海底管道冲刷抑制模型试验研究及现场工程验证*

2020-10-18陈荣旗雷震名

中国海上油气 2020年1期

陈荣旗雷震名

（海洋石油工程股份有限公司天津 300461）

作为海上油气传输枢纽，海底管道在海上油气田开发中发挥着关键作用，维护海底管道的安全是保证海洋油气田开发和保护海洋环境的重要保障。随着海洋环境的发展变化以及人类海洋活动的增加，近岸处的海底管道因波浪和海流的冲刷等因素的作用而产生海底管道悬空，从而导致管道疲劳或强度破坏，引发油气泄漏等海上重大污染事故[1]。

目前，国内外主要采用理论分析、数值模拟以及模型试验等方法研究海底管道的悬空、波流冲刷等问题及规律。例如，文献[2]通过试验研究了黏土中海底管道的受力及波高、波陡、水深、埋深等各参数对管道受力的影响。文献[3]通过模型试验研究，模拟了单向流作用下的海底管道冲刷情况。文献[4-6]等对海底管道冲刷进行了大量试验研究，在海底管道冲刷机理、海床冲刷影响因素等方面取得了一系列重要进展。文献[7]评价了海底管道周围砂质海床局部冲刷试验研究成果，对已有研究成果的工程应用进行了分析。文献[8]建立了海底管道局部冲刷的相似准则，利用模型试验研究了管道局部冲刷的物理过程。文献[9]对不同方向的波浪联合作用引起的管道冲刷进行了试验研究，得出了复杂波浪条件下海底管道冲刷深度估算经验公式。文献[10]对国内外海底管道冲刷问题进行了研究综述。文献[11]根据海底管道防冲刷技术原理，提出了人工草固定法的防护措施并结合工程实际进行了试验研究，为管道防冲刷提供了参考。文献[12]将“混凝土联锁排+土工布”防护型式引入海底管道冲刷防护中，针对悬空海底管道，开展室内水槽试验，验证其冲刷防护效果。

海底管道冲刷影响因素的模型试验方面研究进展较多，也取得了一些成果，但还缺乏结合实际工程的海底管道冲刷抑制试验及验证研究。本文针对我国某高潮差、强急流海域A海底管道工程中的管道冲刷抑制进行了试验研究，通过开展不同比尺、流速的模型试验，分析比较了多种海底管道冲刷抑制措施的防护效果，并通过实际工程中采用人工草压块联排结构进行海底管道冲刷抑制防护的成功验证，为海底管道冲刷抑制及悬空治理提供了重要依据和参考。

1 我国某海域海底管道冲刷工程问题

我国某海域一条长距离海底输气管道（以下简称“A管道”）局部路由段长期受到海床冲刷影响，管道部分区域处于裸露、悬空状态，最大悬空高度约0.65～0.85 m（图1），管道安全运营面临重大威胁。为了降低海底管道因海床冲刷导致的管道悬空风险，管道运营方每年对A管道进行定期巡检，并不定期采用沙袋填充、压块覆盖保护的工程措施，对该区域的A管道进行冲刷抑制防护和悬空治理，但整体效果有限，且工程投资及维护成本高昂。

图1 我国某海域A管道裸露示意图（沿路由埋深）Fig.1 Exposed pipe section of one subsea pipeline A in China sea area（buried depth along the subsea pipeline）

该海域极限工况下的波、流、水位、土壤等基础数据见表1～4。

综合表1～4基础数据可以看出，该海域具有强急流、高潮差的特点，最大底层海流超过1.03 m／s、最高潮差超过7.39 m（表3中最高天文潮与最低天文潮的差值）。海床表层土壤为易冲刷的砂质黏土或粉质细砂，海域波、流、土壤环境特征与管道长期冲刷悬空的实际状态相匹配。

表1 A管道所在海域波浪基础数据Table1 Wave data of the sea area where one subsea pipeline A located

表3 A管道所在海域水位数据Table3 Water level of the sea area where one subsea pipeline A located m

表4 A管道所在海域土壤数据（土壤类型为粉质细沙）Table4 Soil data of the sea area where one subsea pipeline A located（soil type is powdery sand）

2 海底管道冲刷抑制模型试验方法

2.1 动海床冲刷模型相似理论

在动海床模型试验中，要同时满足悬移和起动相似，要求模型沙重率小、粒径细；而过细的模型沙会带来絮凝及粘结力的问题，导致悬移和起动相似无法满足。如果可供模型使用的模型沙重率大、粒径粗，要满足悬移和起动相似，则模型会做得很大，且流速变换需求也很大，这在当前的室内模型试验条件下难以做到。因此，本文采用系列模型试验方法，通过系列由小到大的模型试验，将试验结果外延来消除由于模型和原型泥沙运动不相似而引起的试验结果的偏差。这样的模型试验方法，是采用不相似的模型取得相似试验结果的有效方法，这一方法在国内外学界及工程界已有广泛应用[13]。

2.2 海底管道冲刷抑制模型试验方案

对A管道所在海域的现场资料进行分析，得出工程区域底质泥沙分布特征，并通过粒度分析、泥沙起动分析来确定现场泥沙物理特性及运动特性。按照图2流程进行模型沙预备试验、模型设计制作、校准与标定（率定）试验、系列方案试验，开展抛石、混凝土软体排、人工草、人工草压块联排结构等不同措施的冲刷抑制效果试验研究。

图2 海底管道冲刷抑制模型试验方案流程图Fig.2 Model test flow of subsea pipeline scouring suppression

2.3 泥沙起动试验

按照泥沙起动相似、沉降相似选取模型沙，开展模型沙起动预备试验，并修正泥沙起动流速和试验比尺。泥沙起动试验在水槽中开展，水槽水深为0.4 m。通过预备试验确定模型沙泥沙水流起动流速、不同水深条件下的起动波高等动力指标。采用密实后的泥沙样品开展试验，选定泥沙容重为1500 kg／m3，水深4 m。水流、波浪、波流联合作用下模型沙起动试验结果分别如表5～7所示。

表5 水流作用下起动流速试验结果Table5 Test result for initiated flow rate of seabed soil in current

表6 波浪作用下起动流速试验结果Table6 Test result for initiated flow rate of seabed soil in sea wave

表7 波、流共同作用下起动流速试验结果Table7 Test result for initiated flow rate of seabed soil under sea wave and current

2.4 模型试验设计

本次模型试验采用的试验大厅长96 m、宽30 m。根据确定的最大模型比尺开展模型设计与制作。为了尽可能地消除边界影响，确保模型宽度有一定的过渡区，确定模型试验的原型宽度为18 m。为模拟海域涨、落潮双向水流需求，在模型两侧布置了3台最大流量为1 500 m3／h的可逆泵提供水流动力。通过对比研究，确定模型设计宽度4 m、长度50 m，试验区最大水深0.45 m，试验段最大流速0.55 m／s，模型设计及布置如图3所示。

根据A管道海域实际环境条件，结合物理模型试验条件，确定原型与模型的相关比尺（表8）。原型目标海流流速定为1.2 m／s，按照表8的3类比尺划分，则模型试验流速分别为0.52、0.42、0.30 m／s，在水槽中按照恒定双向水流进行校准与标定。考虑水流分布均匀性，设置4个流速测点，分别位于模拟管道中心的上下游各10 cm的位置，沿管道方向等距布置，模型试验测点布置见图4。

图3 海底管道冲刷抑制模型设计及布置图Fig.3 Model design and layout of scouring suppression for subsea pipeline

表8 海底管道冲刷抑制模型试验相关比尺汇总表Table8 Scales of model test of scouring suppression for subsea pipeline

图4 海底管道冲刷抑制模型试验流速测点布置图Fig.4 Test layout for current speed of scouring suppression for subsea pipeline

3 海底管道冲刷抑制模型试验

根据以上模型试验准备，针对抛石、混凝土软体排、人工草、人工草压块联排结构等4种防护措施，分别开展海底管道冲刷抑制模型试验研究。

3.1 抛石防护冲刷抑制模型试验

该防护方案条件下，海底管道置于海床面以下，管道顶部距海床面1／2管径，从海底管道下部至海床面，依次覆盖细沙、碎石、块石和床沙，形成管道覆盖保护层，覆盖宽度大于管道管径，模型抛石回填碎石中值粒径为10 mm，对应原型中值粒径约50 mm。在试验布置完成后，进行了4 h的模拟冲刷试验。

随着波流对海床的冲刷，在抛石防护区形成局部冲刷，在海床面未发生明显冲刷条件下，海底管道抛石防护区几乎没有遭到破坏。但在海床冲刷侵蚀发生后，碎石区裸露出海床面（图5），当波流冲刷强度超过碎石稳定条件，抛石防护区遭到了冲刷破坏，随着冲刷的加剧，海底管道也逐步裸露，并在管道下方形成悬空。

图5 抛石防护冲刷抑制试验结果Fig.5 Scouring suppression test result of riprap protection

3.2 人工草防护冲刷抑制模型试验

通常，海底人工草的铺设需要设置锚固装置，模型试验中人工草通过模拟钢桩固定在海床面上，端部覆盖回填土，以确保人工草防护装置的稳定性。试验中，防护海底管道上1／3露出海床，沿管道方向的防护范围长约2 m，垂直管道方向两侧防护区宽各2倍管径（图6）。在试验布置完成后，进行了4 h的模拟冲刷试验。

图6 人工草防护冲刷抑制试验Fig.6 Scouring suppression test result of artificial grass protection

通过试验观察到，防护区范围内的海底管道冲刷得到明显的抑制，人工草范围内形成局部泥沙堆积，防护区边界处冲刷强度增大，最大冲刷深度约85 cm（原型推算值）。人工草防护区下游的地形无明显变化，海床冲刷得到有效抑制。人工草防护区内流速显著降低，仅为0.6 m／s，比海域控制流速减少50%；在防护区边界处，流速变化规律与无防护状态基本一致；在冲刷坑的边界处，底层流速显著增大，比控制流速增加15%～20%，形成局部冲刷。

3.3 混凝土软体排防护冲刷抑制模型试验

防护装置为丙纶绳连接的混凝土软体排结构，直接覆盖于海底管道正上方，两侧搭接于海床上。混凝土软体排的原型尺度为200 cm×300 cm×30 cm，模型尺度为37.3 cm×56 cm×5.6 cm，在流速1.2 m／s强流冲刷条件下，混凝土软体排没有发生失稳。在试验布置完成后，进行了4 h的模拟冲刷试验。

混凝土软体排防护区下部管道无冲刷加剧，防护区上、下游范围内形成一定的泥沙堆积，在防护区与无防护区的交界处冲刷强度增大，最大冲刷深度约82 cm（原型推算值），随着冲刷范围和深度的增大，在防护区边缘出现了软体排滑落现象（图7）。局部近底层流速变化与人工草防护区流速变化规律基本一致，近底层平均流速显著减小。

图7 混凝土软体排防护冲刷抑制试验Fig.7 Scouring suppression test result of concrete mattress

3.4 人工草压块联排结构防护

人工草压块联排结构是人工草方案与混凝土软体排方案的有效集成，该结构上部为人工草，中部为混凝土软体排，下侧布设土工织布，其规格及模型尺度与混凝土软体排防护方案一致。人工草压块联排结构布置于海底管道正上方，两侧搭接在海床上（图8）。在试验布置完成后，进行了4 h的模拟冲刷试验。

图8 人工草压块联排结构冲刷抑制试验Fig.8 Scouring suppression test result of concrete mattress with artificial grass

防护区对海底管道的冲刷保护作用良好，防护区形成泥沙堆积，且在管道下方也形成明显的泥沙落淤堆积，管道悬空跨距、跨高均显著减小。在防护区边界处，流速增大，形成局部冲刷，最大冲刷深度约75 cm（原型推算值）。防护区流速显著降低，近底层平均流速减小约55%～60%，减小幅度显著大于其他防护方案。

通过进行不同比尺、管径、海床流速、海床冲刷深度的模型试验，可重复得到以上试验现象及相近的试验结果。根据文献[13]，以上冲刷抑制试验结果具有普遍性及可重复性。按照5分制，对上述4种海底管道冲刷抑制模型的实验效果进行打分评估对比，结果如表9所示。可以看出人工草压块联排结构防护方案在促淤效果、在位稳性、缓流效果、工程造价、冲刷抑制效果等方面均优于其他3个防护方案。

表9 海底管道冲刷抑制模型试验效果对比Table9 Comparison of model test results for scouring suppression of subsea pipeline

4 人工草压块联排结构冲刷抑制效果现场工程验证

针对以上模型试验结果，结合工程需求，对A管道所在海域某海底管道，采用人工草压块联排结构防护方法，开展海底管道冲刷抑制效果的现场工程验证（图9）。该管道一段36 m长的管段中部存在10.8 m长的连续悬空，最大跨高约0.2 m（图10a）。在该段悬空管道正上方，采用人工草压块联排结构直接覆盖在悬空管段上的措施进行冲刷抑制防护，人工草压块联排结构规格为2.1 m×3.05 m×0.45 m，沿管道上方连续、紧密、横向铺排。管道正上方横向铺设5块联排结构、管道上游紧密铺排7块联排结构、管道下游紧密铺排4块联排结构，共使用人工草压块联排结构16块。

图9 某海底管道悬空抑制效果工程验证施工现场Fig.9 Engineering verification site of a submarine pipeline suspension suppression effect

图10 人工草压块联排结构防护方案用于某海底管道悬空抑制效果工程验证Fig.10 Verification for scouring suppression effect of a subsea pipeline by concrete mattress with artificial grass protection

安装4个月后，通过现场检测，悬空跨长由10.8 m缩短至8.3 m，最大跨高由0.2 m缩小为0.1 m（图10b），悬空得到了有效缓解，验证了人工草压块联排结构的海底管道冲刷抑制效果。