海底管线冲刷与防护电力水利工程科技专业资料.docx

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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211509331012015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。

图1恒定流作用下管线冲刷发生过程

当恒定流流经管线时，一部分水流冲击管线，另一部分水流从管线上部绕行。

对于直接冲击管线的水流而言，冲击水流的动能在管线表面转化为压能，海床摩阻作用使近底水流流速减慢，因而近底处管线表面的压能最小，这种在管线迎流面垂向上的压差将在管线上游侧产生顺时针旋转的横轴驻留旋涡，如图2所示。

在管线上游，管线对水流的阻碍致使流体质点压力沿流向从远离管线处的自由流动压力增高到管线驻点A处的停滞压力，管线迎流面从A处到B处压力逐渐减小形成顺压梯度区；管线背流面从B处到C处压力逐渐增大形成逆压梯度区。

流体质点沿管线表面从A处到B处受压力作用而前进；在零压梯度区B处，流体质点依赖于自身动能克服粘性阻力继续前进；在逆压梯度区BC段,流体质点在逆压、流体粘性阻力作用下逐渐减速。

当来流流速较低时，流场接近于无粘流,因此管线前缘高压力可使流体与管线之间的边界层包围至管线的背面；当来流流速达到一定程度时，在逆压梯度区BC段的分离点S处，流体质点动能耗尽，速度为零，流体在倒流挤压下脱离管线表面并形成向后方拖泄的自由剪切层。

水流与管线表面的摩擦力使自由剪切层最内层运动速度比与自由流相接触的最外层运动速度慢，于是自由剪切层倾于卷曲并最终发展成为顺时针旋转的横轴尾流旋涡。

图2管线前后漩涡示意图

考虑渗流力与漩涡作用，推进波作用下管道周围冲刷演变分为5个阶段（如图3）：

第一阶段，管道在波浪作用下，流场发生改变，形成了与水流作用下相似的三种漩涡；第二阶段，在漩涡和渗流的作用下，管道上下游床面形态发生变化，开始由泥沙颗粒被夹携带走；第三阶段，由于沙粒逐步流失，管道下方冲刷坑变大，形成冲刷通道，被带走的沙粒逐渐在管道两侧较远处落下；第四阶段，管道下方冲刷坑道逐渐增大，且冲刷速度变化，由于波浪水质点做往复运动，冲刷坑向着对称发展；第五阶段，经过长时间冲刷，冲刷坑稳定，冲刷坑最大深度基本保持平衡。

图3波浪作用下冲刷演变过程

四、防护方法

简单地说，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。

因此，防止海底的冲刷淘空的主要机理有两方面：

一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；二是降低波、流对海底的冲刷速度。

下面简单介绍一下常用的几种维护方法。

（1）支撑管道：

通常,当管道底部悬空不大（一般不大于1m）时可采用砂袋、灰浆袋、升高枕或机械装置支撑管道。

这种方法主要适用于没有旋涡冲刷的场合。

砂袋：

采用砂袋支撑法是在悬空管段底部堆置砂袋。

先在悬空管道及其周围一定范围内抛填水泥砂袋，砂袋中装一定比例的粗砂和水泥，每个砂袋重约60kg。

砂袋堆与砂袋堆之间的距离取决于管径,管径大则距离长，管径小则距离短，在抛填砂袋的过程中由潜水员对砂袋进行整理。

如果管段悬空太高，例如超过1m，则砂袋堆容易倒塌，因而不宜用砂袋支撑高悬空的管段。

此方法的优点是施工工艺简单，便于实施，可以在管道不停产的情况下实施，保护范围广。

缺点是可靠性不高，因受较多不确定因素的影响，抛填的砂袋有再次被冲刷淘走的可能，造成管道再次悬空。

灰浆气囊：

灰浆气囊是一种克服管道悬空的更有效、更可靠的方法，它由一系列相互连接的气囊组成，当气囊中填充灰浆后就形成气囊型支垫。

气囊型支垫呈“V”形，可以保证与管道接触良好。

先由潜水员将未注灰浆的空气囊铺放在管道悬空段底下，然后用注浆设备将灰浆注入气囊中，从而托起管道。

升高枕：

升高枕是一种大的充水橡胶枕,，即将高压水注入“V”形橡胶枕，通过橡胶枕的膨胀将管道托起,，它能将40吨的重物升高1.5m,具有很好的稳定性。

这种橡胶枕安装方便，可以重复使用，主要用于临时支撑被掏空的管道。

图4钢结构支架

钢结构支架：

如果没有必要消除管道的悬空，则可采用钢结构支架（如图4）支撑管道。

该方法是在管道底部按一定间距（主要取决于管径与壁厚）放置钢结构支架，这些支架可将管道托住，并将管道夹紧，钢结构支架的升降和夹紧操作由液压系统来完成。

钢结构支架和管道之间设置管托，以防损坏管道的防腐层。

若要抵抗侧向力，防止管道侧移，还可在管道上或支架上放置重块。

该方法适用于管道悬空400～600mm的情况,并要求海床应有一定的承载力。

（2）回填悬空段

这种方法是从辅助船向管道悬空段处倾倒砾石和石子等松散材料，这些松散材料的堆积可以覆盖住管道的悬空段。

对于管道底部悬空不是很高（例如0.5～1.5m）的情况，采用这种方法可以回填整个悬空段，并可抑制现有悬空段的侧向摆动。

使用这种方法的前提是海床的承载力能够支撑倾倒的松散材料。

用砾石填充冲刷孔是防止旋涡冲刷、阻止悬空继续恶化的有效方法。

因此，这种方法主要适用于有旋涡冲刷的场合。

（3）加压载块

如果悬空段比较长，但悬空量小，仅有几十厘米，则可用在管道上加压载块的方法把管道压在海床上。

压载块可以是混凝土块，也可以是其它材料，其形状可以是鞍形，也可以是板形。

图5是加压块结合抛沙袋的方法。

图5加压块结合抛沙袋的方法

（4）桩支撑方法

对于悬空段较长（为几十米）、悬空量较大（超过1m），且冲刷源不易消除（如有旋涡）的情况，宜采用打桩稳定管道的方法。

桩可以是形桩（把管道夹在两个桩柱内），也可以是Г形桩（Г形桩应布置于管道两侧，以防止管道侧向位移）。

沿管道两侧交叉布置水下支撑桩，在每一支撑桩靠近管道位置设置悬臂梁（图6），将悬空管段固定，减小悬空长度。

（5）重新挖沟埋管

海床大范围的缓慢移动可以造成管道在长达上百米（或更长）的距离上埋设深度减小，甚至有的地方出现悬空。

对于这种情况，可以选择重新挖沟埋管，使管道重新获得稳定。

（6）挠性管

悬空会使管道变形，承受非设计荷载。

挠性管可以顺应变形，减小受力。

将悬空立管拆除，根据目前冲刷后实际的海底现状，重新设计及安装立管。

在立管与水平管之间跨接长度约为60m的挠性软管（图7），挠性软管的规格根据具体的海管规格确定。

这种方法优点是可靠性较高，在铺设时可随地形的变化而变化，有较好的抵抗疲劳破坏特性；作为立管使用，结构简单，施工方便，并可兼作海底管道的补偿装置。

缺点是对于已经投产的海底管道的悬空治理必须停产方可实施，成本较高；如遇极其恶劣海况较钢管式立管易断裂，并且海底管道立管端颤振幅度较大，将会产生更大的隐患。

图7挠性软管跨接法

（7）阻流板

在管道上方安装类似鱼“鳍”的阻流板，当海底管道的路由垂直于海水的流动方向时，海水受到阻流板的阻挡会改变流动方向产生涡流，管道下方的海水受到压缩，其流动速度增大，海水会冲刷管道底部的土壤，利用管道的自重和阻流板产生的动力，将管道逐步压入海底土壤内，直至埋没到管径的1-1.5倍的深度，最终会将“鳍”也埋设到海底。

自埋过程如图8。

海床若有变化，管线上的“鳍”继续发挥作用，自动调节埋设深度。

该技术不仅比传统的埋设施工费用低，而且在运行期内，避免了由于海床变化而造成管线悬空带来的安全危险，同时减少了悬空管线的抢修工作。

不过，这种靠“鳍”周围的水流产生涡流冲刷自埋的速度随涡流强度减少而减少，一旦水流流向与“鳍”叶片方向平行时，涡流消失，“鳍”的自埋作用完全消失。

另外，这种技术主要适用于砂质海床，对于以粘土和砾石为主的海床不适用，而且要求海底流速达到一定量值。

当海床的泥沙特性沿管线不均匀时，涡流冲刷的速度不同，有可能造成管道局部悬空。

在海洋水动力的不断变化下，当管线较长时，海床的泥沙特性沿管线非均匀性和水流流向都可能无法保障工程要求。

图8安装阻流板后管道的自埋过程

（8）“人工草”固定法

所谓“人工草”是一种粗筛孔聚酯线编织垫，将它人工“种植”在水底，可以保证水下管道的长期稳定。

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”，而且对管道外防腐层无任何损坏，也不会污染周围环境。

这种方法是模仿沙漠地区防风固沙的原理和我国东南沿海的红树林防护带。

仿生林带可以吸收波能，起到消波作用，同时可以降低潮流速度，减少浪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。

水下管道“人工草覆盖层工作原理如图9所示。

（9）覆盖法

是指将裸露于海床的管线用不容易被冲刷的砾石或沉排覆盖（如图10），增大周围泥沙的启动流速，以从而实现对海床的保护。

目前常用的方法是混凝土沉排或较粗的砾石覆盖。

图10覆盖法

五、总结

本文首先描述了海底管道对人类生活生产的重要意义以及遭到破坏后的严重后果，针对波流作用下的海底管线冲刷悬空问题，分析了恒定流作用下以及波浪作用下的冲刷悬空机理和过程，在此基础上，总结了常用的防护方法。

本文涉及的防护方法是众多管道防护方法中的一部分，还有一些方法没有被提到，如悬浮帘、垂帘等，这些方法各有其优点和弊端，在具体施工中要根据具体情况选择合适的某一种方法或几种方法联合使用。

随着材料科学的发展，新型的防护方法如仿生防护，例如模仿鱼类身体表面特性的材料也正在受到人们的关注。