复杂地质条件下的海底管道失效机理及防护措施研究

马坤明，胡春红，张英，王昌

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

近年来，随着我国海洋油气开发进军南海和海外，逐步走向深水水域，海底管路路由面临着越来越复杂的海床地质条件。以南海某气田海底管道项目为例（见图1），其海底管道路由存在海床极度崎岖不平和地质状况复杂多变等困难，给海底管道的设计和铺设等带来极大挑战。因此，开展复杂地质条件下的海底管道失效机理和工程防护措施研究显得尤为重要，在保证海底管道安全性，优化路由，降低成本等方面具有重要意义。

图1 南海某气田海底管道项目海底管道路由三维地形图

1 海底管道在冲刷等条件下的悬跨破坏机理及防护措施研究

由于海床冲刷、淘蚀作用以及海床表面凹凸不平的复杂地貌的存在，当海底管道铺设到海床表面时，经常会不可避免地形成不同长度的自由悬跨情况，悬跨的形成对管道有两种不利影响[1,2]：

（1）由于管道自重及波浪、流此类环境荷载等因素会使悬跨段管道产生过大的弯矩，可能直接造成管道被破坏。

（2）当海水流经悬跨管道时，在一定流速条件下，悬跨管道两侧会出现漩涡，并以一定的频率交替泄放，从而在结构表面形成周期荷载，使得悬跨管道在顺流方向及横流方向上发生振动，即涡激振动，很可能对海底管道造成疲劳损伤乃至破坏。

结合以上两方面原因，可以分析得出管道的临界悬跨长度。海底管道临界悬跨主要由静态悬跨和涡流激振悬跨决定。根据规范DNV-OS-F101[4]荷载组合效应公式，当UC=1（临界状态）时，即可分析得出管道所允许的临界静态悬跨。海底管道涡激振动悬跨分析一般采用DNVGL-RP-F105规范[5]中的分析方法，该规范规定了顺流向和横流向涡激振动以及直接波浪作用下自由悬跨管道极端极限状态和疲劳极限状态设计准则。

对于在建、拟建或已建成的海底管道，其主要做法是根据路由勘查结果，尽量使管道路由避开易于发生管道悬跨的区域。如果管道路由无法避免悬跨，那么可以采用海床预处理和海床后处理措施来减缓悬跨，从而抑制海底管道产生涡激振动现象。

海床预处理方法有：疏浚挖掘法；加设倒流板法。

海床后处理方法有：沙袋回填法；抛石回填法；压块覆盖保护法；钢桩稳定法；挖沟深埋法；“仿生草+混凝土软体排”防护法。

对于沙袋回填法，建议沙袋填充保护截面结构形式为正梯形。沙袋应尽量小一些，不能用太大的沙袋，使用小尺寸的沙袋能够使沙袋间的间隙变小，进而减少涡流，有利于保持沙袋的稳定性；建议人工（潜水员）摆放进行精细施工，沙袋摆放位置准确、整齐，尽量做平整，不干扰水流；管道两侧的沙袋保护范围尽量宽一些。关于沙子的种类建议以海沙为主，也可选择河沙或人工沙。沙子的粒径以0.35-0.5mm的中沙为主。若海沙中含有害物质，则有害物质含量应满足GB 14684-2011《建设用砂》的要求。关于沙袋的包装袋材料可选取环保编织袋。编织袋需要具备一定的耐海水腐蚀能力。

对于“仿生草+混凝土软体排”防护法，可以有效地滞缓海流流速，抑制海流对海床的冲蚀，可固土固砂，具有较好的海底管道悬跨防治效果。仿生草坪，主要有以下三种：高草密集度为308颗/片；尤加利草密度为247颗/片；尤加利草均为308颗/片。根据相关试验结果，人工草坪的高度越高，密集度越大，则固沙促淤效果越好，建议选择高密度的尤加利草作为工程使用的草坪。

2 海底管道在复杂海床地形条件下的屈曲破坏机理及防护措施研究

海底管道总体屈曲，是指海底管道从总体上发生了欧拉（Euler）屈曲或者压杆屈曲。根据屈曲发生发展的方向，总体屈曲一般可分为两种：侧向屈曲和隆起屈曲。侧向屈曲是一种发生在水平面内的管道总体变形行为（见图2）；隆起屈曲，是一种发生在竖直内的管道总体变形行为（见图3）。

图2 侧向屈曲示意图

图3 隆起屈曲示意图

总体屈曲变形可对海底管道的完整性造成严重后果。侧向屈曲，其对海底管道可能造成的危害包括局部屈曲、疲劳破坏和棘轮效应等[3]。而当隆起屈曲发生时，原本被埋设的海底管道将裸露于海床之上，一方面，裸露的海底管道增加了其被破坏的风险，如位于航道或渔业活动频繁的区域；另一方面，隆起屈曲变形本身也可能直接危害到海底管道的完整性。

海底管道侧向屈曲和隆起屈曲分析步骤、分析方法和分析手段见表1。

表1 海底管道屈曲分析步骤、分析方法、分析手段总结表

当侧向屈曲变形不可接受时，需要采取相关措施抑制或控制侧向屈曲。目前，抑制和控制侧向屈曲发生和发展的常见措施主要包括以下两类：

第一类：抑制侧向屈曲发生

常见措施有：挖沟；埋设；抛石；增加管线配重；利用海底管道残余铺设张力。

第二类：控制侧向屈曲发展

常见措施有：设置侧向屈曲触发装置，如Sleeper等；减小管线配重；设置浮力块。

当分析表明隆起屈曲可能发生时，需要采取相关措施抑制隆起屈曲的发生。抑制隆起屈曲发生的常见措施主要有：

抛石，最有效的方式是只在海底管道路由上存在隆起的位置抛石；增加埋设深度；利用海底管道残余铺设张力。

3 海底管道在海床断层作用下的破坏机理和防护措施研究

在海洋地震多发区域，海底通常存在一处或多处断层。这些断层往往规模不等，小的不足一米，大的数千米，但都破坏了海床的连续性和完整性。当海底管道不可避免地需要跨越断层时，给海底管道的设计、安装、运营和维护等方面带来了严峻挑战。

断层是因为地壳运动中产生的强大压力或张力超过了岩层本身的强度后对岩层产生破坏作用而形成的。通常，将岩层断裂错开的面称为断层面，将断层面两侧的岩块称为断盘，其中位于断层面之上的称为上盘，位于断层面之下的称为下盘。断层面与地表的交线成为断层线。断层的构成如图4所示。

图4 断层的构成

一般依据位移性质可将断层分为正断层、逆断层和平移断层三类[4]。断层在很多情况下呈现出上述某两种运动的组合形式，如平移断层和正断层的组合运动形式。

对处于地震多发区域的海洋油气田而言，由于海底通常存在一处或多处断层，特别当断层分布规模较大时，企图使海底管道路由完全避开这些断层几乎是不可能的。因此，在认识断层危害的基础上，允许海底管道跨越断层并通过设计分析以确保海底管道完整性显然是一种更为可行的解决方法。一般认为，断层对海底管道的主要危害包括：

（1）致使海底管道悬跨过大，超出允许范围。一方面，断层处海床极度不平，海底管道跨越断层时可能出现过大悬跨（参见图5）；另一方面，断层运动会引起悬跨变化，导致原本满足要求的悬跨超出允许范围。

图5 海底管道跨越断层示意图

（2）海底管道强度和疲劳破坏。地震发生时，断层处的海底管道可能在地震波、环境条件和土壤液化等因素的综合作用下发生强度或疲劳方面的破坏。

（3）诱发海底管道整体屈曲。由于断层的运动会引起海底管道轴向力和局部形态发生变化，因此可能诱发海底管道发生整体屈曲。

当断层对海底管道的危害超出规范要求时，需要采取有效措施来降低危害以确保海底管道的完整性。常见的主要措施包括海床处理和设置支墩，其中支墩的设计需要特别注意其在环境条件、断层运动和地震作用下的倾覆稳定性。

4 结论

本文通过对海底管道在不平坦海床、海床冲刷、海床断层等复杂地质条件下的海底管道失效机理和防护措施进行研究，得到如下结论：

（1）提出了应对悬跨破坏的海床预处理和后处理措施，尤其针对“沙袋回填法”给出了推荐截面形式为正梯形，并对沙袋摆放、沙的种类以及沙袋包装等方面提出建议。针对“仿生草+混凝土软体排”防护法，提出对仿生草的选择建议。

（2）总结出了屈曲分析的分析步骤、分析方法、分析手段，并提出了应对总体屈曲破坏的防护措施。针对侧向屈曲提出抑制侧向屈曲发生和控制侧向屈曲发展的措施，尤其可通过设置侧向屈曲触发装置，如Sleeper等来控制屈曲发展，以节省工程成本；针对隆起屈曲，提出抑制隆起屈曲采用抛石、挖沟深埋等措施。

（3）提出了应对由于海床断层导致海管破坏的防护措施。主要包括海床处理和设置支墩，其中支墩的设计需要特别注意其在环境条件、断层运动和地震作用下的倾覆稳定性。