海底管线防冲刷技术试验研究_赵冬岩
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doi:1 0.3 69 /j.issn.1 006-70 43.20 09.06.00 1
海底管线防冲刷技术试验研究
赵冬岩1, 3 , 余建星 1 , 李广雪2 , 王 琮 3
(1.天津大学 港口与海洋工程教育部 、天津市重点实验室 , 天津 300072;2.中国海洋 大学 海洋地球科 学学院 , 山 东 青岛 266003;3.海洋石油工程股份有限公司 , 天津 300451)
因此 , 防止海底冲刷淘空的主要机理就是 , 增大 海底颗粒的冲刷启动速度 , 或者增加海底的抗冲刷 强度 ;降低波 、流对海底的冲刷速度 .在海洋工程实 践中 , 最为常见的海底管线防护措施有 [ 2-7] :支撑管 道 、回填悬空段 、加压载块 、用桩稳定管道 、重新挖沟 埋管 、挠性软管跨接以及 “人工草 ”固定法等 .
共振时的悬空长度 .当计算得到共振条件下的悬空长
度远大于冲刷悬空管线长度时 , 表明涡流频率与悬空
管线的固有频率相差比较远 , 该管线悬空长度被认为
在安全范围内 ;反之 , 应采取预防措施进行处理 , 使管
线的无支撑长度不大于发生共振时的长度 .
管道在水流作用下产生的涡流频率为
fs =Sr DV.
(1)
自从 1954年 Brown＆ Root公司在美国墨西哥 湾铺设第一条海底管线以来 , 近半个世纪里 , 世界各 国铺设的海底管线总长度已达十几万千米 , 海底管 线已成为海上油气田开发中油气传输的主要方式 . 除了被用于海上油气田开发外 , 海底管线还被广泛 用作城市污水排放入海 、成品油海底输送 、商品油气 海底输送等 .在海底管线应用迅猛发展的过程中 , 海 底管线的安全问题始终为人们所关注 .海底管道是 高投入的海底输送设施 .同陆上管道相比 , 海底管道 运行风险更大 , 这主要与其工作环境条件恶劣密切 相关 .运行在海底的管道既可能受到波浪 、海流 、潮 汐 、腐蚀等作用 , 又可能面临船锚 、平台或船舶掉落 物 、渔网等撞击拖挂危险 , 很容易发生失效事故 , 其 中海底冲刷就对海底管线 的安全构成很大的威胁 . 对于海底管线 , 冲刷会使其外裸 、悬空 , 进而造成破
该文提出一种仿生防护措施的 “人工草 ”固定 法 , 试验研究表明该方法可以有效解决海底冲刷造 成的管道悬空问题 .
1 海底管线冲刷机理
在海洋工程中 , 由于波浪 、水流的作用而造成海 洋结构物及其附近海床的泥沙运动 , 即海底冲刷现 象[ 1] .冲刷是因为当地的水流强度 太大 , 水流 带来 的泥沙通量小于水流当地的冲刷外移通量 .根据海 洋冲刷动力学原理分析 , 海底冲刷的形成 , 主要是由 于海洋结构物安装在海底以后 , 打破了原有水下流 场的平衡 , 引起局部水流速度加快 , 形成一定范围内
第 30卷第 6期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol.30 № .6 2009年 6月 JournalofHarbinEngineeringUniversity Jun.2009
式中 :Sr表示斯托哈 (trouhal)数 ;V表示垂直于圆管 构件的水质点速度 , cm/s;D表示管线直径 , cm.
对于管道 , 斯托哈数是雷诺数的函数 , 而雷诺数
则是水流速度 、管道所在地过水断面的水力半径和
水的运动粘度的函数 .对特定平台间的海底管线而
言 , 水流速度 、管道所在地过水断面的水力半径和水
综合式 (1)、(2), 可以得到海管冲刷悬空的临
界长度 L为
L=
CD SrV
EmI.
(3)
当实测的海底管线悬空长度大于允许的最大悬
空长度时 , 就应该对这些海底管线进行安全维护 .
海底管线 wenku.baidu.com人工草 ”覆盖是海底管线 防冲刷仿
生防护的一种 , 所谓 “人工草 ”是一种粗筛孔聚酯条
编织垫 , 将它人工 “种植 ”在水底 , 可以保 证水下管
线免受外力冲击损伤 .
图 1 “人工草 ”工作原理 Fig.1 Workingprincipleoffiberreinforcedmats
3 海底管线防冲刷试验
由于海底管线 “人工草 ”固定技术不但可以解 决现有管线埋深不够及裸露 、悬空等问题 , 而且可以 为管线无沟敷设探索一种新的 、更加长期有效的维 护方法 .为了证明其有效性 , 模拟了在砂质 、粉质海 床条件下铺设的管线上使用 “人工草 ”防护的情况 , 对海底管线防护技术进行试验研究 .
Anexperimentalscour-preventiontechniqueforsubseapipelines
ZHAODong-yan1, 3 , YUJian-xing1 , LIGuang-xue2 , WANGCong3
(1.KeyLaboratoryofHarborandOceanEngineeringofMinistryofEducationandTianjinCity, TianjinUniversity, Tianjin300072, China;2.CollegeofMarineGeo-Science, OceanUniversityofChina, Qingdao266003, China;3.ChinaOffshoreOilEngineeringCorporation, Tianjin300451, China)
纤维加强埂将管线覆盖 .这种 “人工草 ”覆盖层非常
第 6期 赵冬岩 , 等 :海底管线防冲刷技术试验研究
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坚固 , 只有高压水流才可以破坏它 . 这种方法的优点是 : 1)一次性投 资 , 可以一 劳永 逸地解 决冲 刷问
题 , “人工草 ”不需维修 ; 2)安装后能够迅速阻止冲刷 ; 3)能够逐渐形成永久性纤维加强埂 ; 4)不影响周围水域中动植物的生长 ; 5)在深水及浅水水域都可获得良好使用效果 ; 6)沉积的泥沙等物质可以吸收能量 , 使水下管
坏 .在北美墨西哥湾和欧洲北海油气资源开发的过 程中 , 就有不少因海洋冲刷而造成海底管线损坏的 事故发生 .早期国外的研究者还尝试过采用某种水 下粘滞阻尼装置的方式比如防冲刷网 , 来控制海底 结构物的冲刷问题 , 但在具体海上工程应用中 , 由 于水下安装和施工费用等问题无法解决 , 导致这一 设想的实际使用效果并不理想 .
2 海底管线防冲刷技术原理
海底管线失效原因很多 , 既可能来自管材自身 的缺陷 , 也可能来自管线周围环境的作用 , 因此 , 需 要针对引起海底管线失效的各种原因 分别采取对 策 .该文仅对海底管线防冲刷仿生技术进行讨论 .
仿生防护可以吸收波能 , 起到消波作用 , 同时可 以降低潮流速度 , 减少波浪 、水流动力 对岸滩的冲 蚀 , 同时促进海水中所挟泥沙的沉降 , 从而达到固沙 促淤的目的 .仿生海底防冲刷技术是由采用耐海水 浸泡 、抗长期冲刷的新型高分子材料加工且符合海 洋抗冲刷流体力学原理的仿生海草 、仿生海草安装 基垫 、特殊设计的海底锚固装置 , 以及专用锚固设备 等组成的[ 8] .
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哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 30卷
的流速梯度集中区 , 并构成对海底的强剪切作用 , 导 致冲刷现象的出现 ;同时 , 海洋结构物的出现还改变 了水流的运动方向 , 使之产生绕流和局部大比尺旋 涡 , 更加速了海底的冲刷作用 .
当海底管线部分裸露后 , 水流越过管道会产生 次生作用力 , 在管道迎流侧的较低处形成高压区 , 在 顺流侧的较低处形成低压区 .水流越过管道的顶部 , 速度比自由水流大 .水流在哪个位置与管道分离取 决于流速 .在分离点顺流一侧的区域水流不稳定 , 产 生出尾流 , 散发出一系列的涡漩 .涡漩将启动泥沙 , 因此 , 海床冲刷首先发生在涡漩区 .随着管道裸露部 分的增加 , 涡漩增强 , 冲刷加剧 .当管道与海床面之 间出现水流隧道时 , 迎流侧和顺流侧间存在压力差 , 使管道下面形成高速流管涌现象 , 进而加速冲刷 .随 着管道下的冲刷坑扩大 , 管道下流速逐渐降低 , 使冲 刷坑不再增大 , 冲刷达到平衡状态 , 冲刷范围和深度 达到最大 , 管道处于持续的悬跨状态 .如果管道处于 管沟中 , 水流会在管道迎流侧分离 , 管道部分的处于 管沟顺流侧的尾流中 .
水下管线的四周 .在水中 , “人工草 ”的聚 酯条由于
浮力而垂直浮起 (高约 1 ～ 1.5 m), 在水流作用下来
回摆动 , 形成一个粘滞阻力围栅 , 使流经的水流速度
减缓 , 水流 中的泥 沙及携 带的 其他微 小物 质透 过
“人工草 ”迅速沉积 , 填充在水底 .经过一 段时间的
沉积 , 便逐渐形成一个泥沙与 “人工草 ”紧密结合的
直接裸露在海底的管线 , 在自身重量 、内部流体 以及外部环境荷载作用下将会出现静力及动力响应 问题 , 而管线悬跨的长度又是决定管线静 、动响应程 度的关键因素 [ 9] .为了防止悬空管段冲刷长度过大可 能引起的管线破坏 , 必须采取预防措施 .在采取预防 措施前 , 首先要确定海底管线在水流作用下开始发生
的运动粘度均是不可变量 .所以特定的悬空管段处
的涡流频率是固定值 .管道悬空振动的固有频率为
f=
C l2
EmI.
(2)
式中 :C表示悬空管子端部约束情况有关 的常数 ;l
表示悬空管段长度 ;EI表示悬空管段刚度 , N· m2 ;
m表示单位长度管子的质量 (含管内介质质量及附
连水质量 ), kg/m.
收稿日期 :2008-09-18. 基金项目 :国家 "863"高科技资助项目 (2006AA09A105-4). 作者简介 :赵冬岩 (1958-), 男 , 高级工程师, 博 士研究生 , E-mail:zdy
@mail.cooec.com.cn; 余建星 (1958-), 男, 教授 , 博士生导师 .
线的长期稳定 .实施这种技术很简便 , 无需大型的施
工机具 , 在水 下能 迅速 安装 , 并可 长期 使用 , 达 到
“一劳永逸 ”, 而且对管线外防腐层无任何损坏 , 也
不会污染周围环境 .
海底管线 “人工草 ”覆盖层工作原理如图 1 所
示 .大量海藻状的聚酯条连接在聚酯编织绳上 , 组成
一个巨大的粗筛孔聚酯编织垫 , 依靠锚固桩固定在
Abstract:Seafloorscouringisthemainthreattothesafetyofoperationalsubseapipelines.Fiberreinforcedfixed matswereproposedasakindofimitationvegetationthatprovidesprotection, basedonscourmechanismsaffecting subseapipelinesandtheresultingfundamentalprinciplesofscour-prevention.Anexperimentwasconductedwith anexistingpipelineproject.Itwasshownthatthesuggestedapproachcaneffectivelypreventtheproblemofscour inducedsuspendedspans, providingareferenceforthedesign, constructionandprotectionofsubseapipelines. Keywords:subseapipeline;seabed;scour-prevention;suspendedspan
摘 要 :海底冲刷现象严重威胁着海底管线的安全运营 .该文从海 底管线冲 刷机理入手 , 根据 海底管 线防冲刷 技术 的基本原理 , 提出了仿生防护措施 ——— “人工草 ”固定法 , 并 结合现 有工程 项目进 行了试验 研究 , 结果 表明该方 法可 以有效地解决海 底冲刷造成的管道悬空问题 , 为海底管线工程的设计 、施工和维护提供了指导性的参考 . 关键词 :海底管线 ;海床 ;防冲刷 ;悬 跨 中图分类号 :P75 文献标识码 :A 文章编号 :1006-7043(2009)06-0597-05
海底管线防冲刷技术试验研究
赵冬岩1, 3 , 余建星 1 , 李广雪2 , 王 琮 3
(1.天津大学 港口与海洋工程教育部 、天津市重点实验室 , 天津 300072;2.中国海洋 大学 海洋地球科 学学院 , 山 东 青岛 266003;3.海洋石油工程股份有限公司 , 天津 300451)
因此 , 防止海底冲刷淘空的主要机理就是 , 增大 海底颗粒的冲刷启动速度 , 或者增加海底的抗冲刷 强度 ;降低波 、流对海底的冲刷速度 .在海洋工程实 践中 , 最为常见的海底管线防护措施有 [ 2-7] :支撑管 道 、回填悬空段 、加压载块 、用桩稳定管道 、重新挖沟 埋管 、挠性软管跨接以及 “人工草 ”固定法等 .
共振时的悬空长度 .当计算得到共振条件下的悬空长
度远大于冲刷悬空管线长度时 , 表明涡流频率与悬空
管线的固有频率相差比较远 , 该管线悬空长度被认为
在安全范围内 ;反之 , 应采取预防措施进行处理 , 使管
线的无支撑长度不大于发生共振时的长度 .
管道在水流作用下产生的涡流频率为
fs =Sr DV.
(1)
自从 1954年 Brown＆ Root公司在美国墨西哥 湾铺设第一条海底管线以来 , 近半个世纪里 , 世界各 国铺设的海底管线总长度已达十几万千米 , 海底管 线已成为海上油气田开发中油气传输的主要方式 . 除了被用于海上油气田开发外 , 海底管线还被广泛 用作城市污水排放入海 、成品油海底输送 、商品油气 海底输送等 .在海底管线应用迅猛发展的过程中 , 海 底管线的安全问题始终为人们所关注 .海底管道是 高投入的海底输送设施 .同陆上管道相比 , 海底管道 运行风险更大 , 这主要与其工作环境条件恶劣密切 相关 .运行在海底的管道既可能受到波浪 、海流 、潮 汐 、腐蚀等作用 , 又可能面临船锚 、平台或船舶掉落 物 、渔网等撞击拖挂危险 , 很容易发生失效事故 , 其 中海底冲刷就对海底管线 的安全构成很大的威胁 . 对于海底管线 , 冲刷会使其外裸 、悬空 , 进而造成破
该文提出一种仿生防护措施的 “人工草 ”固定 法 , 试验研究表明该方法可以有效解决海底冲刷造 成的管道悬空问题 .
1 海底管线冲刷机理
在海洋工程中 , 由于波浪 、水流的作用而造成海 洋结构物及其附近海床的泥沙运动 , 即海底冲刷现 象[ 1] .冲刷是因为当地的水流强度 太大 , 水流 带来 的泥沙通量小于水流当地的冲刷外移通量 .根据海 洋冲刷动力学原理分析 , 海底冲刷的形成 , 主要是由 于海洋结构物安装在海底以后 , 打破了原有水下流 场的平衡 , 引起局部水流速度加快 , 形成一定范围内
第 30卷第 6期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol.30 № .6 2009年 6月 JournalofHarbinEngineeringUniversity Jun.2009
式中 :Sr表示斯托哈 (trouhal)数 ;V表示垂直于圆管 构件的水质点速度 , cm/s;D表示管线直径 , cm.
对于管道 , 斯托哈数是雷诺数的函数 , 而雷诺数
则是水流速度 、管道所在地过水断面的水力半径和
水的运动粘度的函数 .对特定平台间的海底管线而
言 , 水流速度 、管道所在地过水断面的水力半径和水
综合式 (1)、(2), 可以得到海管冲刷悬空的临
界长度 L为
L=
CD SrV
EmI.
(3)
当实测的海底管线悬空长度大于允许的最大悬
空长度时 , 就应该对这些海底管线进行安全维护 .
海底管线 wenku.baidu.com人工草 ”覆盖是海底管线 防冲刷仿
生防护的一种 , 所谓 “人工草 ”是一种粗筛孔聚酯条
编织垫 , 将它人工 “种植 ”在水底 , 可以保 证水下管
线免受外力冲击损伤 .
图 1 “人工草 ”工作原理 Fig.1 Workingprincipleoffiberreinforcedmats
3 海底管线防冲刷试验
由于海底管线 “人工草 ”固定技术不但可以解 决现有管线埋深不够及裸露 、悬空等问题 , 而且可以 为管线无沟敷设探索一种新的 、更加长期有效的维 护方法 .为了证明其有效性 , 模拟了在砂质 、粉质海 床条件下铺设的管线上使用 “人工草 ”防护的情况 , 对海底管线防护技术进行试验研究 .
Anexperimentalscour-preventiontechniqueforsubseapipelines
ZHAODong-yan1, 3 , YUJian-xing1 , LIGuang-xue2 , WANGCong3
(1.KeyLaboratoryofHarborandOceanEngineeringofMinistryofEducationandTianjinCity, TianjinUniversity, Tianjin300072, China;2.CollegeofMarineGeo-Science, OceanUniversityofChina, Qingdao266003, China;3.ChinaOffshoreOilEngineeringCorporation, Tianjin300451, China)
纤维加强埂将管线覆盖 .这种 “人工草 ”覆盖层非常
第 6期 赵冬岩 , 等 :海底管线防冲刷技术试验研究
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坚固 , 只有高压水流才可以破坏它 . 这种方法的优点是 : 1)一次性投 资 , 可以一 劳永 逸地解 决冲 刷问
题 , “人工草 ”不需维修 ; 2)安装后能够迅速阻止冲刷 ; 3)能够逐渐形成永久性纤维加强埂 ; 4)不影响周围水域中动植物的生长 ; 5)在深水及浅水水域都可获得良好使用效果 ; 6)沉积的泥沙等物质可以吸收能量 , 使水下管
坏 .在北美墨西哥湾和欧洲北海油气资源开发的过 程中 , 就有不少因海洋冲刷而造成海底管线损坏的 事故发生 .早期国外的研究者还尝试过采用某种水 下粘滞阻尼装置的方式比如防冲刷网 , 来控制海底 结构物的冲刷问题 , 但在具体海上工程应用中 , 由 于水下安装和施工费用等问题无法解决 , 导致这一 设想的实际使用效果并不理想 .
2 海底管线防冲刷技术原理
海底管线失效原因很多 , 既可能来自管材自身 的缺陷 , 也可能来自管线周围环境的作用 , 因此 , 需 要针对引起海底管线失效的各种原因 分别采取对 策 .该文仅对海底管线防冲刷仿生技术进行讨论 .
仿生防护可以吸收波能 , 起到消波作用 , 同时可 以降低潮流速度 , 减少波浪 、水流动力 对岸滩的冲 蚀 , 同时促进海水中所挟泥沙的沉降 , 从而达到固沙 促淤的目的 .仿生海底防冲刷技术是由采用耐海水 浸泡 、抗长期冲刷的新型高分子材料加工且符合海 洋抗冲刷流体力学原理的仿生海草 、仿生海草安装 基垫 、特殊设计的海底锚固装置 , 以及专用锚固设备 等组成的[ 8] .
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哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 30卷
的流速梯度集中区 , 并构成对海底的强剪切作用 , 导 致冲刷现象的出现 ;同时 , 海洋结构物的出现还改变 了水流的运动方向 , 使之产生绕流和局部大比尺旋 涡 , 更加速了海底的冲刷作用 .
当海底管线部分裸露后 , 水流越过管道会产生 次生作用力 , 在管道迎流侧的较低处形成高压区 , 在 顺流侧的较低处形成低压区 .水流越过管道的顶部 , 速度比自由水流大 .水流在哪个位置与管道分离取 决于流速 .在分离点顺流一侧的区域水流不稳定 , 产 生出尾流 , 散发出一系列的涡漩 .涡漩将启动泥沙 , 因此 , 海床冲刷首先发生在涡漩区 .随着管道裸露部 分的增加 , 涡漩增强 , 冲刷加剧 .当管道与海床面之 间出现水流隧道时 , 迎流侧和顺流侧间存在压力差 , 使管道下面形成高速流管涌现象 , 进而加速冲刷 .随 着管道下的冲刷坑扩大 , 管道下流速逐渐降低 , 使冲 刷坑不再增大 , 冲刷达到平衡状态 , 冲刷范围和深度 达到最大 , 管道处于持续的悬跨状态 .如果管道处于 管沟中 , 水流会在管道迎流侧分离 , 管道部分的处于 管沟顺流侧的尾流中 .
水下管线的四周 .在水中 , “人工草 ”的聚 酯条由于
浮力而垂直浮起 (高约 1 ～ 1.5 m), 在水流作用下来
回摆动 , 形成一个粘滞阻力围栅 , 使流经的水流速度
减缓 , 水流 中的泥 沙及携 带的 其他微 小物 质透 过
“人工草 ”迅速沉积 , 填充在水底 .经过一 段时间的
沉积 , 便逐渐形成一个泥沙与 “人工草 ”紧密结合的
直接裸露在海底的管线 , 在自身重量 、内部流体 以及外部环境荷载作用下将会出现静力及动力响应 问题 , 而管线悬跨的长度又是决定管线静 、动响应程 度的关键因素 [ 9] .为了防止悬空管段冲刷长度过大可 能引起的管线破坏 , 必须采取预防措施 .在采取预防 措施前 , 首先要确定海底管线在水流作用下开始发生
的运动粘度均是不可变量 .所以特定的悬空管段处
的涡流频率是固定值 .管道悬空振动的固有频率为
f=
C l2
EmI.
(2)
式中 :C表示悬空管子端部约束情况有关 的常数 ;l
表示悬空管段长度 ;EI表示悬空管段刚度 , N· m2 ;
m表示单位长度管子的质量 (含管内介质质量及附
连水质量 ), kg/m.
收稿日期 :2008-09-18. 基金项目 :国家 "863"高科技资助项目 (2006AA09A105-4). 作者简介 :赵冬岩 (1958-), 男 , 高级工程师, 博 士研究生 , E-mail:zdy
@mail.cooec.com.cn; 余建星 (1958-), 男, 教授 , 博士生导师 .
线的长期稳定 .实施这种技术很简便 , 无需大型的施
工机具 , 在水 下能 迅速 安装 , 并可 长期 使用 , 达 到
“一劳永逸 ”, 而且对管线外防腐层无任何损坏 , 也
不会污染周围环境 .
海底管线 “人工草 ”覆盖层工作原理如图 1 所
示 .大量海藻状的聚酯条连接在聚酯编织绳上 , 组成
一个巨大的粗筛孔聚酯编织垫 , 依靠锚固桩固定在
Abstract:Seafloorscouringisthemainthreattothesafetyofoperationalsubseapipelines.Fiberreinforcedfixed matswereproposedasakindofimitationvegetationthatprovidesprotection, basedonscourmechanismsaffecting subseapipelinesandtheresultingfundamentalprinciplesofscour-prevention.Anexperimentwasconductedwith anexistingpipelineproject.Itwasshownthatthesuggestedapproachcaneffectivelypreventtheproblemofscour inducedsuspendedspans, providingareferenceforthedesign, constructionandprotectionofsubseapipelines. Keywords:subseapipeline;seabed;scour-prevention;suspendedspan
摘 要 :海底冲刷现象严重威胁着海底管线的安全运营 .该文从海 底管线冲 刷机理入手 , 根据 海底管 线防冲刷 技术 的基本原理 , 提出了仿生防护措施 ——— “人工草 ”固定法 , 并 结合现 有工程 项目进 行了试验 研究 , 结果 表明该方 法可 以有效地解决海 底冲刷造成的管道悬空问题 , 为海底管线工程的设计 、施工和维护提供了指导性的参考 . 关键词 :海底管线 ;海床 ;防冲刷 ;悬 跨 中图分类号 :P75 文献标识码 :A 文章编号 :1006-7043(2009)06-0597-05