冲淤地形；

②最大冲深；③监测点冲深随时间的变化过程.

1实验设备与模型设计

1.1立管与支撑结构形式

海洋立管有很多种不同的分类方法.除了按照用途划分，一种常见的方法是按管道横截面的结构分类，即单壁管道、管中管管道（PIP）和集束管道.单壁管道是最普通的，在海洋和岸上都有广泛的应用.它能用于输出、油田生产/测试、注水等.常见的立管支撑结构有立管桩支撑立管及导管架支撑立管.

本文模型采用立管桩支撑单壁立管的结构.模型采用表面光滑的有机玻璃管，立管桩直径为80mm，立管直径为25mm.立管桩下端固定，将立管固定于立管桩之上.

1.2立管局部冲刷水文要素

立管局部冲刷水文要素如表1所示.

1.3实验设备与仪器

实验在大连理工大学土木水利学院港工实验室的波浪水流实验水槽中进行.实验水槽的主要尺寸：长17m，宽1m，深1.3m.水槽一端设造波系统设备与水流出流口.造波系统为可控硅摇板式造波机，该系统由微机控制.另一端设消能设施，以防止水流和波浪在水槽尾部产生反射波.水

表1水文要素原型值

Tab.1Actual flow field parameters

组次水深/m波高/m周期/s平均流速/（m·s－1）1-1

1-2

1-3

2-1

2-2

2-3

2-4

3-1

3-2

12

10

10

2.580.9

2.580.0

1.970.9

2.58 1.5

2.580.9

2.580.0

1.970.9

2.580.0

2.580.0

槽一端装有离心式水泵，水泵产生循环水流，经槽底管道进入水槽另外一端.水流与波浪同向.在水槽中段设置3mˑ1m的实验区域.模型区是深度为0.3m的沙盘，盘内填放实验用泥沙.在模型区中央安放模型，立管、水平管道及立管桩由PVC管及有机玻璃制成，结构示意图见图1.实验中主要测量和控制的项目有：波高与周期、流速和冲淤地形.流速用LYS-89A型电脑流速仪测定.实验中要求流速控制在预定要求值，而且在模型区内无建筑物模型时的横截面上均匀分布.流速的调试在模型安放前完成，在实验时按照设定控制流速.波高及周期的测定采用大连理工大学研制的LYL型浪高仪.波浪根据水池内的波高H和周期T确定，用造波系统的电压U和摇板机曲柄螺杆偏心距E来控制.冲淤地形用日本的淤厚仪测量.地形冲淤值是实验开始前该测点的高程读数与测定时在规定测点上的高程读数值之差

.

图1立管桩与立管结构示意图

Fig.1Structure of riser and pile

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第6期陈兵，等：海洋立管的局部冲刷实验