海底管線沖刷與防護(hù)

1、海底管線沖刷與防護(hù)_電力水利 _工程科技_專業(yè)資料海底管道沖刷懸空與防護(hù)霍俊波211509331012015級(jí)水利工程、背景介紹人類的發(fā)展離不開對(duì)能源的開發(fā)和利用。對(duì) 于不能或不需要在原地進(jìn)行利用的資源，常常要 采取輸運(yùn)的方式，將能源運(yùn)輸?shù)胶线m的地方進(jìn)行 加工、利用。所以，選擇運(yùn)輸方式很重要。對(duì)于 流體，常見的輸送方式有裝入容器中進(jìn)行車輛運(yùn) 輸，或者在流體生產(chǎn)地與需要地之間連接管道， 進(jìn)行管道運(yùn)輸。l=JLeejl=JLeej，早的管道應(yīng)用是排水管，人們利用排水管 將廢水排入河流或海洋中。管道在海底的應(yīng)用， 可以追溯到1947年建立在墨西哥灣的一條深6m， 離岸17m的淺水管道，該管道至今仍在

2、使用。在 我國(guó)，海底管道的應(yīng)用起步較晚。1973年，我國(guó) 在山東省黃島附近鋪設(shè)了 3條鏈接海底到岸上的liiJ輸油管道。又于1985年在埕島北部油田鋪設(shè)了連 接兩個(gè)海洋平臺(tái)之間的海底管道。1987年，通過(guò) 引進(jìn)國(guó)外鋪設(shè)船，我國(guó)在深海中進(jìn)行了管道鋪 設(shè)。1994年，我國(guó)自行研發(fā)了鋪設(shè)船，可以進(jìn)行 深海管道的鋪設(shè)。自此，海底管道應(yīng)用在我國(guó)蓬 勃發(fā)展起來(lái)。liiJ=1由于海底管線所處的海洋環(huán)境非常惡劣、直接 受到波浪潮流等作用，存在著很多不穩(wěn)定因素， 運(yùn)行中的管道發(fā)生破壞的案例在世界范圍內(nèi)不 勝枚舉，由于管道內(nèi)部輸著原油、天然氣等資源， 每一次管道破壞事件都會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失 及環(huán)境污染等嚴(yán)重的后

3、果。在管道應(yīng)用日益廣泛 的當(dāng)代，管道的破壞事故卻有增無(wú)減。我國(guó)海底 管道的發(fā)展時(shí)間不足50年，也發(fā)生過(guò)很多管道 破壞事件。2000年，東海平湖內(nèi)某段管道在波 流沖刷作用下導(dǎo)致失效；2003、2009年埕島油 田段發(fā)生過(guò)由于懸空而引發(fā)的管道斷裂；2007 年，我國(guó)南海潿洲海底管道因?yàn)楦g而發(fā)生泄 漏; 2011年，渤海蓬萊的石油鉆井平臺(tái)處拋錨 滴漏造成管道破裂，發(fā)生了溢油事故，對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán) 境帶來(lái)了嚴(yán)重后果。=1據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所有的海底管道破壞原因中，腐蝕liiiJ占50%,波流作用占12%,第三方活動(dòng)占20%, 海床運(yùn)動(dòng)或其他占18%。我國(guó)曾經(jīng)對(duì)渤海埋北 油田已鋪設(shè)的海底管道進(jìn)行過(guò)調(diào)查，共收集到 61

4、根海底輸油管道的現(xiàn)狀調(diào)查資料，海底輸油管 道外管直徑為219mm至559mm，被調(diào)查的61根 管道中，僅5根未被沖刷懸空，占8%管道懸空 高度平均值為1.33m，最大值為2.5m,大于等于 2m的有16根，占26%,大于等于lm的有48根， 占79%,可見沖刷的普遍，從懸空長(zhǎng)度來(lái)統(tǒng)計(jì)， 平均懸空長(zhǎng)度為15.1m,最大為3Om。大于等于 20m的為22根，占36%,大于等于10m的有43 根，占70%。liiiJ隨著海底管線在海洋工程中越來(lái)越廣泛的 應(yīng)用，外界水動(dòng)力作用下管線附近海床沖刷、管 線遭受破壞等問(wèn)題也越來(lái)越引起廣大研究人員 的關(guān)注。海底管線附近海床在波浪作用下的沖刷 侵蝕平衡過(guò)程研究是

5、管線設(shè)計(jì)、施工以及預(yù)測(cè)其 在位穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要工作，對(duì)此問(wèn)題的研究具 有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值和很強(qiáng)的工程指導(dǎo)作用，這方 面工作的深入開展不但會(huì)為海底管線的生產(chǎn)安 全性提供可靠的技術(shù)保障，還可以對(duì)整個(gè)海洋經(jīng) 濟(jì)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。總而言之，波浪對(duì)海底管線附近海床的沖蝕是管線安全性設(shè)計(jì) 中需要考慮的重要因素，是值得我們?nèi)パ芯亢退?考的重要問(wèn)題。二、沖刷原因I=JLeejI=JLeej（1）管道的繞流沖刷是指海底管道露出海 床因水流運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的局部沖刷，是海流、管道 和海床三者間的動(dòng)力耦合作用問(wèn)題。在一定條件 下，海床沖刷將引起管道懸空。iwJ（2）引起海床的普遍沖刷的原因是因?yàn)閰^(qū) 域內(nèi)泥沙來(lái)源的減

6、少、或海流強(qiáng)度增大而造成的 大范圍的沖刷。隨我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與環(huán)保能 力的日益加強(qiáng)，各類產(chǎn)沙治理措施的逐見成效， 以及大型水利工程的建設(shè)等因素，長(zhǎng)江、黃河等 大江大河入海泥沙急劇減少。廣大區(qū)域海岸侵蝕 后退現(xiàn)象日益嚴(yán)重。大范圍的侵蝕，床面高程普iwJ遍逐年降低，無(wú)疑會(huì)構(gòu)成對(duì)附近海域海底所有管 道日益嚴(yán)重的威脅。（3）海床大尺度的沙波運(yùn)動(dòng)是引起的管道 沖刷、危及海底管道安全的一個(gè)重要因素。海底 沙波的波長(zhǎng)可達(dá)幾十米、波高幾米，一個(gè)波的完 整變形（運(yùn)動(dòng)）往往需要幾月甚至幾年的時(shí)間， 這種時(shí)間尺度大、但隨海流不斷運(yùn)動(dòng)、變形的大 尺度沙波無(wú)疑會(huì)給海底管道的安全造成很大威 脅。（4）建筑物形成的局部沖

7、刷，是由于建筑 物的存在而在局部范圍內(nèi)發(fā)生強(qiáng)化的水流或高 速旋轉(zhuǎn)的漩渦，這些水流或漩渦具有較高的沖刷 能力，從而在局部范圍內(nèi)形成沖刷坑。沖刷坑范 圍與深度往往與建筑物尺度有直接關(guān)系。三、局部沖刷機(jī)理海底管線周圍海床的沖刷是波浪、管道和海 床三者間的動(dòng)力禍合作用問(wèn)題，由于受流動(dòng)、地 形、土質(zhì)等多種環(huán)境因素影響，沖刷現(xiàn)象十分復(fù) 雜。從流體力學(xué)的角度看,波浪中管線的沖刷涉 及非定常往復(fù)運(yùn)動(dòng)中的旋渦分離流動(dòng)，因?yàn)楫a(chǎn)生 床面沖蝕，床面邊界處于動(dòng)態(tài)變化之中，邊界的 改變以及床質(zhì)進(jìn)入水體,都會(huì)使繞管線的旋渦分11離流動(dòng)與固壁平板床有所不同。由于此問(wèn)題的交 叉性，目前多是在合理的簡(jiǎn)化條件下進(jìn)行一些沖 刷機(jī)理研

8、究和一般性規(guī)律的研究。1111管線局部沖刷可分為兩個(gè)階段：（1）管線迎 流面和背流面存在一定流體壓差，導(dǎo)致管線下方 上體在滲流作用下出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，標(biāo)志著管線局 部沖刷開始發(fā)生。（2）管涌的出現(xiàn)將進(jìn)一步導(dǎo)致 管線與海床面之間出現(xiàn)一水流孔道，因壓差使管 線下部水流孔道中的流體流速大于行近流速（遠(yuǎn) 離管線未受擾動(dòng)流速），從而加速管線下部的孔 道沖刷。隨著管線下部沖刷坑逐漸擴(kuò)大，管線下 部流體流速逐漸降低，當(dāng)沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)沖 刷坑深度達(dá)到最大。11=1對(duì)恒定流中管線下部沖刷起動(dòng)的試驗(yàn)研究 結(jié)果表明，管涌的形成要經(jīng)歷兩個(gè)過(guò)程，如圖1 所示：（1）隨流速增加，管線下方土體內(nèi)水力梯 度增加，當(dāng)其所誘發(fā)的

9、管線下游側(cè)滲透力大于土 體浮重時(shí)，管線下游緊靠管線的土體表面將隆起, 標(biāo)志著土體內(nèi)水力梯度達(dá)到臨界值；（2）這個(gè)過(guò) 程持續(xù)一段時(shí)間后，砂水混合物在隆起處噴出， 形成管涌。管涌?jī)H發(fā)生在土體最薄弱的地方，是 一種局部現(xiàn)象，不會(huì)在管線整個(gè)長(zhǎng)度上發(fā)生。=1圖1 恒定流作用下管線沖刷發(fā)生過(guò)程當(dāng)恒定流流經(jīng)管線時(shí)，一部分水流沖擊管線， 另一部分水流從管線上部繞行。對(duì)于直接沖擊管 線的水流而言，沖擊水流的動(dòng)能在管線表面轉(zhuǎn)化 為壓能，海床摩阻作用使近底水流流速減慢，因 而近底處管線表面的壓能最小，這種在管線迎流 面垂向上的壓差將在管線上游側(cè)產(chǎn)生順時(shí)針旋 轉(zhuǎn)的橫軸駐留旋渦，如圖2所示。在管線上游， 管線對(duì)水流的阻

10、礙致使流體質(zhì)點(diǎn)壓力沿流向從 遠(yuǎn)離管線處的自由流動(dòng)壓力增高到管線駐點(diǎn)A 處的停滯壓力，管線迎流面從A處到B處壓力逐 漸減小形成順壓梯度區(qū)；管線背流面從B處到C 處壓力逐漸增大形成逆壓梯度區(qū)。流體質(zhì)點(diǎn)沿管 線表面從A處到B處受壓力作用而前進(jìn)；在零壓 梯度區(qū)B處，流體質(zhì)點(diǎn)依賴于自身動(dòng)能克服粘性 阻力繼續(xù)前進(jìn)；在逆壓梯度區(qū)BC段,流體質(zhì)點(diǎn)在 逆壓、流體粘性阻力作用下逐漸減速。當(dāng)來(lái)流流 速較低時(shí)，流場(chǎng)接近于無(wú)粘流，因此管線前緣高 壓力可使流體與管線之間的邊界層包圍至管線的背面；當(dāng)來(lái)流流速達(dá)到一定程度時(shí)，在逆壓梯 度區(qū)BC段的分離點(diǎn)S處，流體質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能耗盡，in?IIB速度為零，流體在倒流擠壓下脫離管線表面

11、并形 成向后方拖泄的自由剪切層。水流與管線表面的 摩擦力使自由剪切層最內(nèi)層運(yùn)動(dòng)速度比與自由 流相接觸的最外層運(yùn)動(dòng)速度慢，于是自由剪切層 傾于卷曲并最終發(fā)展成為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的橫軸尾 流旋渦。in?IIBB SB S圖2管線前后漩渦示意圖考慮滲流力與漩渦作用，推進(jìn)波作用下管道 周圍沖刷演變分為5個(gè)階段（如圖3）：第一階 段，管道在波浪作用下，流場(chǎng)發(fā)生改變，形成了 與水流作用下相似的三種漩渦；第二階段，在漩 渦和滲流的作用下，管道上下游床面形態(tài)發(fā)生變 化，開始由泥沙顆粒被夾攜帶走；第三階段，由 于沙粒逐步流失，管道下方?jīng)_刷坑變大，形成沖 刷通道，被帶走的沙粒逐漸在管道兩側(cè)較遠(yuǎn)處落 下；第四階段，管道下

12、方?jīng)_刷坑道逐漸增大，且沖刷速度變化，由于波浪水質(zhì)點(diǎn)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沖 刷坑向著對(duì)稱發(fā)展;第五階段，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間沖刷， 沖刷坑穩(wěn)定，沖刷坑最大深度基本保持平衡。圖3圖3波浪作用下沖刷演變過(guò)程，；二是降低波、流對(duì) 海底的沖刷速度。下面簡(jiǎn)單介紹一下常用的幾種 維護(hù)方法。四、防護(hù)方法簡(jiǎn)單地說(shuō)，沖刷是因?yàn)楫?dāng)?shù)氐乃鲝?qiáng)度太 大，水流帶來(lái)的泥沙通量小于水流當(dāng)?shù)氐臎_刷外 移通量。因此， 有兩方面：（1）支撐管道：通常，當(dāng)管道底部懸空不=1大（一般不大于1m）時(shí)可采用砂袋、灰漿袋、 升高枕或機(jī)械裝置支撐管道。這種方法主要適用 于沒(méi)有旋渦沖刷的場(chǎng)合。=111砂袋：采用砂袋支撐法是在懸空管段底部堆 置砂袋。先在懸空管道及

13、其周圍一定范圍內(nèi)拋填 水泥砂袋，砂袋中裝一定比例的粗砂和水泥，每 個(gè)砂袋重約60 kg。砂袋堆與砂袋堆之間的距離 取決于管徑，管徑大則距離長(zhǎng)，管徑小則距離 短，在拋填砂袋的過(guò)程中由潛水員對(duì)砂袋進(jìn)行整 理。如果管段懸空太高，例如超過(guò)1m，則砂袋 堆容易倒塌，因而不宜用砂袋支撐高懸空的管 段。此方法的優(yōu)點(diǎn)是施工工藝簡(jiǎn)單，便于實(shí)施， 可以在管道不停產(chǎn)的情況下實(shí)施，保護(hù)范圍廣。 缺點(diǎn)是可靠性不高，因受較多不確定因素的影 響，拋填的砂袋有再次被沖刷淘走的可能，造成 管道再次懸空。11灰漿氣囊：灰漿氣囊是一種克服管道懸空的 更有效、更可靠的方法，它由一系列相互連接的 氣囊組成，當(dāng)氣囊中填充灰漿后就形成氣囊

14、型支 墊。氣囊型支墊呈“V”形，可以保證與管道接 觸良好。先由潛水員將未注灰漿的空氣囊鋪放在 管道懸空段底下，然后用注漿設(shè)備將灰漿注入氣囊中，從而托起管道。liiJ升高枕：升高枕是一種大的充水橡膠枕,， 即將高壓水注入“廣，形橡膠枕，通過(guò)橡膠枕的 膨脹將管道托起,，它能將40噸的重物升高1. 5m,具有很好的穩(wěn)定性。這種橡膠枕安裝方便， 可以重復(fù)使用，主要用于臨時(shí)支撐被掏空的管 道。liiJ液壓系統(tǒng)圖4鋼結(jié)構(gòu)支架鋼結(jié)構(gòu)支架：如果沒(méi) 有必要消除管道的懸空， 則可采用鋼結(jié)構(gòu)支架（如 圖4）支撐管道。該方法 是在管道底部按一定間 距（主要取決于管徑與壁 厚）放置鋼結(jié)構(gòu)支架， 這些支架可將管道托住，并

15、將管道夾緊，鋼結(jié)構(gòu) 支架的升降和夾緊操作由液壓系統(tǒng)來(lái)完成。鋼結(jié) 構(gòu)支架和管道之間設(shè)置管托，以防損壞管道的 防腐層。若要抵抗側(cè)向力，防止管道側(cè)移，還可 在管道上或支架上放置重塊。該方法適用于管道 懸空400600mm液壓系統(tǒng)圖4鋼結(jié)構(gòu)支架（2）回填懸空段這種方法是從輔助船向管道懸空段處傾倒 礫石和石子等松散材料，這些松散材料的堆積可 以覆蓋住管道的懸空段。對(duì)于管道底部懸空不是 很高(例如0.51.5m )的情況，采用這種方 法可以回填整個(gè)懸空段，并可抑制現(xiàn)有懸空段的 側(cè)向擺動(dòng)。使用這種方法的前提是海床的承載力 能夠支撐傾倒的松散材料。用礫石填充沖刷孔是 防止旋渦沖刷、阻止懸空繼續(xù)惡化的有效方法。

16、 因此，這種方法主要適用于有旋渦沖刷的場(chǎng)合。加壓載塊如果懸空段比較長(zhǎng)，但懸空量小，僅有幾 十厘米，則可用在管道上加壓載塊的方法把管 道壓在海床上。壓載塊可以是混凝土塊，也可以 是其它材料，其形狀可以是鞍形，也可以是板形。 圖5是加壓塊結(jié)合拋沙袋的方法。圖5加壓塊結(jié)合拋沙袋的方法樁支撐方法對(duì)于懸空段較長(zhǎng) （為幾十米）、懸空量較 大（超過(guò)1m），且沖刷 源不易消除（如有旋 渦）的情況，宜采用打 樁穩(wěn)定管道的方法。樁可以是形樁（把管道夾在 兩個(gè)樁柱內(nèi)），也可以是r形樁（r形樁應(yīng)布置 于管道兩側(cè)，以防止管道側(cè)向位移）。沿管道兩 側(cè)交叉布置水下支撐樁，在每一支撐樁靠近管道 位置設(shè)置懸臂梁（圖6），將懸空

17、管段固定，減 小懸空長(zhǎng)度。（5）重新挖溝埋管海床大范圍的緩慢移動(dòng)可以造成管道在長(zhǎng) 達(dá)上百米（或更長(zhǎng)）的距離上埋設(shè)深度減小，甚 至有的地方出現(xiàn)懸空。對(duì)于這種情況，可以選擇 重新挖溝埋管，使管道重新獲得穩(wěn)定。（6）撓性管懸空會(huì)使管道變形，承受非設(shè)計(jì)荷載。撓性 管可以順應(yīng)變形，減小受力。將懸空立管拆除， 根據(jù)目前沖刷后實(shí)際的海底現(xiàn)狀，重新設(shè)計(jì)及安 裝立管。在立管與水平管之間跨接長(zhǎng)度約為60 m的撓性軟管（圖7）,撓性軟管的規(guī)格根據(jù)具體 的海管規(guī)格確定。這種方法優(yōu)點(diǎn)是可靠性較高， 在鋪設(shè)時(shí)可隨地形的變化而變化，有較好的抵抗 疲勞破壞特性；作為立管使用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工 方便，并可兼作海底管道的補(bǔ)償裝置。

18、缺點(diǎn)是對(duì) 于已經(jīng)投產(chǎn)的海底管道的懸空治理必須停產(chǎn)方 可實(shí)施，成本較高；如遇極其惡劣海況較鋼管式 立管易斷裂，并且海底管道立管端顫振幅度較 大，將會(huì)產(chǎn)生更大的隱患。海平面#|由艷洲管道立管女戒結(jié)構(gòu)內(nèi)管、JS海底泥面海管內(nèi)管神刷后海底泥面管桿立管女戒結(jié)構(gòu)內(nèi)管、JS海底泥面海管內(nèi)管神刷后海底泥面/管卡/焊接方式連接軟管保護(hù)瘋鬲頂碗福慕j(luò)k林前海并規(guī)幡嫩ek圖7撓性軟管跨接法（7）阻流板在管道上方安裝類似魚“鰭”的阻流板，當(dāng)海 底管道的路由垂直于海水的流動(dòng)方向時(shí)，海水受 到阻流板的阻擋會(huì)改變流動(dòng)方向產(chǎn)生渦流，管道 下方的海水受到壓縮，其流動(dòng)速度增大，海水會(huì)沖刷管道底部的土壤，利用管道的自重和阻流板 產(chǎn)

19、生的動(dòng)力，將管道逐步壓入海底土壤內(nèi)，直至 埋沒(méi)到管徑的1-1.5倍的深度，最終會(huì)將“鰭” 也埋設(shè)到海底。自埋過(guò)程如圖8。海床若有變化， 管線上的“鰭”繼續(xù)發(fā)揮作用，自動(dòng)調(diào)節(jié)埋設(shè)深 度。該技術(shù)不僅比傳統(tǒng)的埋設(shè)施工費(fèi)用低，而且 在運(yùn)行期內(nèi)，避免了由于海床變化而造成管線懸 空帶來(lái)的安全危險(xiǎn)，同時(shí)減少了懸空管線的搶修 工作。不過(guò)，這種靠“鰭”周圍的水流產(chǎn)生渦流 沖刷自埋的速度隨渦流強(qiáng)度減少而減少，一旦水 流流向與“鰭”葉片方向平行時(shí)，渦流消失，“鰭” 的自埋作用完全消失。另外，這種技術(shù)主要適用 于砂質(zhì)海床，對(duì)于以粘土和礫石為主的海床不適 用，而且要求海底流速達(dá)到一定量值。當(dāng)海床的 泥沙特性沿管線不均勻時(shí)，渦流沖刷的速度不 同，有可能造成管道局部懸空。在海洋水動(dòng)力的 不斷變化下，當(dāng)管線較長(zhǎng)時(shí)，海床的泥沙特性沿 管線非均勻性和水流流向都可能無(wú)法保障工程 要求。jr11* jp圖8安裝阻流板后管道的自埋過(guò)程（8）“人工草”固