局部抛石用于深水海底管道悬跨治理研究与应用

孙　青，余承龙，冯晓伟中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津　300452



局部抛石用于深水海底管道悬跨治理研究与应用

孙青，余承龙，冯晓伟
中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津300452

摘要：针对局部抛石法用于深水海底管道悬跨治理的失稳模式及稳定性进行了研究。首先以Shields准则为依据，对不同大小石块和坡角能抵抗的海流大小进行了计算；然后用Fluent软件建立局部石堆三维模型并分析周围流场；并在试验水槽中进行水流冲击石堆模型试验，观察石堆的失稳模式和不同大小的石块抵抗水流冲击的效果。根据研究，了解局部石堆用于治理海管悬跨的效果，明确石堆失稳模式并避开容易造成石堆失稳的薄弱环节，使石堆形式和尺寸设计更加合理，以达到更加长期稳定的治理效果。此外，根据研究结果将局部抛石法成功应用于番禺海管的悬跨治理。

关键词：海底管道；悬跨治理；局部抛石；数值模拟；水槽试验

海底管道悬跨问题一直以来都是海底管道安全运营的一大威胁，对于海底管道（以下简称海管）的危险悬跨段必须采取措施使其消除或缩短以保证海管的安全。在众多海管悬跨治理方法中，抛石法是用于海管悬跨治理的一种常用方法，它是将碎石沿悬跨管道抛掷，形成一个长条形石坝，对管道起支撑和覆盖作用。但对于深水海管来说，为了实现抛石作业的高效率和准确定位需采用专业的落石管抛石船进行作业。鉴于国内尚无此类抛石船舶，而租赁国外船舶费用昂贵，因此，提出减少抛石长度，采用局部抛石堆区别于国外的全管道抛石的理念，仅在悬跨段中间抛掷一处塔形石堆（如图1所示），起到减少悬跨长度的目的。鉴于局部抛石的理念未在国内海管上进行过应用，局部石堆在水流冲击下的失稳模式及稳定性不明确，因此有必要对其进行研究。

图1　海底管道局部抛石示意

1　Shields准则

抛石法最重要的就是保证石堆在水流等环境载荷作用下能够长期保持稳定，为海管提供持续有效的支撑［1］。本文研究的深水海管主要受到的环境载荷为海流，石堆受水流冲击的失稳破坏通常是由初期少量石块的失稳而导致的一个连锁破坏过程，因此单个石块的起动问题是影响石堆稳定性的关键因素［2］。根据Shields准则［3］可以计算出在受某一流速海流冲击下，保持稳定的最小石块的中值粒径D50。Shields数Ψ为环境载荷作用在石块上的剪切应力值（无量纲），可以按下式计算：

式中：ρr为石块的表面质量密度，kg/m3；ρw为海水密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；D为石块中值粒径D50，mm；τ为剪应力，Pa。

海流引起的剪应力τc（单位：Pa）按下式计算：

式中：U为断面平均流速，m/s；C为Chézy系数，m1/2/s。

式中：h为水深，m；ks为水动力粗糙度，m。

当Shields数超过石块起动的临界值Ψcr时，判定石块起动。《CIRIA岩石手册》中给出临界Shields数的推荐值：Ψcr= 0.03～0.035，石块开始起动；Ψcr= 0.05～0.055，石块有限制的运动。

根据上述公式可以计算得到150 m水深处，不同的海流流速所对应的最小稳定石块中值粒径，如图2所示。

图2　流速与中值粒径关系曲线

当石块位于一定坡度的石堆面上时，其水平面上石块临界剪应力由下式获得：

式中：τβcr为石块位于坡上的临界剪应力，Pa；τcr为石块位于平底上的临界剪应力，Pa；ψ是水流相对坡度的遭遇角，（°）；φ为休止角，（°）；β为坡度倾角，（°）。

在2.23 m/s海流流速（番禺海区海底百年一遇流速）下，不同坡比对应的最小稳定石块粒径D50见表1。

表1　不同坡比对应的最小稳定石块粒径D50

2　数值模拟

局部抛石堆与全段整体抛石相比，石堆两侧与管道中间的空隙容易引起压差形成漩涡［4］，可能造成石堆侧流面的快速失稳。用Fluent软件建立管道与局部石堆三维模型，模拟石堆周围流场分布。

2.1几何模型与网格划分

本文采用工程实际管道悬跨以及局部抛石堆尺寸。管道悬跨长度为30 m，其直径为0.5 m；局部抛石堆位于管道悬跨中央部位，其底边长为10 m，宽5 m，顶边长为8 m，宽1 m，呈正梯形台形状，建立的管道局部抛石堆模型如图3所示。

图3　局部抛石堆与管道模型示意

基于局部抛石堆与管道模型的对称性，取模型的一半进行分析，在ANSYS Workbench平台Design-Modeler中创建外部流场区域，其中上游截面及下游截面距离管道中心分别为10、20 m，流场厚度为5 m，具体模型如图4所示。

图4　外部流场区域模型/m

网格生成是计算流体力学（CFD）应用中的关键技术之一，生成网格质量的好坏直接影响到模拟计算结果的精度和所耗用的CPU时间。在敏感区域，参数变化梯度大，需要捕捉流场的重要信息，故而需要选取较密网格；而在流动参数变化梯度较小区域，为节省所耗用CPU时间，取较稀网格。本模型网格划分采用混合网格，网格单元为四面体和六面体。管道与抛石堆附近参数梯度变化较大，采用四面体网格，并且其表面网格通过减小表面单元尺寸进行细化处理；其他区域采用规则的六面体网格，如图5所示。

图5　外部流场网格划分

2.2湍流模型与边界条件

本文抛石堆模型计算过程取均匀来流，流速为2.23 m/s，湍流模型采用RNG κ-ε模型，近壁处采用非平衡壁面函数。在基于有限体积法的空间离散格式上，为克服假扩散，选择具有二阶精度的二阶迎风格式，时间积分选择二阶精度的SIMPLE半隐式方法。流场边界设置如下：

（1）入口边界——速度入口。

（2）出口边界——出口压力是不可预知的，采用自由出口边界（outflow）。

（3）壁面边界——管道表面、局部抛石堆表面以及底面均采用无滑移壁面边界条件。

（4）对称边界——由于本模型模拟海管悬跨局部抛石治理情况，流场区域的上顶面和左、右边界均设为对称边界条件。

2.3计算结果与分析

计算收敛后，在后处理模块分别取模型抛石堆中心（x = 0 m）、抛石堆顶边（x = 4 m）、抛石堆与管道交界（x = 4.75 m）以及管道悬跨2/3处（x = 10 m）的纵剖面，查看抛石堆以及管道附近处的流场分布情况，具体如图6～9所示。

由图6～7可知，当海流流经抛石堆时，抛石堆顶部来流侧流速显著增大，此时可能会导致石堆顶部侵蚀加重，进而发生失效；在石堆背流面流速大大减小，但是由速度矢量图可以看出，水流在石堆底部形成漩涡，容易引起海底泥沙扰动，从而形成底部侵蚀，造成沙坑，导致石堆失稳。

图6　x=0m处流场分布/（m·s-1）

图7　x=4m处流场分布/（m·s-1）

从图8可知，在管道与抛石堆交界处，管道上部流速大大增加，此时容易吹起管道与抛石堆交界处上部的石子，导致石堆发生侵蚀。在管道悬跨处，管道上下两侧的水流流速都增大，此时会导致海底泥沙的扰动，从而形成冲刷，导致管道悬跨加剧。

图8　x=4.75m处流场分布/（m·s-1）

图9　x=10m处流场分布/（m·s-1）

由图9可知，在管道悬跨处，管道与海床之间的流速增大，此时会引起海底泥沙的扰动，形成冲刷，导致管道悬跨加剧。

图10为局部抛石堆与管道表面压力分布情况。

图10　局部抛石堆与管道表面压力分布/kPa

由图10可以看出，抛石堆底部压力最大，顶部压力最小，从下至上逐步递减，这样容易造成石堆顶部石子发生扰动，被水流冲走，导致失稳；管道上压力最大部位并不是位于来流方向，而是来流方向靠下位置，这样会使得管道发生上顶现象，更容易使得管道与石堆交界处的石子产生扰动，从而失稳。

3　水槽模拟试验

为了模拟局部石堆用于治理海管悬跨的效果及稳定性，在长方形透明玻璃循环水槽中进行水流冲击模型试验。水流由泵控制实现无级调速，并用流速计对上游流速大小进行实时监测，从水槽顶面和侧面可观测、拍摄试验情况，如图11所示。

图11　水槽模拟试验示意

试验中石堆和管道模型遵循几何相似，流体遵循弗洛德相似：选取试验尺度比为λ，由弗洛德数Fr= U /（g·l）0.5，l为特征长度，则流速比为。本试验以番禺海管为原型进行模拟，选取模型与实际缩尺比为1∶5。管道模型外径为100 mm，石堆分为内、外两层，分别采用不同大小石块，外层石块用于抵挡水流冲击，内层石块用于充分填补管道下方的悬跨间隙，石堆模型及参数如图12所示，水流方向垂直于管道轴线。

图12　石堆模型

石堆抛好后，逐渐增加水流速度，观察石堆变化情况，石堆俯视图如图13所示。

图13　水流冲击石堆现象

当流速较小（小于0.9 m/s）时，石堆基本保持原状，只有个别石子有滚动现象，但很快在新的位置获得稳定，随着流速增加，管道底部开始发生缓慢掏空，管侧下部边缘石子滑向下游，石堆侧流面与管交叉位置向内凹陷；当试验流速加到1.0 m/s时，管侧内层小石子在管侧被掏出，石堆受侵蚀速率剧增，石堆再也无法重新获得稳定，进而很快失稳，石堆在整个水流冲击过程中逐渐向流线型发展，石堆侧面绕流导致管与石堆交叉位置优先发生破坏，由该位置引发石堆整体失稳。试验中，通过将侧流面外层石堆加厚，石堆整体抵挡水流稳定性明显加强。因此，增加外层石堆厚度可有效提高石堆稳定性。

通过一系列不同石块大小组合，考察其承受逐渐增大的水流冲击的试验结果，得到不同石块大小能够抵挡的最大水流速度，见表2。

表2　不同石块大小能够抵挡的最大水流速度

此外，试验中还进行了全段抛石的二维模拟，发现石堆最先发生失稳的位置在石堆顶部，且其能抵挡的最大流速与局部石堆相比，并没有明显增加，说明局部石堆形式对水流的抵挡能力足够强，选取合适大小的石块便可抵挡极限海流流速，且抛石工作量较全段抛石大大减少。

4　局部抛石海上施工

番禺气田位于香港以南平均水深约140 m的中国南海，该气田中一段长约130 km的天然气输送管道所处的地质环境复杂，部分管段受局部冲刷严重，悬跨问题严峻。从2006年海管建成以来，针对海管悬跨问题分别进行了水泥浆袋和砂袋修复处置，后续的调查发现两者抵抗沙波移动和海床淘蚀的能力不足，有部分水泥浆袋和砂袋倾覆失效，同时还有多处新的悬跨段出现。

经过评估分析，于2014年5月在番禺海管的悬跨段中选取一处实施了局部抛石的海上施工，该处悬跨长度32.4 m，最大悬跨高度0.32 m，所处海床无沟壑，但分布有中型沙波。抛石后石堆的3D示意如图14所示，石堆分布于悬跨管段的中部，长度为11m，覆盖管顶0.25 m。2015年4月又对海上抛石点进行了调查，如图15所示，发现石堆整体效果保持较好，石堆对管道起到有效支撑作用，并且石堆整体下沉在可控范围内。

图14　2014年海上抛石石堆3D示意

图15　2015年海上抛石石堆3D示意

5　结论

对局部抛石用于治理海管悬跨的理论研究、数值模拟以及水槽试验研究和海上应用结果表明，局部抛石法应用于深水海底管道悬跨治理的理念是可行的，只要石堆形式和尺寸设计合理，局部抛石法用于海床较稳定的悬跨段治理具有良好的稳定性，并且根据石堆失效模式避开石堆的薄弱环节可使石堆实现长期稳定的效果。局部抛石法在番禺海管上的成功实践，也为该方法的推广应用提供了前景。

参考文献

［1］CHAMIZO D J，CAMPBELL D R，JAS E P，et al. Rock Berm Design for Pipeline Stability［C］// Proceedings of the ASME 2012 31st International Conference of Ocean，Offshore and Arctic Engineering..

［2］何源，张增发，刘曙光，等.抛石护岸稳定粒径不同计算公式的比较分析［J］.浙江水利科技，2012，4（1）：20- 25.

［3］CIRIA C683（2007），The Rock Manual - The use of rock in hydraulic engineering（2nd edition）［S］.

［4］HINWOOD J B，LIPSKI W. Failure Modes of Rock Berms for Offshore Pipeline Protection［C］// Proceedings of the 12th International Offshore and Polar Engineering Conference. Japan：The International Societ of Offshore and Polar Engineers，2002：32- 37.

Research and Application of Local Rock Dumping for Treating Free Span of Deepwater Pipeline

SUN Qing，YU Chenglong，FENG Xiaowei
Geophysical Department，China Oilfield Services Limifed，Tianjin 300452，China

Abstract：The research on instability modes and stability of treating free span of deepwater pipeline by local rock dumping method is conducted. Based on Shields criterion，the current resistance abilities with deferent rock sizes and slopes are calculated；Then the local 3D berm model is built with Fluent software and the around current field is analyzed. The model test under current impact is performed in a laboratory flume to investigate berm instability modes and stability as well as the effect of different rock sizes on resisting water impact，which enables the design of berm form and size to be more reasonable and get more stable treatment effect. These research results have successfully been used in treating free span of Panyu subsea pipeline.

Keywords：subsea pipeline；free span treatment；localrock dumping；numericalsimulation；test in laboratory flume

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.004

作者简介：

孙青（1987 -），女，天津人，工程师，2013年毕业于大连理工大学船舶与海洋结构物设计制造专业，硕士，现从事海底管道结构分析工作。Email：sunqing2@cosl.com.cn

收稿日期：2015- 08- 25；修回日期：2015- 12- 25