海底管线冲刷与防护_电力水利_工程科技_专业资料

海底管线冲刷与防护_电力水利_工程科技_专业资料

海底管道冲刷悬空与防护

霍俊波 21150933101 2015级水利工程

一、背景介绍

人类的发展离不开对能源的开发和利用。对于不能或不需要在原地进行利用的资源，常常要采取输运的方式，将能源运输到合适的地方进行加工、利用。所以，选择运输方式很重要。对于流体，常见的输送方式有装入容器中进行车辆运输，或者在流体生产地与需要地之间连接管道，进行管道运输。

车辆运输的方式具有灵活、但是运行成本较高的特点，适合用量较小、急用、或者珍贵物品的运输。相对而言，管道运输的投资成本比较大，方式不如车辆灵活，但是后期运行、管理方便，输送能力大，在石油、天然气、水等基础能源的运输方面有着重要的应用。

最早的管道应用是排水管，人们利用排水管将废水排入河流或海洋中。管道在海底的应用，可以追溯到1947年建立在墨西哥湾的一条深6m，离岸17m的浅水管道，该管道至今仍在使用。在我国，海底管道的应用起步较晚。1973年，我国在山东省黄岛附近铺设了3条链接海底到岸上的

输油管道。又于1985年在埕岛北部油田铺设了连接两个海洋平台之间的海底管道。1987年，通过引进国外铺设船，我国在深海中进行了管道铺设。1994年，我国自行研发了铺设船，可以进行深海管道的铺设。自此，海底管道应用在我国蓬勃发展起来。

由于海底管线所处的海洋环境非常恶劣、直接受到波浪潮流等作用，存在着很多不稳定因素，运行中的管道发生破坏的案例在世界范围内不胜枚举，由于管道内部输着原油、天然气等资源，每一次管道破坏事件都会带来巨大的经济损失及环境污染等严重的后果。在管道应用日益广泛的当代，管道的破坏事故却有增无减。我国海底管道的发展时间不足50年，也发生过很多管道破坏事件。2000年，东海平湖内某段管道在波流冲刷作用下导致失效；2003、2009年埕岛油田段发生过由于悬空而引发的管道断裂；2007年，我国南海涠洲海底管道因为腐蚀而发生泄漏；2011年，渤海蓬莱的石油钻井平台处抛锚滴漏造成管道破裂，发生了溢油事故，对当地环境带来了严重后果。

据统计，在所有的海底管道破坏原因中，腐蚀

占50%，波流作用占12%，第三方活动占20%，海床运动或其他占18% 。我国曾经对渤海埋北油田已铺设的海底管道进行过调查，共收集到61根海底输油管道的现状调查资料,海底输油管道外管直径为219mm至559mm，被调查的61根管道中，仅5根未被冲刷悬空，占8%管道悬空高度平均值为1.33m，最大值为2.5m，大于等于2m的有16根，占26%，大于等于lm的有48根，占79%，可见冲刷的普遍，从悬空长度来统计，平均悬空长度为15.1m，最大为3Om。大于等于20m的为22根，占36%，大于等于10m的有43根，占70%。

随着海底管线在海洋工程中越来越广泛的应用，外界水动力作用下管线附近海床冲刷、管线遭受破坏等问题也越来越引起广大研究人员的关注。海底管线附近海床在波浪作用下的冲刷侵蚀平衡过程研究是管线设计、施工以及预测其在位稳定性的一项重要工作，对此问题的研究具有很高的学术价值和很强的工程指导作用，这方面工作的深入开展不但会为海底管线的生产安全性提供可靠的技术保障，还可以对整个海洋经济的发展起到巨大的推动作用。总而言之,波浪

对海底管线附近海床的冲蚀是管线安全性设计中需要考虑的重要因素，是值得我们去研究和思考的重要问题。

二、冲刷原因

冲刷与淤积是当地泥沙水力输移趋向平衡的结果。在可冲刷的床面上，当某处的水流挟沙力大于来流的含沙量时，该处就会发生冲刷，反之则发生淤积。造成海底管道冲刷的原因可以归纳为四大类：管道的绕流冲刷、海床的普遍（整体）冲刷、海床的沙波运动、以及海管附近水下建筑物局部流场的改变造成的局部冲刷。

（1）管道的绕流冲刷是指海底管道露出海床因水流运动所产生的局部冲刷，是海流、管道和海床三者间的动力耦合作用问题。在一定条件下，海床冲刷将引起管道悬空。

（2）引起海床的普遍冲刷的原因是因为区域内泥沙来源的减少、或海流强度增大而造成的大范围的冲刷。随我国国民经济的发展与环保能力的日益加强，各类产沙治理措施的逐见成效，以及大型水利工程的建设等因素，长江、黄河等大江大河入海泥沙急剧减少。广大区域海岸侵蚀后退现象日益严重。大范围的侵蚀，床面高程普

遍逐年降低，无疑会构成对附近海域海底所有管道日益严重的威胁。

（3）海床大尺度的沙波运动是引起的管道冲刷、危及海底管道安全的一个重要因素。海底沙波的波长可达几十米、波高几米，一个波的完整变形（运动）往往需要几月甚至几年的时间，这种时间尺度大、但随海流不断运动、变形的大尺度沙波无疑会给海底管道的安全造成很大威胁。

（4）建筑物形成的局部冲刷，是由于建筑物的存在而在局部范围内发生强化的水流或高速旋转的漩涡，这些水流或漩涡具有较高的冲刷能力，从而在局部范围内形成冲刷坑。冲刷坑范围与深度往往与建筑物尺度有直接关系。

三、局部冲刷机理

海底管线周围海床的冲刷是波浪、管道和海床三者间的动力祸合作用问题,由于受流动、地形、土质等多种环境因素影响,冲刷现象十分复杂。从流体力学的角度看,波浪中管线的冲刷涉及非定常往复运动中的旋涡分离流动,因为产生床面冲蚀,床面边界处于动态变化之中,边界的改变以及床质进入水体,都会使绕管线的旋涡分

离流动与固壁平板床有所不同。由于此问题的交叉性,目前多是在合理的简化条件下进行一些冲刷机理研究和一般性规律的研究。

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，导致管线下方上体在渗流作用下出现管涌现象，标志着管线局部冲刷开始发生。（2）管涌的出现将进一步导致管线与海床面之间出现一水流孔道，因压差使管线下部水流孔道中的流体流速大于行近流速（远离管线未受扰动流速），从而加速管线下部的孔道冲刷。随着管线下部冲刷坑逐渐扩大,管线下部流体流速逐渐降低,当冲刷达到平衡状态时冲刷坑深度达到最大。

对恒定流中管线下部冲刷起动的试验研究结果表明,管涌的形成要经历两个过程，如图1所示：（1）随流速增加，管线下方土体内水力梯度增加，当其所诱发的管线下游侧渗透力大于土体浮重时，管线下游紧靠管线的土体表面将隆起,标志着土体内水力梯度达到临界值；（2）这个过程持续一段时间后，砂水混合物在隆起处喷出,形成管涌。管涌仅发生在土体最薄弱的地方,是一种局部现象，不会在管线整个长度上发生。