海洋立管的局部冲刷实验
某型舰主机海水管路的模拟冲刷腐蚀研究
某型舰主机海水管路的模拟冲刷腐蚀研究周晓光;董彩常;宋伟伟;丁继峰【摘要】Seawater cooling system is crucial in the Naval ships. There are higher requirements for the reliability of the seawater pipeline system on warships by the modern Navy ,and hence the requirements for its anticorrosion performance also become higher. According to the design proposal of the anticorrosion performance of the seawater cooling pipelines of the main engines on warships ,this paper conducts the corrosion tests of seawater pipelines , and studies resistance to seawater erosion-corrosion under the normal/accelerated flow rate. The results can provide reference for anticorrosion design of seawater pipelines on warships.%海水冷却系统是舰船的重要系统，现代海军对舰船海水管路系统使用可靠性要求更高，对海水管系的防腐能力提出了更高要求。
文中针对某型舰主机海水冷却管路的防腐设计方案，建立海水管路系统的腐蚀试验平台，研究了常规/加速流速下管路系统的耐海水冲刷腐蚀性能。
此次试验的研究结果对舰船海水管路防腐蚀设计具有较好的参考价值。
海底管线冲刷问题研究综述
维普资讯
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８ ・
韩艳等
海 底 管 线 冲 刷 问 题研 究 综 述
２ ０ 年 ８月 ０７
底 管线所受 的波压 力和 升力 ； 高 、 陡 、 波 波 水深 、 埋深 、 土壤 黏稠 系数等 各种 不 同参 数对 波压力 和升力 的影 响 。 围绕管线周 围 ３ 位置 （ 个 沿圆周 每隔 １ ０ ） ２ 。测量 波压 力 ， 现 波压 力 和升 力在 高黏 稠指 数 的土壤 中小 于低 黏 发
附近 冲刷 的影 响进 行 了模 型试 验 ， 步得 到 了冲刷发 生 的临界波 浪条 件及稳 定 后 冲刷 坑 的深度 和 范 围。Ｙ． 初
Ｍ．Ｃ ｉｗ（ ９ ９ １ ９ ） ｈｅ １ ８ 、 ９ ３ ～ 究 了波浪作 用下 ， 研 管道 上安 装阻 流板 （ ｐ ｉ ｒ 对 冲刷 深度 、 Ｓ ｏｌ ） ｅ 幅度 及 冲刷 发展 速度 的影 响 。Ａ．Ｖ．Ｋｕ ｒ ｌ １ ２ ０ ）５ ｍａ ： ．（ ０ ３ Ｅ 研究 了波 浪作用 下 ， ｅａ ３ 黏性土 中管 线周 围的 冲刷 。实验结果 表 明 ， 黏性
的研 究 不 多 ， 以 试 验 研 究 为 主 。 且 ２ １ 室 内试 验 研 究 ．
根据试 验研 究条件 及侧重 点不 同 ， 分为 以下几 类 。 可
２ １ １ 以研 究 波浪单 独作用 下海 底管线 受 冲刷 机理 的试 验 ． ．
大连理 工大学 李玉 成 、 陈兵等 （ ９ ６ 一 针对 波浪作 用下 海 底管 线 上 的升力 、 平力 等 进行 了模 型试 验 １９ ） 一 水 研究 ， 通过试 验分 析波 浪场 中管线周 围 的流场特 性及 其对 管线受 力 的影响 ， 为近海 管线设 计提 供 了必 要 的依 据 。天津大 学秦 崇仁等 （ ９ ５ 利用 波浪 水槽 ， １９ ） 针对 不 同水深 、 同波 要 素 、 同管 径和 泥 沙粒 径 等对 管 道 不 不
海流引起的海底管道周围砂质海床局部冲刷机理研究
海流作用下海底管道侧向失稳特征的试验研究闫术明，高福平，吴应湘摘要对海流载荷下管道在砂质海床上侧向失稳的物理过程进行了试验模拟，分析了管道侧向失稳的典型特征。
水动力试验发现，管道侧向失稳经历了三个特征时间：(1)砂粒起动，(2)管道轻微侧向位移，(3)管道侧向失稳。
利用机械加载装置分别研究了两端自由和防滚两种端部约束条件下管道在侧向失稳过程中的侧向土阻力及管道沉降特征。
实验发现，随着管道水平位移的增加，侧向土阻力逐渐增加并最终达到极限值；而端部约束条件对极限侧向土阻力及其与管道沉降量之间的关系影响较大。
两种模型试验结果具有较好的对比性，海流引起的局部冲刷可降低管道侧向稳定性。
关键词：海流；海底管道；失稳特征；侧向稳定性；侧向土阻力1 引言海洋油气资源开发已逐渐由浅海走向深海，波浪对海底管道在位稳定性的影响逐渐减弱，而海流则成为重点考虑的海洋环境载荷之一。
合理分析海流作用下海底管道侧向稳定性对深水管道设计与施工具有重要意义。
迄今，国内外研究者大多侧重于研究波浪作用下海底管道的侧向稳定性[1-5]，而关于海流作用下海底管道侧向稳定性的研究却较少[6, 7]。
在海流引起的管道侧向失稳过程中，管道沉降深度和侧向土阻力将随着管道水平位移而发生变化。
对上述变化规律的揭示，将有助于进一步建立合理描述管道侧向失稳的管土相互作用模型。
本文将采用水动力和机械加载的试验方法，模拟海流载荷下管道侧向失稳的物理过程，进一步分析管道侧向失稳的典型特征。
2 管道侧向失稳过程的水动力试验模拟2.1 水动力模拟装置及方法水动力试验是在单向流水槽中进行的。
水槽长19m，宽0.5m，高0.6m，试验水深0.4m，试验段（见图1）布置在水槽中间位置。
水槽底部铺设15 cm 厚的石英砂。
试验管道为光滑的不锈钢管，直接铺设于饱和砂床上，水流方向垂直于管道轴线。
基于相似理论，通过改变模型管道的水下重量W）可模拟大尺寸实际管道的相应水下重量条件下的侧向稳定性[7]。
适用于海管防冲刷治理的人工草固沙促淤实验研究
适用于海管防冲刷治理的人工草固沙促淤实验研究海管防冲刷治理是指在海洋沿海地区利用各种措施预防和控制其受到海浪侵蚀和冲刷的行为，以保护海岸线的稳定性和海域的生态环境。
人工草固沙促淤是一种常用的海管防冲刷治理方法，通过人工铺设或种植植物，形成人工草坪来增强海岸防护和固沙效果，同时促进沉积物的淤积，在海管防冲刷治理中有着广泛的应用。
本文旨在基于人工草固沙促淤的原理和操作方式，开展相关实验研究，深入探究其在海管防冲刷治理中的适用性和有效性。
一、实验目的1.评估人工草固沙促淤在海管防冲刷治理中的效果。
2.探究人工草固沙促淤对沉积物淤积速率的影响。
3.分析人工草固沙促淤的经济性和环境适应性。
二、实验设计1.实验地点：选择具有明显海管防冲刷问题的海岸线进行实验。
2.实验材料：-人工植被草皮-实验用沉积物-实验设备：密封容器、海水泵、计时器、激光测距仪等-实验仪器：pH计、浊度计等3.实验步骤：-将含有海水的密封容器放置于实验地点，以保持实验环境的一致性。
-在容器内设置一定数量的实验用沉积物，模拟海岸沉积物的淤积情况。
-铺设一定数量的人工植被草皮，分为不同密度和高度的处理组。
-定期测量沉积物淤积的高度和覆盖面积，并记录下相关数据。
-分析实验结果，并对人工草固沙促淤的效果进行评估。
三、实验内容1.植被对沉积物淤积的影响分析：-选择不同密度和高度的植被草皮进行实验，观察其对沉积物淤积的影响。
-测量不同植被处理组的沉积物淤积高度和覆盖面积。
-比较不同处理组之间的差异，评估不同植被处理对沉积物淤积的促进效果。
2.实验参数的调整：-根据初步实验结果，进行适当的参数调整，如植被密度和高度的优化选择。
-通过调整实验参数，进一步提高人工草固沙促淤的效果，确保其在海管防冲刷治理中的适用性和有效性。
四、实验评估和结论-通过对实验结果的分析，评估人工草固沙促淤在海管防冲刷治理中的效果。
-根据实验数据，分析人工草固沙促淤的经济性和环境适应性。
海底管线局部冲刷机理研究综述_谷凡
第 28 卷 第 5 期 海 洋 通 报 V ol. 28, No.5 2009 年 10 月 MARINE SCIENCE BULLETIN Oct. 2009收稿日期：2008-10-08；收修改稿日期：2009-02-02基金项目：国家自然科学基金重点项目(50439010)海底管线局部冲刷机理研究综述谷 凡1, 2，周 晶1，黄承逵1，李林普1(1．大连理工大学 土木水利学院，辽宁 大连 116024；2．沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168)摘 要：局部冲刷造成的悬空是海底管线失效的最大诱发因素。
对均流及波浪作用下铺设在海床表面管线的局部冲刷起动机理、临界条件以及2D 局部冲刷机理、流—管—土耦合机理和3D 局部冲刷机理等做了分析和总结。
关键词：海底管线；局部冲刷起动；2D 局部冲刷；流—管—土耦合；3D 局部冲刷；冲刷机理中图分类号：P751；P753；TE832 文献标志码：A 文章编号：1001-6932(2009)05-0110-11来自油井的油、气、水混合体在输送到岸边之前需要在平台上进行生产处理，并将油气通过海底管线系统输送到岸上。
传统上通常采用硬质钢管作为海底管线，管线采取直接放置、半埋和浅埋于海床三种方式。
无论何种铺设方式，海底管线在大面积冲刷、土体塌陷、土体液化等因素作用下都有可能出现局部悬跨现象。
另外，管线的存在改变了原流场形态，管线附近水动力加强造成的海底管线局部冲刷也可能使海底管线出现局部悬跨现象。
悬跨管线可能会在波流水动力作用下出现静力破坏，还可能在涡激振动长期作用下出现疲劳破坏。
这种非设计性悬空产生的非设计性荷载给海底管线安全运行带来严重隐患，国内外海底管线工程中均有由于非设计悬空而发生事故的工程案例。
据密西西比三角洲和墨西哥湾海底管线事故统计数据表明[1]，与海底管线悬空相关的事故占总事故的44.3%；埕岛油田CB251C-CB251D 海底注水管线泄漏也是一起由于管线悬空引发事故的典型案例[2]。
应用切割单元法对海底管道局部冲刷数值模拟
应用切割单元法对海底管道局部冲刷数值模拟
陈兵;张桦
【期刊名称】《海洋工程》
【年(卷),期】2012(30)1
【摘要】采用SIMPLEC算法的有限体积法,求解非定常流动的N-S方程,采用k-ω紊流模型,通过模拟均匀无粘性推移质的冲刷和淤积,得到海底管道由搁置在海床上的状态变为悬跨状态这一过程的管道周围局部海床冲刷情况,建立了海底管道局部冲刷的二维数值模型。
海底管道从搁置在底床上到冲刷悬空的过程中,管道周围的空间产生了拓扑变化,这给采用贴体网格并在计算过程中进行网格重构的传统方法带来了很大困难,而采用切割单元法,把物体轮廓从静止的背景直角坐标结构化网格中切割出去,计算过程中不需要传统意义的网格重构过程。
数值模型预测的海底管道周围局部冲刷结果与Mao的物理模型实验实测结果及Liang和Cheng等的数值模拟结果符合较好,验证了模型的准确性。
【总页数】9页(P66-74)
【关键词】局部冲刷;海底管道;有限体积法;切割单元法;k-ω紊流模型
【作者】陈兵;张桦
【作者单位】大连理工大学建设工程学部港口与近海工程研究所
【正文语种】中文
【中图分类】P756.2
【相关文献】
1.海底管道局部冲刷数值模拟分析 [J], 刘延鑫;王旱祥;王苗
2.考虑波浪自由表面作用的海底管道局部泥沙冲刷数值研究 [J], 刘名名;吕林;滕斌;唐国强
3.海底管道周围局部冲刷数值模拟分析 [J], 孙建伟;耿红;孙昭晨
4.海底振动管道局部泥沙冲刷数值研究 [J], 殷俊; 刘名名; 冀昊; 金鑫; 郭晓玲
5.海底管道局部冲刷的二维数值模拟研究 [J], 徐风;吕豪杰;郭俊杰;周香莲
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海底管线作用下沙质海床冲刷深度的计算
海底管线作用下沙质海床冲刷深度的计算杨少鹏;拾兵【摘要】针对海底管线在输送石油过程中出现的管线冲刷问题,采用物理模型试验并控制一系列不同的试验变量,研究了单向恒定流作用下,海底管线未安装阻流器、安装阻流器及不同间隙比作用下,其下方海床冲刷深度的变化规律.试验结果显示,冲刷深度随雷诺数及阻流器高度的增加而增加;冲刷深度随间隙比的增大而减小,同时根据海床冲刷停止的流速公式(冲止流速),认为动水休止角是冲止流速的主要影响参数.利用流体的连续性条件,从不同角度推导了管线安装阻流器且有间隙比条件下冲刷坑深度的计算公式.结果表明:冲止流速、管线周围流场分布是冲刷深度的决定因素.经试验数据与计算公式的对比验证发现,计算值与试验值吻合良好,本文建立的公式能反应冲刷坑深度的变化规律,在实际工程应用中可适当参考此公式.%Aiming at the pipeline scour appearing during oil transportation,a physical model was adopted in experi-ments and a series of different test variables was controlled. Changes in the depth of scour hole underneath the pipeline were studied under the action of unidirectional steady flow and the following conditions:installing spoiler, not installing spoiler,and different gap ratio. Results demonstrated that the scour depth of the underneath seabed increased with the increase in Reynolds number and spoiler height but decreased following the rise in the gap ratio. In accordance with the formula of erosion-stopping flowing velocity,the repose angle of flowing water was the main parameter influencing the erosion-stopping flowing velocity. By utilizing the condition of fluid continuity,a calcula-tion formula on the depth of the scour hole was deduced from different viewpoints andunder the following condi-tions:the pipeline was installed with spoiler under a gap ratio. The erosion-stopping flowing velocity and the distri-bution of flow field around the pipeline were the decisive factors of scour depth. By comparing the calculation re-sults with the experimentaldata,the calculation values and test values coincided well. Therefore,the formula could reflect the changes in the depth of the scour hole,and the formula can be properly referred to in actual engineering applications.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2018(039)006【总页数】6页(P984-989)【关键词】海底管线;单向恒定流;阻流器;间隙比;冲止流速;动水休止角;流场分布;冲刷深度【作者】杨少鹏;拾兵【作者单位】中国海洋大学工程学院,山东青岛266100;中国海洋大学工程学院,山东青岛266100【正文语种】中文【中图分类】TV131.61近年来，由于陆地资源的枯竭和海上油气田的大量发现，世界各国都开始重视海上油气田的开发和利用，因此海底管线在海工建筑中应用越来越广泛，但由于受复杂海洋环境的影响，铺设在沙质海床上的海底管线极易发生局部冲刷，造成管线悬空，从而引起涡激振动，而这种振动是造成管线失事的主要原因[1]。
波浪作用下海底管道振动与局部冲刷耦合作用数值研究
波浪作用下海底管道振动与局部冲刷耦合作用数值研究波浪作用下海底管道振动与局部冲刷耦合作用的数值研究是海洋工程领域的一个热门研究方向。
海底管道承载着海底油气资源的开发和传输，在波浪作用下，海底管道受到波浪力、水流力和海底侵蚀等多方面的作用，容易发生振动和局部冲刷。
为了保证海底管道的稳定和安全运行，需要进行深入的研究并提出相应的措施。
首先，波浪作用会产生周期性的水动力作用力，导致海底管道振动。
这种振动会对管道的稳定性和疲劳寿命产生不利影响。
因此，数值模拟分析可以通过求解海底管道的动力学方程，得到管道的位移、应力和振动响应等关键参数，从而评估管道的振动情况。
其次，局部冲刷是一种固体颗粒在水流作用下对管道表面进行冲刷的现象。
局部冲刷会导致管道表面的材料丧失，甚至破坏管道的完整性。
在波浪作用下，海底管道易受到局部冲刷，使得管道的寿命大大降低。
因此，研究局部冲刷对管道的影响，对于管道的设计和材料选择有着重要的实际意义。
为了研究波浪作用下海底管道振动与局部冲刷耦合作用，可以采用数值模拟方法进行分析。
数值模拟方法可以通过建立相应的数学模型，采用计算流体力学（CFD）或其他方法对管道系统进行模拟和仿真。
数值模拟可以考虑波浪力、水流力和局部冲刷等多重物理过程，得到管道的振动响应、应力分布和局部冲刷情况等关键参数。
在进行数值模拟时，需要对波浪力、水流力和局部冲刷等物理过程进行建模。
对于波浪力，可以采用线性波浪理论或非线性波浪理论进行建模。
对于水流力，可以通过求解雷诺平均Navier-Stokes（Reynolds-averaged Navier-Stokes，RANS）方程或湍流模型来分析。
对于局部冲刷，可以采用离散元法（Discrete Element Method，DEM）或颗粒流模型进行建模。
通过数值模拟分析，可以得到海底管道在波浪作用下的振动响应和局部冲刷情况，并评估管道的稳定性和耐久性。
基于数值模拟结果，可以进一步优化管道的设计和材料选择，提出相应的加固措施，以确保管道的安全运行和长期稳定。
考虑波浪自由表面作用的海底管道局部泥沙冲刷数值研究
考虑波浪自由表面作用的海底管道局部泥沙冲刷数值研究刘名名;吕林;滕斌;唐国强【摘要】该文利用有限元方法,在任意拉格朗日一欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)观点下求解不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程和泥沙榆运方程,建立了可充分考虑波浪自由表面影响作用的海底管道局部冲刷数值分析模型.其中,流动的湍流效应通过SST k-ω模型进行模拟,波浪自由表面及底床变形通过动网格方法进行实时界面追踪,模型同时考虑了悬移质输沙和推移质输沙.通过与已发表研究成果的对比验证,该文所建立的模型具有良好的数值精度.在进一步考虑波浪自由表面效应的基础上,对海底管道局部冲刷问题开展了数值研究,考察了入射波高和波浪周期对局部冲刷以及管道受力的影响作用.该文所建立的数值模型是对以往长期采用简化的振荡流模型(忽略波浪自由表面效应)进行海底管道局部冲刷数值研究的重要发展.【期刊名称】《中国海洋平台》【年(卷),期】2016(031)001【总页数】9页(P42-49,54)【关键词】波浪;海底管道;局部冲刷;自由表面;数值模拟【作者】刘名名;吕林;滕斌;唐国强【作者单位】大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】P75海底管道是进行海洋油气资源开发的重要工程设施，铺设于海底的管道在水流、波浪等复杂海洋环境条件作用下，极易发生局部冲刷、管道悬空和涡激振动疲劳破坏，这将给海洋油气生产企业带来巨大的经济损失，甚至引起严重的海洋环境污染。
因此，有必要对海底管道的局部冲刷问题展开研究。
针对海底管道局部泥沙冲刷问题，Breuser[1]认为，当外部流动速度小于某一临界流速时，局部冲刷深度会随着流速的增大而不断增大，当达到临界流速之后，流速的增大不会导致冲刷深度的进一步增加。
混凝土联锁排应用于海底管线冲刷防护试验研究_张宗峰
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图 1 联锁排表面水流速度矢量 Fig． 1 Water flow velocity vector on mattress surface
图 2 联锁排底面水流速度矢量 Fig． 2 Water flow velocity vector on mattress bottom
3 模型试验
3． 1 模型试验设计 （ 1） 试验在波浪双向流浑水水槽中进行，水槽长 50 m，宽 1． 0 m，深 1． 5 m，水槽的一段配有伺服电机不
（ 2） 模型制作： 在水流和波浪运动中，惯性力和重力起主导作用，故试验模型应遵循弗劳德相似或重力 相似准则，模型与原型波浪的弗劳德数相同。试验的模型几何比尺设计为 1∶ 10 和 1∶ 15，联锁排排体和海 底管道模型如图 3 和图 4 所示。
图 3 联锁排模型
图 4 海底管道模型
Fig． 3 Test model of interlocking mattress
－ cn2
2F( k)
x L
－
t T
，k
（ 3）
式中： L 为 波 长 （ m ） ，T 为 周 期 （ s ） ，F( k) 为 第 一 类 完 全 椭 圆 积 分，E( k) 为 第 二 类 完 全 椭 圆 积 分，
[ ( ) ] cn2 2F( k)
x － t ，k 为模数 k 的雅可比椭圆函数。 LT
当模数 k 位于 0． 88 ～ 1． 0 之间时，公式可简化为 δm
=
0． 298
(1 － λ)H r'r
，通过计算得出波浪作用（
H
=
3． 48 m） 时的稳定厚度为 0． 167 m。
2． 2 数值模拟计算
利用 GMBIT 进行混凝土联锁排数值模型的建立和网格划分，为简化取 3 × 3 排体计算，单个混凝土块体
确定海底埋设输油管线允限冲刷长度的一种实用方法
第18卷 第3期西南石油学院学报 V o l.18 N o.3 1996年 8月 Jou rnal of Sou thw esten Petro leum In stitu te A ug 1996 确定海底埋设输油管线允限冲刷长度的一种实用方法王 维(石油机械工程系)摘要 本文根据梁的强度理论提出了确定海底埋设输油管线冲刷长度许用值的一种方法—弯矩修正法,并给出了算例。
算例表明该方法计算简单、结果可靠,不失为一种工程实用方法。
主题词 海底管道;冲刷作用;长度中图法分类号 TE873.1前 言埋设海底的输油管线,因海流对不稳定海床的长期冲蚀以及海流和输油引起的管线振动等复杂因素作用,常导致原埋设管线出现跨度逐渐增大的悬空裸管段,即所谓冲刷段。
为了确定这个冲刷管段的允许长度,文献[1]根据梁的振动理论进行了分析[附注文献],根据壳体稳定理论进行了分析,这些方法的一个共同点是分析和计算复杂,给工程实用带来不便。
为此,本文针对这样一类问题,即在冲刷模型发生共振或失稳之前,管线的最大工作应力就达到材料许用应力的问题,按梁的静强度条件,导出了确定冲刷长度许用值(以下称允限冲刷长度)的工程实用方法,并计算了文献[1]中的算例。
计算表明本方法计算简单、结果可靠。
1 理论分析1.1 力学模型管线的力学模型如图1所示,假设原管线水平埋设于海底,冲刷段长度2L,受管及管内介质重力和海流冲刷力的共同作用,这些力可合成均布载荷q,其作用面与铅直平面形成夹角。
埋设段考虑到管、油重力与地基反力平衡,因而仅考虑冲刷段变形对埋设段的附加影响,故埋设段假定为置于弹性基础上的无重半无限长梁。
图中x oy平面为合成均布荷载q作用的平面。
1996-03-12收稿图1 管线力学模型1.2 埋设段提供的边界条件从埋设段截取d x 段进行平衡分析,如图2所示。
假设地基反力符合W ink ler 假定,以K 0表示地基反力系数,则微段所受的地基反力为K 0Dy ,D 是管径。
海底管线局部冲刷问题数值模拟研究综述_史宏达
第３０卷第４期海 岸 工 程２０１１年１２月文章编号：１００２－３６８２（２０１１）０４－００７６－０８海底管线局部冲刷问题数值模拟研究综述史宏达，张 嶔，马 哲，刘 臻（中国海洋大学工程学院，山东青岛２６６１００）摘 要：海底管线局部冲刷的数值模拟研究已经有３０ａ的历史。
文章描述了海底管线局部冲刷的机理，回顾了国内外对于管线冲刷问题数值模型研究的情况，根据不同模型进行了分类描述，并进行了简单的比较，为该领域的进一步研究提供参考。
关键词：海底管线；局部冲刷；数值模型中图分类号：Ｐ７５４ 文献标识码：Ａ海底管线是海洋油气集输与储运系统的重要组成部分，在海洋油气资源的开发中发挥着重大的作用，被喻为海上油气田的“生命线”。
海底冲刷对海洋结构物的安全威胁很大，对于海底管线，冲刷会使其外裸、悬空，这时管线可能会因波浪和潮流的作用而破坏。
对海底管线局部冲刷问题的研究中数值模拟研究长时间落后于物理模型试验研究，但最近３０ａ，随着计算机技术的发展，数值模拟研究进展的十分迅速，取得了长足的进步。
１ 冲刷现象的描述在海底海洋环境中，海底管线等海洋结构物的出现会改变其附近区域的水流流态，导致产生如下这些现象：１）上游来流在管道前侧集中；２）在管道迎流侧形成马蹄形漩涡；３）在管道背流侧形成尾迹漩涡，并有可能产生周期性的漩涡泄放；４）水流出现紊动现象；５）波浪发生反射和绕射；６）波浪可能破碎；７）海底管道上游侧较高的滞点压力和下游侧相对较小的尾流压力引起的压力梯度，可能导致在管道底部的土中发生“管涌”，使得部分床沙被来流冲走。
以上这些现象的发生，通常会引起局部沉积物输送能力的增加，即产生冲刷［１］。
２ 海底管线冲刷机理管线局部冲刷可分为两个阶段：１）管线迎流面和背流面存在一定流体压差，导致管线＊收稿日期：２０１０－１０－１８资助项目：山东省科技攻关计划项目———沉箱防波堤兼作波力发电气室的捕能效果研究（２００９ＧＧ１０００５００２）作者简介：史宏达（１９６７－），男，教授，主要从事港口海岸及近海工程方面研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｄ＿ｓｈｉ＠ｏｕｃ．ｅｄｕ．ｃｎ（杜素兰 编辑）第３０卷史宏达，等：海底管线局部冲刷问题数值模拟研究综述７７下方土体在渗流作用下出现管涌现象，标志着管线局部冲刷开始起动。
水流作用下海底管线三维冲刷扩展速度实验研究_臧志鹏
第49卷第1期2009年1月大连理工大学学报Journal of Dalian University of TechnologyVol .49,No .1Jan .2009文章编号:1000-8608(2009)01-0110-05水流作用下海底管线三维冲刷扩展速度实验研究臧志鹏1, 滕 斌＊1, 程 亮2, YEOW K ervin 2(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连 116024;2.西澳大利亚大学土木资源工程系,佩斯 WA 6009)摘要:对水流作用下海底管线三维冲刷问题进行了实验室研究,重点研究了不同的水流速度(以底面剪切力系数θ表示,θ=0.046～0.104)、管线埋厚比(e /D =0.1～0.5)、水流作用角(α=45°～90°)下的冲刷沿管线扩展速度.实验结果表明管线下方冲刷以先后两个速度沿管线向两侧扩展.建立起冲刷段扩展速度v h 与θ、e /D 、α等影响因素间的关系.发现管线冲刷的扩展速度随底面剪切力系数的增大而增大;随着埋厚比的增大而减小,随水流作用角的增大而增大.最后,根据实验结果建立了一套预测海底管线下方冲刷段扩展过程的经验模型,效果较好.关键词:海底管线;三维冲刷;扩展速度;稳态水流中图分类号:P75文献标志码:A收稿日期:2006-03-04; 修回日期:2008-01-04.基金项目:国家杰出青年科学基金-海外青年学者合作研究基金资助项目(50428908).作者简介:臧志鹏(1981-),男,博士生,E -mail :zangzhip @ ;滕斌＊(1958-),男,教授,博士生导师;程亮(1961-),男,教授,博士生导师.0 引 言海底管线是承载通信光缆、输送海上油气的重要途径,一旦发生事故将会造成巨大的经济损失.冲刷是造成海底管线破坏的一个重要原因.冲刷会在管线下方形成一个悬空段,如果悬空段过长,管线会在重力作用下发生下沉甚至断裂,以及在涡激振荡作用下发生疲劳破坏.因此对海底管线三维冲刷的研究具有重要的学术及工程意义.在过去的一二十年里,许多学者对海底管线局部冲刷问题进行了大量研究工作,但基本限于对二维冲刷的研究.文献[1～4]对水流及振荡流作用下的海底管线局部二维冲刷进行了实验研究,表明渗流、管涌以及尾涡侵蚀是管线二维冲刷启动并发展的主要原因,并且确定了管线下方冲刷平衡剖面及最大冲刷深度.在对二维冲刷机理充分认识的基础上,一些相应的数值模型应运而生,文献[5、6]等发展的二维冲刷模型已经相当成熟并且得到了广泛应用.对于管线三维冲刷问题的探索,只有文献[7]对管线在冲坑中的下沉及自埋过程进行了描述.到目前,还没有一套合理的模型能够对管线下方由于冲刷引起的悬空段的长度进行预测,本文通过模型实验对水流作用下冲刷沿管线扩展过程进行研究.1 实验设置和实验条件实验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室非线性波浪水槽中进行,水槽尺寸为50m ×4m ×2.5m (长×宽×高),实验布置如图1.实验有效水深恒定在0.45m ,一段4m 长的管线模型水平放置在厚度为0.25m 的沙坑中,沙坑两侧设置坡度为1∶20的地形.管线模型直径D =50mm ,材料选用表面光滑的有机玻璃管.30组长度为80m m 的可导冲刷探针以120m m 的间距沿轴线安装在管线上(图2),用于实时记录冲刷全过程.冲刷探针的工作原理是利用两根相邻很近的不锈钢丝在水中和饱和沙中导电性的差异,通过输出电压来表示探针在水中部分的长度,从而确定冲刷深度.通过标定发现此探针系统的精度为±0.5m m ,这一精度满足当前实验要求.当水流与管线倾斜作用时(作用角α定义如图3),需要在原始段管线两端套接一段相同规格的有机玻璃管,然后延长再将其两端固定在水槽壁附近的预埋螺栓上.每组实验前,需要将管线周围的沙床整平,确保管线埋设厚度精确.实验时,先在管线中间部位的沙床挖一个小洞,作为初始冲坑(如图2),允许冲刷从此处开始向两侧扩展.ADV流速仪被安放在管线上游位置,实时测量底面流速.2 实验条件与实验结果实验中采用了中值粒径d50=0.37mm的石英砂,对不同底面剪切力系数θ(由水流速度决定)、埋厚比e/D和水流作用角α下的管线三维冲刷过程进行测量记录.实验中水流速度取值为0.28、0.33、0.37、0.42m/s,其相应的底面剪切力系数θ分别为0.046、0.064、0.081和0.104;管线埋厚比e/D以0.1为间隔由0.1逐步增加至0.5 (如图3,e为管线的埋设厚度,D为管线的直径);水流作用角α取值分别为90°、75°、60°、45°(如图3所示),研究共进行了80组次实验.实验记录的数据形式为各组探针测得的其所在位置处冲刷深度的时间历程曲线,冲刷沿管线的水平扩展速度(v h)将通过对所有探针的数据进行分析而得到.图4列举了两个具有代表性的数据曲线(图2中a、b探针数据,a、b为两个相邻的探针,间距为12cm),曲线的纵坐标为各时刻所对应的冲刷深度S.从图中可以看到,每一支数据曲线都包括3个阶段,即最初的水平段、中间的上升段和最后的稳定段.曲线的开始阶段基本都保持在0左右,说明此处的冲刷没有发生;在某一时刻曲线突然发生变化,由0开始并迅速增大,表明此点处的冲刷已经发生,管线下的冲坑已经扩展至此处;随着时间的推移,曲线变化逐渐减慢,并最终趋于稳定,表明此处管线下方冲刷达到了平衡.从图4中可以看到,a探针数据曲线发生突变的时刻比b探针要早,对应图2中探针位置可以发现a探针比b探针更加靠近初始冲刷坑,因而较早发生了冲刷.图4 冲刷深度时间历程(e/D=0.4,θ=0.064,α=90°)Fig.4 T ime history of scour depth(e/D=0.4,θ=0.064,α=90°)111 第1期 臧志鹏等:水流作用下海底管线三维冲刷扩展速度实验研究用各个探针的位置坐标与其冲刷开始时刻建立坐标系,曲线的斜率即代表冲刷扩展速度(如图5).由于初始冲刷坑位于管线中间部位,文中将冲刷向左右两个方向(对于倾斜情况则为顺流方向和逆流方向)扩展速度分别计算.通过对冲刷扩展过程的分析,发现绝大多数情况下冲刷沿管线扩展过程中都存在着先后两个不同的速度阶段,从图5中也可以看到,在冲刷扩展的初期阶段,管线下方的冲刷以一个较大的速度沿着管线均匀扩展;在某一时刻,冲刷扩展速度发生了明显的变化,在此之后冲刷以一个较小的速度扩展.本文将冲刷初期的冲刷扩展速度称为初级速度,而扩展较慢阶段相应的扩展速度称为次级速度.图5 冲刷沿管线扩展过程(e /D =0.4,θ=0.064,α=90°)F ig .5 Pr ocess o f sco ur propaga tion alo ng pipe line(e /D =0.4,θ=0.064,α=90°)冲刷扩展过程中存在着两个不同的速度阶段是与其冲刷机理紧密相关的,在冲刷的初级阶段,由于管线下方的过流面积较小,管线上游压力较大,水流以很快的速度流过冲刷区域,产生了强烈的紊动效应,尾涡侵蚀作用明显,冲刷以一个较快的速度向两侧扩展;而随着时间的推移,管线下方的过流面积逐渐增大,水流的紊动效应减弱,减缓了冲刷的扩展速度,扩展过程转变为次级阶段.实验分析中发现,有些情况下,冲刷扩展速度变化不明显,这仅限于管线埋深很浅(e /D <0.2),且水流速度相对较大的情况.这种现象是由于较浅的埋深使泥沙极易发生冲刷,同时由于管线上下游较大的压力差,产生了类似于管涌的效应,冲刷沿着管线以一个很大的速度扩展,此时的冲刷扩展应为两阶段扩展中的初级扩展.整理后的冲刷扩展速度结果请参照文献[8].研究发现冲刷扩展速度与底面剪切力系数θ、管线埋厚比e /D 和水流作用角α等参数都密切相关.冲刷扩展速度随底面剪切力系数的增大而增大;随管线埋厚比的增大而减小.当水流垂直作用于管线时(α=90°),由于水流的对称性,冲刷沿管线左右两个方向上扩展速度近似相等;当水流倾斜作用于管线时,冲刷在管线两个方向上的扩展速度会产生明显的不同,通常会在顺流方向扩展较快,而在逆流方向扩展较慢(v h r >v hl ,图3);在某些水流作用角度较小的情况下(α=45°),冲刷在逆流方向的扩展停止,甚至发生回填现象.这是因为当水流倾斜作用于管线时,对冲刷的影响是综合的,水流在管线垂直方向的分量产生的冲刷效果,等同于前面叙述的水流垂直管线的情况,形成的尾涡侵蚀,对冲刷的扩展起主导作用;水流沿管线长度方向的分量,对冲坑下游肩部产生掏空侵蚀(类似于水流对垂直桩柱的冲刷),对冲坑上游肩部处则产生回填效应,这样倾斜水流的综合作用使冲刷在顺流方向比逆流方向扩展要快,当水流作用角度足够小时,则在冲坑上游方向的综合效应为回填.由于垂直于管线方向的水流分量在冲刷扩展中占据主导地位,相同条件下的冲刷扩展速度随着水流作用角α的增大而增大.3 冲刷扩展模型建立及验证本文通过对各组实验数据的分析整理,以及考虑各影响因素的综合作用效果,建立了一套用于预测海底管线下方冲刷扩展过程的经验模型,冲刷扩展速度可由如下公式计算:v h =K 25g (s -1)d 350D tan βθ5/31-eD(1±cos α)(1)式中:v h 代表冲刷扩展的初级和次级速度;β为泥沙的自然休止角;α为水流作用角,当水流垂直于管线时,α=90°;当水流倾斜作用于管线时,顺流方向的扩展速度在式(1)“±”中取“-”,在逆流方向取“+”;K 为拟合得到的经验系数,代表环境因素对冲刷扩展的综合影响,取值由实验决定,对于动床冲刷问题,K 对应于初级速度和次级速度的取值分别为14和4.本文利用式(1)对管线冲刷扩展的初级速度112大连理工大学学报第49卷 和次级速度进行了预测,并与实验结果进行了比较.图6为经验公式预测的冲刷初级扩展速度与实验值的比较(α=90°),从图中可以看到,本文的预测结果与实验结果吻合很好.同时可以直观地观察到,冲刷扩展速度随底面剪切力的增大而增大;随埋厚比的增大而减小,且呈线性递减趋势.图7和图8为水流倾斜作用时(α=75°)的预测结果和实验结果的比较,二者结果吻合也比较 好,此时的冲刷扩展速度要小于水流垂直于管线时的速度,且冲刷在逆流方向比在顺流方向扩展的速度要小.管线下的冲刷扩展过程存在两个阶段,即初级扩展和次级扩展,t t为两个扩展阶段的转折点,可以根据文献[4]的经验公式确定,并假设此时冲坑深度S达到97%的最大冲坑深度S0,公式如下:S=S01-ex p-t tT(2)其中T为二维冲刷的时间历程,计算如下[4]:T=D2(g(s-1)d350)1/2150θ-5/3(3)因此,在计算t<t t时间段内冲刷的扩展时应采用初级扩展;当t>t t时,冲刷扩展采用次级速度进行计算.图9给出了管线冲刷扩展过程的预测值和实验值比较,从图中可以看到,预测结果与实验结果吻合较好,证明了本模型可以较为准确地预测水流作用下海底管线冲刷扩展.图9 冲刷扩展过程预测值与实验值的比较(θ=0.046,e/D=0.3,α=90°)Fig.9 Comparisons o f predicted and ex pe rimental results o f propaga tion(θ=0.046,e/D=0.3,α=90°)4 结 论(1)水流作用下,海底管线下方冲刷沿管线的扩展过程基本可以分为两个阶段:初级扩展和次级扩展,其相对应的扩展速度为初级速度和次级速度.(2)冲刷扩展过程逐渐减慢,这是由于管线下方的过流面积随冲刷的扩展逐渐增大,水流的紊动效应减弱,减缓了冲刷的速度.(3)冲刷扩展速度随底面剪切力的增大而增大;随管线埋厚比的增大而减小;随水流作用角的113 第1期 臧志鹏等:水流作用下海底管线三维冲刷扩展速度实验研究增大而增大.水流倾斜作用于管线时,冲刷在顺流方向比逆流方向扩展得快.(4)本文建立的经验模型可以比较准确地预测水流作用下海底下方冲刷扩展过程.参考文献:[1]M A O Y.T he inter action betw een a pipeline and anero dible bed[D].Denmark:T echnical U niver sity o fDenmark,1986[2]CHI EW Y M.M echanics of lo ca l scour aro undsubmarine pipeline[J].Journal of HydraulicEngineering,ASCE,1990,116(4):515-529[3]杨兵,高福平,吴应湘.海流引起的海底管道周围砂质海床局部冲刷[J].中国造船,2004,45(z1): 281-288[4]F RED S E J,S UM ER B M,A RNSK O V M.Timescale for w ave/current scour belo w pipeline[J].International Journal of Offshore and PolarEngineering,1992,2(2):13-17[5]LI F,CH ENG L.N ume rical model fo r local sco urunder off sho re pipelines[J].Journal of HydraulicEngineering,1999,125(4):400-406[6]李玉成,吕林.海底管线附近底床侵蚀平衡剖面的湍流数值模拟[J].中国造船,2004,45(z1):209-216 [7]SU M ER B M,F REDS E J.The Mechanics of Scourin the Marine Environment[M].Singa po re:W or ldScientific,2002[8]臧志鹏.海底管线三维冲刷实验研究及数值模拟[D].大连:大连理工大学,2008Experimental research on propagation velocity of3-D scour of pipelines on sea floor under action of currentsZ AN G Zhi-pen g1, TEN G Bin＊1, C HEN G Liang2, YEOW Kervin2(1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian116024,China;2.Department of Civil and Resources Engineering,University of Western Austral ia,Perth WA6009,Austral ia)A bstract:The3-D scour of pipelines o n sea floo r in steady current is investiga ted by ex periments. The majo r emphasis o f the investigatio n is o n the scour pro pagation velocities along the pipeline at different flow speeds(in term of Sheilds parame terθ,θ=0.046-0.104),em bedm ent depth(e/D=0. 1-0.5)and attacking ang le of flo w(α=45°-90°).It can be concluded that scour propagates along the pipeline at tw o constant rates after initiation.T he relationship betw een pro pagation velocity v h and som e flo w parame ters includingθ,e/D andαare founded.Scour pro pagation velocities gene rally increase with the increase of Shields parame ter and attacking angle,but decrease w ith the increase of the pipeline em bedment depth.An experiential equatio n is proposed to predict the propagatio n of3-D scour of pipelines on sea floo r in steady current and validated ag ainst the ex perimental results.And bo th results are in g ood ag reement.Key words:pipeline o n sea floo r;3-D scour;propagatio n velocity;steady cur rent114大连理工大学学报第49卷 。
推进波作用下海底管线周围局部冲刷试验研究_潘冬子
文章编号:1005-9865(2007)04-0027-06推进波作用下海底管线周围局部冲刷试验研究潘冬子1,2,王立忠2,潘存鸿1,胡金春1(1.浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020;2.浙江大学建筑工程学院,浙江杭州 310027)摘 要:考虑行波作用下的海底管线的局部冲刷问题。
采用波浪水槽模型试验的方法,研究波浪荷载引起的管线周围局部冲刷机理和冲刷形态,探讨行波作用下管线周围局部冲刷的演化规律,包括冲刷起动、水土界面沙波的形成以及平衡冲刷深度与KC 数(keulegan -carpenter number )和相对埋置深度的关系。
关键词:海洋工程;局部冲刷;管线;波浪;模型试验中图分类号:TU43 文献标识码:ALocal scour around pipeline due to progressive wavePAN Dong -zi 1,2,WANG Li -zhong 2,PAN Cun -hong 1,HU Jin -chun 1(1.Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary ,Hangzhou 310020,China ;2.College of Civil Engineering and Architecture ,Zhejiang Uni -versit y ,Hangzhou 310027,China )A bstract :Aimeing at the local scour around pipeline ,an experiment investigation is carried out in a wave flu me to study the interaction of wave -seabed -pipeline due to progressive wave ,which contains the local scour mechanis m and patterns .The evolutionary processes of local scour are studied ,involveing the onset of scour ,!generation of sand ripple and the equilibrium scour depth versus the Keulegan -Carpenter number and burial depth of the pipeline .Key words :ocean engineering ;local scour ;pipeline ;wave ;model test收稿日期:2006-10-08基金项目:国家自然科学基金资助项目(50479045)作者简介:潘冬子(1978-),男,湖北松滋人,博士,主要从事海洋土力学和土动力学方面的研究。
海底管道周围局部冲刷数值模拟分析
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图１管道垂直方向受力图
Ｓｔｒｏｕｈａｌ数表示涡脱落的频率。Ｓｔｒｏｕｈａｌ数Ｓ定义为Ｓ产 ＪＤ／Ｕｏ，其中，．为涡的脱落频率，砜为来流流速。图１为竖向方 向管道受力图纵坐标为受力系数，横坐标为时间周期。通过 图ｌ可得到涡脱落周期为Ｔ－－０．０２９ ６ ｓ则其数值模拟得到的 Ｓｔｒｏｕｈａｌ数为０．２２５，在同等的状况下，Ｍａｏ（１９８６）１３１通过实验 得到的Ｓｔｒｏｕｈａｌ数为０．２３，Ｂｒ∥ｒｓ（１９９９）Ｉｌｌ通过数值模拟得到 的Ｓｔｒｏｕｈａｌ数为０．２２６，可见所建模型与实验及数模结果吻 合。图２给出了一个涡脱落周期内管道周围流场变化过程， 可见所建紊流模型能够较好模拟管道后方水流的紊流状态。鲁＋耋：０瓠砂
（２）
式中：毛，，为两个无因次坐标分量；屿”为在第ｘ，ｙ个坐标
方向的无因次速度分量；ｐ为无因次压力；ｆ为时间；Ｒｅ为雷
诺数。当研究流与圆柱的相互作用时，雷诺数Ｒｅ的定义为 Ｒｅ＝ＵＤ／ｔ，，其中Ｕ为水流速度，Ｄ为圆柱直径，ｌ，为水分子粘
性微剪应力科（考＋鲁一弘蠡为无瞰湍流
运动能朋为紊动粘性系数。磊为克罗奈克函数。 由此基本方程构成的方程组并不封闭，本数值模型采用
海底管道周围海床冲刷问题涉及流体力学、泥沙运动 学、工程地质学等多学科。目前国内，有关海底管道的研究多 局限于管道的腐蚀破坏及管道的受力分析，对于海底管道附 近海床冲刷的研究多以试验研究为主，由于模型实验有研究 成本高，模型比尺影响明显等不足，应用受到了一定的限制， 因此相关的数值模型应运而生。在数值模拟方面，由于紊流 剪切流、泥沙输送、床面变化之间复杂的相互作用，目前多以 流单独作用下二维的、床面由均匀无黏性沙构成的理想情况 居多。数值模型可分为势流模型和紊流模型，势流模型可以 比较准确地预测管道下方的最大冲刷深度和管道上游方向 的地形，但是对管道下游方向的缓坡地形却预测得不够准 确。因此势流模型总体上不够准确。因此本文将建立紊流模 型来模拟管道周围流场，采用动网格技术来模拟海床底面变 化，泥沙输运同时考虑悬移质输沙和推移质输沙。
海水冲刷实验方法
海水冲刷实验方法海水冲刷实验方法主要包括以下三种：1. 旋转试验法：利用试样或流体的旋转使试样与流体间产生相对运动，主要类型有旋转圆盘式和旋转圆环两种。
研究原理是以改变旋转速率和圆盘直径使在试样表面上形成一系列不同的圆周速度，从而达到研究材料在不同流速下的腐蚀行为。
这种研究方法对船舰的螺旋桨的工作情况能达到很好的模拟。
该方法具有实验装置简单、实验周期短、测试用溶液量小等优点，因而使用比较广泛。
2. 管流试验法：主要针对管道系统的冲刷腐蚀情况。
研究原理是采用循环系统，使流体中固体颗粒分布均匀，并使流体以一定流速和流态冲刷材料表面，以研究管道系统材料在不同流速、流态条件下的腐蚀行为。
试验装置对流速、流态的控制性比较好，具有良好的流体力学模型，因此研究结果具有很好的使用价值。
但系统需要贮液槽和循环泵等部分组成，因此需要空间很大，而且测试所需溶液量很大，经常大于40L。
采用循环系统，要求循环泵持续工作，泵工作产生的热量会引起水温的升高，所以需要温度控制系统控制水温，同时泵阀的可靠性必须确保循环泵的持续工作。
3. 喷射试验法：设计思路是使流体从喷嘴处以一定流速、冲击角度直接冲刷试样表面，模拟管道系统的冲刷腐蚀情况；在实验过程中，试样放置位置固定不变，使对流速的控制性提高，而且流体流速可达到很高；也可以通过调节试样位置与喷嘴相对角度，达到冲击角度对材料表面冲刷腐蚀的影响研究，很好地模拟管道系统的拐角处的冲刷腐蚀情况；实验装置最大的优点就是电化学测量十分容易，而且可在很高流速下进行原位电化学测量。
但由于流体直接对试样表面喷射，该方法的冲刷情况比实际情况严重，与泵、管道的实际冲刷腐蚀条件有一定的差距，用此方法得出的材料冲刷腐蚀临界速度往往比其它方法低。
在实施海水冲刷实验时，需要确保试样的清洁度、质量和尺寸等参数符合实验要求。
同时，选择合适的实验方法和装置也是至关重要的。
此外，还需要注意实验过程中的温度、流速和流态等因素的控制和调节。
海底管道气体运输中的管道冲刷与侵蚀研究
海底管道气体运输中的管道冲刷与侵蚀研究概述随着能源需求的不断增长，海底管道已经成为了传输油气资源的主要通道之一。
然而，在海底环境中，管道冲刷与侵蚀是一个严重的问题。
管道冲刷与侵蚀会导致管道的损坏和泄漏，进而引发油气泄漏事故，对海洋环境造成严重破坏。
因此，对于海底管道气体运输中的管道冲刷与侵蚀进行深入研究，具有重要的意义。
管道冲刷管道冲刷是指水流或水流中携带的颗粒物对管道壁面产生的作用力，使管道壁面发生磨蚀或冲刷的现象。
海底管道气体运输中，海水流动的强度和方向是管道冲刷的主要因素之一。
水流强度越大，对管道壁面的冲刷力就越大。
此外，在水流中悬浮的颗粒物，如沙、石、碎屑等也会加剧管道冲刷的程度。
为了研究海底管道的冲刷问题，专家们采用了实验室模拟试验和数值模拟两种主要方法。
实验室模拟试验是在实验室中通过模拟海底管道环境进行试验，并对试验结果进行分析和总结。
数值模拟则是通过计算机模拟海水流动过程，模拟管道壁面受到的力和应力分布。
这些方法能够为管道冲刷问题的研究提供重要的数据和依据。
管道侵蚀管道侵蚀是指管道壁面受到介质（如水）的腐蚀作用，导致管道壁面材料损失的现象。
在海底环境中，海水中的盐、氧和含有酸性物质的海洋底泥等因素都会加剧管道的侵蚀。
此外，管道的氧化膜和阵风传淤层对于管道侵蚀也有影响。
为了解决管道侵蚀问题，研究人员正在探索一系列的防护措施。
常见的防护措施包括防腐涂层、电化学保护和材料改进等。
防腐涂层是将一层特殊的涂料覆盖在管道表面，以防止海水直接接触到管道表面。
电化学保护是通过在管道周围设置阴阳极，利用电流的作用来防止管道的侵蚀。
材料改进则是通过改进管道材料的物理性能和化学性能，提高其抗侵蚀能力。
研究方法研究海底管道气体运输中的管道冲刷与侵蚀问题，需要综合运用实验室模拟试验、数值模拟和现场观测等多种研究方法。
实验室模拟试验可以模拟出海底管道环境中的水流情况，并对管道壁面受力情况进行测量和分析。
数值模拟则可以通过计算机软件模拟海水流动的过程，预测管道冲刷和侵蚀的程度。
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 TechnologyVo 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：APhysical model test for local scour around marine riserCHEN 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）1-11-21-32-12-22-32-43-13-21210102.580.92.580.01.970.92.58 1.52.580.92.580.01.970.92.580.02.580.0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 pile317第6期陈兵，等：海洋立管的局部冲刷实验1.4模型设计按照实验原型尺寸、实验水槽的大小与造波造流能力，确定选用正态比尺模型：水深比尺：λh =20；波高比尺：λH=20；周期比尺：λT =（λL）1/2=（20）1/2=4.47；流速比尺：λv=（λL）1/2=（20）1/2=4.47.2实验组别、实验步骤及测点分布冲刷实验一共做9组，各组实验条件如表2所示.3-1组中模型发生15ʎ倾角.水平向的管向上抬起15ʎ，同时立管桩及立管均相应偏离垂直方向15ʎ.在正式实验前，用仪器对波浪要素、周期及流速进行测定.正式实验开始，首先安放模型，将泥沙放置在模型区域内部并整平.然后放水至指定深度，用淤厚仪测量原始床面的标高，按实验要求放流造波.在实验过程中，每隔30min测量特征点床面高程.当冲刷时间达到要求，实验结束时，再次用淤厚仪测量床面的标高hi.将水槽内水放掉，用尺子测量结构物周围冲刷坑最大值，并测量冲刷范围.表2水文泥沙要素模型值Tab.2Flow field and sediment parameters in model test组次水深cm波高cm周期s平均流速（cm·s－1）泥沙中值粒径mm1-11-2 1-3 2-1 2-2 2-3 2-4 3-1 3-260505012.5 1.7820.012.5 1.780.09.5 1.5620.012.5 1.7833.512.5 1.7820.012.5 1.780.09.5 1.5620.012.5 1.780.012.5 1.780.00.320.320.320.17根据不同的测量要求，共布置3套测点：1）为测量结构物周围冲刷前后的地形，布置地形测点，如图2所示.测区范围：800mmˑ1000mm；基本测点间距为50mm.在立管柱附近的测点加密一倍，测点间距为25mm.全部共计658个冲刷地形测点.2）为了解冲刷发展过程，在结构物周围设置5个冲深监测点（见图3）.在施加波流的过程中，每隔30min测量一次.计算冲淤值，得到每隔30min冲刷发展过程.图2地形测点分布图Fig.2Distribution of inspection points fortopography图3冲深监测点分布图Fig.3Positions of inspection pointsfor maximum scour depth3）实验结束，水放干后，再确定最大冲深点并用钢尺测量结构物最大冲深值.3实验结果及分析实验现象：冲刷0.5h后，在管前、管后出现少量不规则沙纹，散布各处；系统周围由于涡的作用形成比较浅的冲刷坑，随后，冲刷坑的的规模不断发展扩大，沙纹逐步变得整齐起来，形成一条条近似平行、间距和起动程度大致相同的沙纹.持续发展一段时间以后，冲刷坑范围基本不再发展扩大，但是冲刷深度还在增加.冲刷现象越来越明显，沙纹增高，冲刷坑加深.最后沙纹不再增高，只是随时间向前推移，冲刷坑深度不再加大，随沙纹的推移在一个平衡深度附近反复变化.实验结束，实验区域均出现明显的沙纹，立管和桩的附近发生局部冲刷，出现前深后浅明显的冲刷坑，冲出的泥沙堆积在模型区中后部，最大冲刷深度见表3.417沈阳工业大学学报第31卷表3立管附近冲深监测点的最大冲刷深度Tab.3Maximum scour depth at inspection points around riser组别冲刷时间/h 冲深监测点最大冲刷深度/mm12341-1 3.5747045471-2 2.55030251-3 3.5757235502-1 3.5849654902-2 3.5513020552-3 2.535030312-4 3.0704530403-1 3.5985845943-23.0576434413.1水流作用下的立管冲刷单向水流作用下圆柱周围的局部冲刷问题在过去五六十年里得到了广泛的研究.现在对于单向均匀水流作用下的圆柱周围的局部冲刷机理以及冲刷形态和发展过程已经基本明了.通常在研究此类问题时，将流场简化为均匀、恒定、平面、无限的，底部也为水平的，一般只考虑极限平衡稳定状态的冲刷.研究中发现，远离圆柱处流速（行进流速）不变，设置圆柱后，在圆柱附近，不但流速有所改变，并且会产生一系列的副流.由于局部流速加强，因此逐渐形成冲刷坑.冲刷分为清水冲刷与动床冲刷.通过特征点的最大冲刷深度曲线可以判断，当未受扰动的底流速小于泥沙起动流速时，为清水冲刷，冲刷坑深度随时间而逐渐加大，最后达到平衡深度S e ，其深度随时间的变化曲线如图4曲线①所示；当未受扰动的底流速大于泥沙起动流速时，为动床冲刷情况，冲刷坑深度随时间急速增大，最后在达到平衡深度S e 时，冲刷坑深度随时间作周期性的变化（图4曲线②）.这是由于上游普遍存在输沙，床面上形成沙波、沙丘等床面形态的缘故.当沙波顶峰到达冲刷坑时，落入冲刷坑的泥沙量增大，冲刷坑深度减小；当沙波谷到达冲刷坑时，落入冲刷坑的图4冲刷深度随时间的变化曲线Fig.4Scour depth versus time curve泥沙量减小，冲刷坑深度加大.因此，随着沙波的推进，冲刷坑深度随之围绕着平衡深度S e 上下波动.3.2波浪作用下立管周围的局部冲刷与单向水流相比，波浪单独作用下局部冲刷的特点是：波浪水流的瞬变性质抑制了边界层的发展，在波浪水流作用下圆柱周围没有明显的马蹄形涡产生，使得冲刷坑的形状并不规则.波浪水质点的往复运动性质，使尾涡在圆柱的迎波一侧及背波一侧反复地出现，使初期冲刷的地点增多.但随着非线性作用的增强，两侧的尾涡强度差别扩大，直至在迎波的一侧无明显的尾涡产生.3.3波流联合作用下立管的局部冲刷由实验过程可以观测出立管周围冲刷过程及冲刷坑形成：开始冲刷比较快，冲刷率随时间变化减小，最后达到最大冲刷深度，达到稳定.9组实验经过3.5h 冲刷基本达到平衡，此后冲刷深度不再增加或增加缓慢.个别组达到平衡时间更短，在2.5h 基本达到平衡.冲刷后，实验区域均出现明显的沙纹，立管和桩的附近发生局部冲刷，出现明显的冲刷坑，冲起的泥沙在后方淤积.来流方向离结构物较远处的冲刷是由于前方没有泥沙补充产生的.在波流共存场中，波与流起着相互补充的作用，波流共同作用时，不论是冲刷深度还是冲刷范围均比单纯流或单纯波的情况大得多.其总的冲刷泥沙量比单纯流及单纯波情况冲刷量之和还大，说明两者共同作用的冲刷能力绝不是两者单独冲刷能力的简单和.3.4最大冲刷深度由于立管系统的存在，波浪和水流在系统周围发生较大变化，对床面进行淘刷，形成局部冲刷坑.局部冲刷是圆柱周围流动与床面泥沙相互作用的结果.该流动是复杂的非定常三维流动，包含有圆柱上游的三维分离、马蹄涡系的运动和圆柱下游的尾涡运动及其与马蹄涡系的相互作用.随着冲刷坑的不断加深和扩大，波浪和水流对坑底的作用逐渐减弱，上游进入冲刷坑的泥沙与水流挟带走的泥沙趋于平衡，同时，随着较易冲刷挟带的细颗粒泥沙不断冲走，冲刷坑底部的泥沙逐渐粗化，较粗颗粒泥沙覆盖在冲刷坑表层，使坑底表面抗冲能力增强，冲刷坑深度逐渐停止发展而达到平衡.冲刷坑外缘与底部的最大高差即为最大局部冲刷深度.波高、流速、水深与最大冲刷深度的关系如表4所示.3.5各种波流参数对于冲刷形态的影响图5 12为冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线.各图中a 图的横坐标y 为沿水槽断517第6期陈兵，等：海洋立管的局部冲刷实验表4波高、流速、水深与最大冲刷深度的关系Tab.4Relations among wave height ，flow velocity ，water depth and maximum scour depth组次水深cm波高cm 周期s 平均流速（m ·s－1）最大冲刷深度mm 1-11-21-32-12-22-32-43-13-260505012.51.7820.07412.5 1.780.0329.5 1.5620.07512.5 1.7833.59612.5 1.7820.05512.5 1.780.0359.5 1.5620.07812.5 1.780.09812.51.780.064面方向的空间坐标；纵坐标x 为沿水槽轴线方向的空间坐标，在图中波流由上至下传播；图中冲深值为正时表示海床冲刷，冲深值为负时表示淤积.1）通过对图5与图6，图7与图8中的冲刷地形和冲深监测点冲深历时曲线进行分析，可以得到1-1组与1-3组，2-2组与2-4组实验结果的对比.在水深、流速相同的条件下，波高增大，导致水质点的运动更强烈，冲刷坑的范围大，稳定时间也短，冲刷深度一般随波高的增大而增大.但是随着相对波高加大，冲刷深度会达到最大值；当相对波高超过一定范围时，冲刷深度反而减小.这表明，平衡冲刷深度与相对波高有关，此时冲刷深度可视为在一切波高条件下的最大平衡冲刷深度.在一般浅海区，最大设计波高H 与水深h 之比都会超过0.2的数值.因此这个冲刷深度对浅海工程建筑物的稳定性具有重要的意义.图5冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深60cm ，波高12.5cm ，周期1.78s ，流速20cm /s ）Fig.5Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =60cm ，wave height H =12.5cm ，wave period T =1.78s ，current velocity v =20cm /s）图6冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深60cm ，波高9.5cm ，周期1.56s ，流速20cm /s ）Fig.6Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =60cm ，wave height H =9.5cm ，wave period T =1.56s ，current velocity v =20cm /s ）617沈阳工业大学学报第31卷图7冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm，波高12.5cm，周期1.78s，流速20cm/s）Fig.7Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d=50cm，wave height H=12.5cm，wave period T=1.78s，current velocity v=20cm/s）图8冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm，波高9.5cm，周期1.56s，流速20cm/s）Fig.8Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d=50cm，wave height H=9.5cm，wave period T=1.56s，current velocity v=20cm/s）2）如图7、9、10所示，根据2-1、2-2与2-3组实验结果表明：随着流速v的加大，冲刷坑面积与冲刷坑深度都随之增大，这是由于在水深、波要素相同的条件下，流速增大，在圆柱附近产生的一系列的副流增大，局部流速的增大加强了冲刷坑的形成，随着流速的增大，最大冲刷深度急剧增大，由35mm增大到96mm的缘故.3）根据图5、7，图6、8和1-1与2-2，1-3与2-4组别实验结果对比，可知在不同的水深条件下，波浪对于底部泥沙的扰动作用产生差异，因此即使波要素、流速相同，局部冲刷的形态及最大冲刷深度也不同，水深小的组别，波浪作用下的尾涡增大.由于波浪要素相同，相对波高增大，因此冲刷的范围更广.4）通过比较图10、11的冲后地形图和冲深监测点冲深历时曲线及对2-3与3-1组实验结果进行对比，得出结论：在水深、波浪要素及流速相同的情况下，立管周围冲刷范围和深度均加剧，达到稳定的时间也更短.未发生倾角的组别，局部冲刷集中在系统周围小范围内，对于远处沙纹的影响不大，而发生倾角后，由于局部冲刷的影响，整个沙盘范围内的冲刷形态都发生改变，冲刷坑向系统倾斜的方向大范围发展，并在背流方向延伸.模型发生倾角将加剧立管系统的局部冲刷.可以看出，立管系统结构的在位形态，对于局部冲刷也有明显的影响.因此，实际工程中对平台立管系统的置放与固定应引起足够的重视.5）从图10、12和组3-2同2-3的对比结果可以看出，在其他条件相同的情况下，泥沙粒径不同的组别，粒径小的组别较粒径大的组别最大冲刷深度增长了近一倍，局部冲刷范围较大，且冲刷坑发展成形迅速.717第6期陈兵，等：海洋立管的局部冲刷实验图9冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm ，波高12.5cm ，周期1.78s ，流速33.5cm /s ）Fig.9Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =50cm ，wave height H =12.5cm ，wave period T =1.78s ，current velocity v =33.5cm /s）图10冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm ，波高12.5cm ，周期1.78s ，纯波）Fig.10Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =50cm ，wave height H =12.5cm ，wave period T =1.78s ，pure wave）图11冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm ，波高12.5cm ，周期1.78s ，模型倾角15ʎ）Fig.11Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =50cm ，wave height H =12.5cm ，wave period T =1.78s ，incline angle α=15ʎ）817沈阳工业大学学报第31卷图12冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm，波高12.5cm，周期1.78s，中值粒径0.017mm）Fig.12Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d=50cm，wave height H=12.5cm，wave period T=1.78s，d50=0.017mm）4结论本文通过波流作用下立管系统的水槽模型冲刷实验，得到了在不同水文要素下的冲刷地形、冲深监测点的历时冲刷曲线及最大冲刷深度.通过各组实验结果的对比，探讨了各海洋环境参数对于局部冲刷形态及最大冲刷深度的影响.1）在其他水文要素相同的情况下，冲刷深度随波高增大，水质点的运动更强烈，冲刷坑的范围大，稳定时间也短，冲刷深度一般随波高的增大而增大，但是当相对波高超过一定范围时，冲刷深度反而减小.2）在水深、波要素相同的条件下，若水流流速增大，在立管和立管桩基础附近产生的一系列次生流动随之增强.局部流速的增大加强了冲刷效果，随着流速的增大，最大冲刷深度急剧增大.3）在不同的水深条件下，波浪对于底部泥沙的扰动作用产生差异，因此即使波要素、水流速相同，局部冲刷的形态也会不同.水深小的组别，若波浪其他要素相同，则相对于水深的相对波高增大，波浪作用更容易到达水底，因此冲刷的范围更广.4）波浪要素及水流速相同的情况下，若模型产生倾角，在立管周围冲刷范围和深度都加剧，达到稳定的时间也更短.5）其他条件相同的情况下，泥沙中值粒径较小的组别与泥沙中值粒径大的组别相比较，最大冲刷深度增长了近一倍，局部冲刷范围较大，且冲刷坑发展成形迅速.参考文献（References）：［1］钱宁，万兆惠.泥沙动力学［M］.北京：科学出版社，1983.（QIAN Ning，WAN Zhao-hui.Dynamics of uniformsediment［M］.Beijing：Science Press，1983.）［2］陈士荫，顾家龙，吴宋仁.海岸动力学［M］.北京：人民交通出版社，1988.（CHEN Shi-yin，GU Jia-long，WU Song-ren.Seacoastdynamics［M］.Beijing：China Communications Press，1988.）［3］韩其为，何明民.泥沙起动规律及起动流速［M］.北京：科学出版社，1999.（HAN Qi-wei，HE Ming-min.On incipient mechanismand incipient velocity of uniform sediment［M］.Bei-jing：Science Press，1999.）［4］Randkivi A J，Ettema R.Clear 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第31卷第6期2009年12月沈阳工业大学学报Journal of Shenyang University of TechnologyVo 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：APhysical model test for local scour around marine riserCHEN 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）1-11-21-32-12-22-32-43-13-21210102.580.92.580.01.970.92.58 1.52.580.92.580.01.970.92.580.02.580.0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 pile317第6期陈兵，等：海洋立管的局部冲刷实验1.4模型设计按照实验原型尺寸、实验水槽的大小与造波造流能力，确定选用正态比尺模型：水深比尺：λh =20；波高比尺：λH=20；周期比尺：λT =（λL）1/2=（20）1/2=4.47；流速比尺：λv=（λL）1/2=（20）1/2=4.47.2实验组别、实验步骤及测点分布冲刷实验一共做9组，各组实验条件如表2所示.3-1组中模型发生15ʎ倾角.水平向的管向上抬起15ʎ，同时立管桩及立管均相应偏离垂直方向15ʎ.在正式实验前，用仪器对波浪要素、周期及流速进行测定.正式实验开始，首先安放模型，将泥沙放置在模型区域内部并整平.然后放水至指定深度，用淤厚仪测量原始床面的标高，按实验要求放流造波.在实验过程中，每隔30min测量特征点床面高程.当冲刷时间达到要求，实验结束时，再次用淤厚仪测量床面的标高hi.将水槽内水放掉，用尺子测量结构物周围冲刷坑最大值，并测量冲刷范围.表2水文泥沙要素模型值Tab.2Flow field and sediment parameters in model test组次水深cm波高cm周期s平均流速（cm·s－1）泥沙中值粒径mm1-11-2 1-3 2-1 2-2 2-3 2-4 3-1 3-260505012.5 1.7820.012.5 1.780.09.5 1.5620.012.5 1.7833.512.5 1.7820.012.5 1.780.09.5 1.5620.012.5 1.780.012.5 1.780.00.320.320.320.17根据不同的测量要求，共布置3套测点：1）为测量结构物周围冲刷前后的地形，布置地形测点，如图2所示.测区范围：800mmˑ1000mm；基本测点间距为50mm.在立管柱附近的测点加密一倍，测点间距为25mm.全部共计658个冲刷地形测点.2）为了解冲刷发展过程，在结构物周围设置5个冲深监测点（见图3）.在施加波流的过程中，每隔30min测量一次.计算冲淤值，得到每隔30min冲刷发展过程.图2地形测点分布图Fig.2Distribution of inspection points fortopography图3冲深监测点分布图Fig.3Positions of inspection pointsfor maximum scour depth3）实验结束，水放干后，再确定最大冲深点并用钢尺测量结构物最大冲深值.3实验结果及分析实验现象：冲刷0.5h后，在管前、管后出现少量不规则沙纹，散布各处；系统周围由于涡的作用形成比较浅的冲刷坑，随后，冲刷坑的的规模不断发展扩大，沙纹逐步变得整齐起来，形成一条条近似平行、间距和起动程度大致相同的沙纹.持续发展一段时间以后，冲刷坑范围基本不再发展扩大，但是冲刷深度还在增加.冲刷现象越来越明显，沙纹增高，冲刷坑加深.最后沙纹不再增高，只是随时间向前推移，冲刷坑深度不再加大，随沙纹的推移在一个平衡深度附近反复变化.实验结束，实验区域均出现明显的沙纹，立管和桩的附近发生局部冲刷，出现前深后浅明显的冲刷坑，冲出的泥沙堆积在模型区中后部，最大冲刷深度见表3.417沈阳工业大学学报第31卷表3立管附近冲深监测点的最大冲刷深度Tab.3Maximum scour depth at inspection points around riser组别冲刷时间/h 冲深监测点最大冲刷深度/mm12341-1 3.5747045471-2 2.55030251-3 3.5757235502-1 3.5849654902-2 3.5513020552-3 2.535030312-4 3.0704530403-1 3.5985845943-23.0576434413.1水流作用下的立管冲刷单向水流作用下圆柱周围的局部冲刷问题在过去五六十年里得到了广泛的研究.现在对于单向均匀水流作用下的圆柱周围的局部冲刷机理以及冲刷形态和发展过程已经基本明了.通常在研究此类问题时，将流场简化为均匀、恒定、平面、无限的，底部也为水平的，一般只考虑极限平衡稳定状态的冲刷.研究中发现，远离圆柱处流速（行进流速）不变，设置圆柱后，在圆柱附近，不但流速有所改变，并且会产生一系列的副流.由于局部流速加强，因此逐渐形成冲刷坑.冲刷分为清水冲刷与动床冲刷.通过特征点的最大冲刷深度曲线可以判断，当未受扰动的底流速小于泥沙起动流速时，为清水冲刷，冲刷坑深度随时间而逐渐加大，最后达到平衡深度S e ，其深度随时间的变化曲线如图4曲线①所示；当未受扰动的底流速大于泥沙起动流速时，为动床冲刷情况，冲刷坑深度随时间急速增大，最后在达到平衡深度S e 时，冲刷坑深度随时间作周期性的变化（图4曲线②）.这是由于上游普遍存在输沙，床面上形成沙波、沙丘等床面形态的缘故.当沙波顶峰到达冲刷坑时，落入冲刷坑的泥沙量增大，冲刷坑深度减小；当沙波谷到达冲刷坑时，落入冲刷坑的图4冲刷深度随时间的变化曲线Fig.4Scour depth versus time curve泥沙量减小，冲刷坑深度加大.因此，随着沙波的推进，冲刷坑深度随之围绕着平衡深度S e 上下波动.3.2波浪作用下立管周围的局部冲刷与单向水流相比，波浪单独作用下局部冲刷的特点是：波浪水流的瞬变性质抑制了边界层的发展，在波浪水流作用下圆柱周围没有明显的马蹄形涡产生，使得冲刷坑的形状并不规则.波浪水质点的往复运动性质，使尾涡在圆柱的迎波一侧及背波一侧反复地出现，使初期冲刷的地点增多.但随着非线性作用的增强，两侧的尾涡强度差别扩大，直至在迎波的一侧无明显的尾涡产生.3.3波流联合作用下立管的局部冲刷由实验过程可以观测出立管周围冲刷过程及冲刷坑形成：开始冲刷比较快，冲刷率随时间变化减小，最后达到最大冲刷深度，达到稳定.9组实验经过3.5h 冲刷基本达到平衡，此后冲刷深度不再增加或增加缓慢.个别组达到平衡时间更短，在2.5h 基本达到平衡.冲刷后，实验区域均出现明显的沙纹，立管和桩的附近发生局部冲刷，出现明显的冲刷坑，冲起的泥沙在后方淤积.来流方向离结构物较远处的冲刷是由于前方没有泥沙补充产生的.在波流共存场中，波与流起着相互补充的作用，波流共同作用时，不论是冲刷深度还是冲刷范围均比单纯流或单纯波的情况大得多.其总的冲刷泥沙量比单纯流及单纯波情况冲刷量之和还大，说明两者共同作用的冲刷能力绝不是两者单独冲刷能力的简单和.3.4最大冲刷深度由于立管系统的存在，波浪和水流在系统周围发生较大变化，对床面进行淘刷，形成局部冲刷坑.局部冲刷是圆柱周围流动与床面泥沙相互作用的结果.该流动是复杂的非定常三维流动，包含有圆柱上游的三维分离、马蹄涡系的运动和圆柱下游的尾涡运动及其与马蹄涡系的相互作用.随着冲刷坑的不断加深和扩大，波浪和水流对坑底的作用逐渐减弱，上游进入冲刷坑的泥沙与水流挟带走的泥沙趋于平衡，同时，随着较易冲刷挟带的细颗粒泥沙不断冲走，冲刷坑底部的泥沙逐渐粗化，较粗颗粒泥沙覆盖在冲刷坑表层，使坑底表面抗冲能力增强，冲刷坑深度逐渐停止发展而达到平衡.冲刷坑外缘与底部的最大高差即为最大局部冲刷深度.波高、流速、水深与最大冲刷深度的关系如表4所示.3.5各种波流参数对于冲刷形态的影响图5 12为冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线.各图中a 图的横坐标y 为沿水槽断517第6期陈兵，等：海洋立管的局部冲刷实验表4波高、流速、水深与最大冲刷深度的关系Tab.4Relations among wave height ，flow velocity ，water depth and maximum scour depth组次水深cm波高cm 周期s 平均流速（m ·s－1）最大冲刷深度mm 1-11-21-32-12-22-32-43-13-260505012.51.7820.07412.5 1.780.0329.5 1.5620.07512.5 1.7833.59612.5 1.7820.05512.5 1.780.0359.5 1.5620.07812.5 1.780.09812.51.780.064面方向的空间坐标；纵坐标x 为沿水槽轴线方向的空间坐标，在图中波流由上至下传播；图中冲深值为正时表示海床冲刷，冲深值为负时表示淤积.1）通过对图5与图6，图7与图8中的冲刷地形和冲深监测点冲深历时曲线进行分析，可以得到1-1组与1-3组，2-2组与2-4组实验结果的对比.在水深、流速相同的条件下，波高增大，导致水质点的运动更强烈，冲刷坑的范围大，稳定时间也短，冲刷深度一般随波高的增大而增大.但是随着相对波高加大，冲刷深度会达到最大值；当相对波高超过一定范围时，冲刷深度反而减小.这表明，平衡冲刷深度与相对波高有关，此时冲刷深度可视为在一切波高条件下的最大平衡冲刷深度.在一般浅海区，最大设计波高H 与水深h 之比都会超过0.2的数值.因此这个冲刷深度对浅海工程建筑物的稳定性具有重要的意义.图5冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深60cm ，波高12.5cm ，周期1.78s ，流速20cm /s ）Fig.5Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =60cm ，wave height H =12.5cm ，wave period T =1.78s ，current velocity v =20cm /s）图6冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深60cm ，波高9.5cm ，周期1.56s ，流速20cm /s ）Fig.6Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =60cm ，wave height H =9.5cm ，wave period T =1.56s ，current velocity v =20cm /s ）617沈阳工业大学学报第31卷图7冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm，波高12.5cm，周期1.78s，流速20cm/s）Fig.7Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d=50cm，wave height H=12.5cm，wave period T=1.78s，current velocity v=20cm/s）图8冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm，波高9.5cm，周期1.56s，流速20cm/s）Fig.8Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d=50cm，wave height H=9.5cm，wave period T=1.56s，current velocity v=20cm/s）2）如图7、9、10所示，根据2-1、2-2与2-3组实验结果表明：随着流速v的加大，冲刷坑面积与冲刷坑深度都随之增大，这是由于在水深、波要素相同的条件下，流速增大，在圆柱附近产生的一系列的副流增大，局部流速的增大加强了冲刷坑的形成，随着流速的增大，最大冲刷深度急剧增大，由35mm增大到96mm的缘故.3）根据图5、7，图6、8和1-1与2-2，1-3与2-4组别实验结果对比，可知在不同的水深条件下，波浪对于底部泥沙的扰动作用产生差异，因此即使波要素、流速相同，局部冲刷的形态及最大冲刷深度也不同，水深小的组别，波浪作用下的尾涡增大.由于波浪要素相同，相对波高增大，因此冲刷的范围更广.4）通过比较图10、11的冲后地形图和冲深监测点冲深历时曲线及对2-3与3-1组实验结果进行对比，得出结论：在水深、波浪要素及流速相同的情况下，立管周围冲刷范围和深度均加剧，达到稳定的时间也更短.未发生倾角的组别，局部冲刷集中在系统周围小范围内，对于远处沙纹的影响不大，而发生倾角后，由于局部冲刷的影响，整个沙盘范围内的冲刷形态都发生改变，冲刷坑向系统倾斜的方向大范围发展，并在背流方向延伸.模型发生倾角将加剧立管系统的局部冲刷.可以看出，立管系统结构的在位形态，对于局部冲刷也有明显的影响.因此，实际工程中对平台立管系统的置放与固定应引起足够的重视.5）从图10、12和组3-2同2-3的对比结果可以看出，在其他条件相同的情况下，泥沙粒径不同的组别，粒径小的组别较粒径大的组别最大冲刷深度增长了近一倍，局部冲刷范围较大，且冲刷坑发展成形迅速.717第6期陈兵，等：海洋立管的局部冲刷实验图9冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm ，波高12.5cm ，周期1.78s ，流速33.5cm /s ）Fig.9Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =50cm ，wave height H =12.5cm ，wave period T =1.78s ，current velocity v =33.5cm /s）图10冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm ，波高12.5cm ，周期1.78s ，纯波）Fig.10Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =50cm ，wave height H =12.5cm ，wave period T =1.78s ，pure wave）图11冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm ，波高12.5cm ，周期1.78s ，模型倾角15ʎ）Fig.11Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =50cm ，wave height H =12.5cm ，wave period T =1.78s ，incline angle α=15ʎ）817沈阳工业大学学报第31卷图12冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm，波高12.5cm，周期1.78s，中值粒径0.017mm）Fig.12Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d=50cm，wave height H=12.5cm，wave period T=1.78s，d50=0.017mm）4结论本文通过波流作用下立管系统的水槽模型冲刷实验，得到了在不同水文要素下的冲刷地形、冲深监测点的历时冲刷曲线及最大冲刷深度.通过各组实验结果的对比，探讨了各海洋环境参数对于局部冲刷形态及最大冲刷深度的影响.1）在其他水文要素相同的情况下，冲刷深度随波高增大，水质点的运动更强烈，冲刷坑的范围大，稳定时间也短，冲刷深度一般随波高的增大而增大，但是当相对波高超过一定范围时，冲刷深度反而减小.2）在水深、波要素相同的条件下，若水流流速增大，在立管和立管桩基础附近产生的一系列次生流动随之增强.局部流速的增大加强了冲刷效果，随着流速的增大，最大冲刷深度急剧增大.3）在不同的水深条件下，波浪对于底部泥沙的扰动作用产生差异，因此即使波要素、水流速相同，局部冲刷的形态也会不同.水深小的组别，若波浪其他要素相同，则相对于水深的相对波高增大，波浪作用更容易到达水底，因此冲刷的范围更广.4）波浪要素及水流速相同的情况下，若模型产生倾角，在立管周围冲刷范围和深度都加剧，达到稳定的时间也更短.5）其他条件相同的情况下，泥沙中值粒径较小的组别与泥沙中值粒径大的组别相比较，最大冲刷深度增长了近一倍，局部冲刷范围较大，且冲刷坑发展成形迅速.参考文献（References）：［1］钱宁，万兆惠.泥沙动力学［M］.北京：科学出版社，1983.（QIAN Ning，WAN Zhao-hui.Dynamics of uniformsediment［M］.Beijing：Science Press，1983.）［2］陈士荫，顾家龙，吴宋仁.海岸动力学［M］.北京：人民交通出版社，1988.（CHEN Shi-yin，GU Jia-long，WU Song-ren.Seacoastdynamics［M］.Beijing：China Communications Press，1988.）［3］韩其为，何明民.泥沙起动规律及起动流速［M］.北京：科学出版社，1999.（HAN Qi-wei，HE Ming-min.On incipient mechanismand incipient velocity of uniform sediment［M］.Bei-jing：Science Press，1999.）［4］Randkivi A J，Ettema R.Clear 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