基于实测资料的杭州湾海底管道裸露悬空历年变化趋势及风险区分析

沙红良，赵春霞，李树明，朱堂勇，宋世柱

（长江水利委员会水文局 长江下游水文水资源勘测局，江苏 南京 210011）

随着对海洋能源的不断开发和利用，海底油气管道凭着较好的生产运输效益，在石油、天然气等重要资源的运输中起到越来越重要的作用。20世纪50年代美国墨西哥湾铺设了世界上第一条海底管道，从此海底管道工程得到迅速发展。1985 年渤海埕北油田铺设了中国第一条海底输油管道，至今，中国累积铺设的海底管道长度已达数千公里［1-2］。海底管道铺设之后，随着服役时间的增加，其安全问题也随之产生：一方面管道变形、腐蚀、疲劳等使得自身结构性能衰退［3-4］；另一方面海床常年遭受波浪、海流冲刷使得管道裸露甚至悬空，易产生疲劳振动，严重威胁管道运行安全［5-6］。国内外学者在海底管道安全运营方面做了大量工作：Mao［7］、Jensen等［8］、Smith和Foster［9］通过试验研究了管道和冲刷面之间的相互作用及冲刷过程的5个特征阶段；曲孟祥等［10］、陈兵和张桦［11］、吴钰骅等［12］、文君峰等［13］在海底管道附近冲刷地形数值分析及数值模拟方面做了相关研究，利用数学模型方法计算分析管道周围水动力特征；张宗峰等［14］、汪求顺等［15］、杨立鹏等［16］在海底管线冲刷防护方面做了相关试验研究。近海（浅水）的海床面，波浪和水流的作用会使管道附近的泥沙出现不同程度的冲刷，导致管道出现悬空，随着冲刷的加剧，悬空长度逐渐增加，当超过管道极限悬空长度时，管道的安全性会受到影响［17］。管道铺设之后，服役时间越长所面临的风险也会越大，需要定期对管道进行检测［18-19］。通过声学探测方法可以获取管道掩埋、裸露、悬空等在位状态以及管道所处的海床环境，及时掌握管道的海底在位状态，能够对悬空管道进行重点关注。目前，国内外已有许多学者对海底管道声学检测方法［20-26］及管道悬空裸露成因［27-28］进行了研究。其中：Tian［20］、熊春宝等［21］、陶常飞等［25］针对声学探测技术（多波束系统、侧扫声呐系统、浅地层剖面仪等）在管道检测方面的应用及改进方法上进行了研究；Guo等［27］、Sumer等［28］在管道冲刷成因方面做了相关研究。海底管道检测技术的不断探索和完善，为精准获取海底管道在位状态提供了技术和方法支持。姜小俊等［29］、王恒波等［30］以杭州湾海域为例探讨了强潮环境下管道状态检测方法及海床冲刷对管线安全性的影响。掌握强潮环境下管道在位状态变化趋势尤为重要，尤其是长距离海底输油管道悬空频现的风险区域变化趋势。

以东海杭州湾海域内长距离输油管道为例，利用2008—2021年路由检测成果，统计历年管道悬空、裸露状态游移变化，分析管道状态变化规律，重点分析管道风险区的变化趋势及特征。杭州湾海底管道是中国第一条在强潮流地区铺设的大口径海底管道，基于多年实测数据分析其管道状态的变化趋势和风险区特征，能够为海底管道安全运行管理及悬空段治理决策提供数据支撑。

1 研究区域

2002 年9 月开始建设连接宁波—上海—南京炼化企业的进口原油管道，其中杭州湾穿越工程是整个管道建设的关键控制点和难点。杭州湾穿越工程中穿越海底输油管道共3条，管道平行铺设，全长约53.5 km，管道从北岸至南岸里程逐渐增加。西侧管道管径为273 mm（Φ273），中间管道管径为762 mm（Φ762），东侧管道管径为711 mm（Φ711），管道之间平均间隔约50 m。南岸浅滩区KP48.5 附近间隔距离缩小至30 m，KP48.5 以南区域至登陆处距离逐渐缩小至3 m。管道铺设工程于2003 年10 月开始施工，2005 年10 月整体投入运行。地理位置见图1。杭州湾海底管道北岸位于上海市与浙江省交界处金丝娘桥（白沙湾），南岸位于浙江省慈溪市半掘浦十一塘闸，杭州湾喇叭口中部水域为王盘洋，水面宽约50 km。整个横断面的深槽紧靠北岸，最深处海底高程为-18 m 左右；中间水域较为平坦，一般在-11.0～-9.0 m 之间；近南岸水下比较平缓，主要为泥质滩涂，长度约8 km。

图1 海底管道位置示意Fig.1 The schematic diagram of submarine pipeline location

3条管道状态整体分布情况类似，以其中一条管道（Φ762管道）为例说明杭州湾海底管道整体裸露悬空变化趋势及风险区变化趋势。管道在杭州湾北岸深槽（输油管道设计里程编号KP0+548 到KP2+242）段采用定向钻施工方法埋设在海床下；其余段采用了国际先进的扰流板（spoiler）自埋鳍技术，即在管顶安装扰流板，利用海流的作用使管道自然下沉，从而达到回填的目的。

2 数据获取

杭州湾海底管道自2005年铺设，至2021年已运行16年。自管道运行以来，连续多年利用声学探测方法对其进行检测，根据检测范围分为全线检测（KP2～KP49路由段）和加密检测（北岸KP2～KP4路由段和南岸KP39～KP49路由段）。每年进行1次全线检测和2次加密检测。

综合采用多波束测深系统、侧扫声呐系统和浅地层剖面仪等多种仪器设备，着重检测海底管道附近的海床面状况，管道的平面位置、掩埋深度、悬空高度、悬空长度等。检测布置如图2所示。多波束测深系统的用途是测量海底管道附近的地形地貌，地形测量范围基本为管道上下游50 m，多波束主测线平行于管道路由方向，辅助测线及检查线垂直于主测线方向均匀布设。浅地层剖面仪的用途是确定管道的平面位置和埋设深度，浅地层剖面仪测线垂直于管道路由方向，按50 m的间隔均匀布设，每条测线的长度分别向上下游外推80 m，在管道疑似悬空段适当加密测线。侧扫声呐系统的用途主要是获取管道掩埋、裸露、悬空的总体分布信息，并与浅地层剖面仪及多波束测深系统获得的管道掩埋、裸露、悬空状态进行检校，确定整个海底管道掩埋、裸露段的起点和终点，裸露段的冲刷状态，悬空段的悬空跨度、悬空高度、冲刷状态等。侧扫声呐系统测线以管道路由为基准，每根管道各向上下游按20 m 间隔布设主测线，共布设4 条主测线进行侧扫声呐检测，并根据现场情况适当加密测线。

图2 声学探测测线布置示意Fig.2 The schematic diagram of the acoustic detection line layout

检测过程中多种检测设备互相检校，互相验证。检测时重点关注悬空段及裸露段，侧扫、浅剖或多波束任一检测手段发现疑似悬空段、裸露段时，其他仪器均展开交叉检测，对已获得的数据与资料及时进行整理分析，做到检测与分析同步；对仪器交叉检测确定的悬空段安排潜水员下水摸探，测量人员在船上及时记录摸探结果，潜水员上岸后对结果进行核对，然后将摸探结果与仪器测定的结果进行比对，从而确定管道悬空段的高度及长度。

3 研究结果

采用由宏观到微观，由整体趋势分析到局部风险区分析的方法，重点针对南岸滩涂区管道裸露和悬空频现区域进行分析。宏观上以图表的形式表述从2005—2021年历次检测中管道掩埋、裸露及悬空段的沿程分布情况，分析管道的整体趋势变化，同时分析管道历年连续掩埋段分布及埋深情况。微观上详细分析掩埋、裸露及悬空管道的变化趋势，统计历年检测管道悬空、裸露占比变化情况；重点分析杭州湾南岸区域管道掩埋、裸露、悬空之间的游移变化情况，同时分析管道附近海床的冲淤变化。

3.1 整体趋势分析

历次检测的管道沿程状态分布如图3所示。以一条管道为例进行说明。

图3 历年检测管道状态沿程分布示意Fig.3 The sketch of distribution of pipeline status tested over the years

杭州湾海域水流呈明显的往复流，管道从北岸穿越至南岸，KP2～KP39 段管道与水流方向夹角大于50°，KP39～KP47段管道与水流方向小于15°，管道所在水域水流流向与管道轴线夹角越大，spoiler自埋效果越明显［31］。如图3所示：随着时间的增加，spoiler自埋设计发挥作用，中间段管道完全掩埋；北岸深槽管道大部分掩埋，但是受海床冲刷影响，管道存在局部裸露和悬空，2019年对杭州湾北岸悬空段进行抛石施工整治后，管道不再悬空，2020年北岸深槽海床整体淤积，淤积厚度约2 m，管道完全掩埋；而在南岸浅滩区，管道与水流方向夹角较小，spoiler自埋鳍技术无法充分发挥作用，管道长期处于裸露状态，受水流冲刷影响，该段管道悬空频现，2020 年对南岸部分悬空段进行抛沙袋垫护施工之后，施工段管道状态好转，2 年内检测管道基本处于掩埋状态，但由于杭州湾南岸浅滩区管道埋深较浅，受局部海床冲刷影响，未施工段管道裸露及悬空现象依然存在。

3.2 掩埋段变化分析

由图3可知，处于掩埋状态的管道相对稳定，尤其是连续掩埋段。在2005年运行之初，管道掩埋长度所占比例不足50%，而随着运行时间增加，spoiler自埋鳍技术发挥作用，掩埋长度逐渐增加，连续掩埋长度及位置逐渐稳定。

最大连续掩埋段长度是管道稳定运行的安全要素之一，由图3 可知：管道自运行以来，历次全线检测的最大连续掩埋长度呈增长趋势，2008—2009年管道最大连续掩埋长度较短，且位置分布不集中；从2011年开始，管道掩埋长度增加，杭州湾中间段管道均处于掩埋状态，至2021年管道最大连续掩埋段长达43.245 km，占海底管道全长（53.500 km）的81%。

为了直观展示管道埋深分布情况，将管道埋深进行分层设色标注在柱状图中，图4 为管道2018—2021年4次全线检测管道埋深分布柱状图。由图4可知：管道埋深较浅区域主要出现在杭州湾南北两端，中间区域埋深较大；管道在KP4～KP40路由段掩埋深度超过2 m，且管道掩埋较深的区域主要分布在KP27～KP29、KP35～KP40路由段。

图4 管道埋深分布柱状图Fig.4 Distribution histogram of buried depth of pineline

由图4 还可知：由于2021 年杭州湾北岸深槽区域海床淤积，北岸KP2.5～KP3.5 路由段2 根管道的埋深增加，2021年全线检测该段平均掩埋深度已在2 m以上；杭州湾南岸区域KP40往岸边方向，管道埋深逐渐减小，局部管道埋深较大；KP42～KP49路由段，管道历次检测均存在裸露及悬空段，且掩埋段管道掩埋深度较浅，掩埋段管道大部分掩埋深度不足1 m。

3.3 裸露悬空段变化分析

通过前文分析可知：2018—2021 年管道悬空及超限悬空段数和长度均有所增加，且重点出现在南岸近岸滩涂区域，南岸滩涂区管道平均埋深不足1 m，海床在顺着管道方向上的不均匀冲刷，导致管道在管道沟内局部裸露甚至悬空，管道悬空频现的风险区域主要是在南岸近岸登陆段。下文将首先分析2018—2021年近南岸区域管道裸露和悬空变化情况以及悬空段分布区域变化情况，然后分析杭州湾近南岸风险区域悬空段的特点，为管道安全防护和后续长效治理提供参考。

3.3.1 管道悬空分布

2018—2021 年期间，对管道进行了11 次检测。11 次检测成果分析中根据悬空特征确定的风险区均位于管道KP42～KP49路由段，该段管道裸露及悬空统计情况见表1。

表1 2018—2021年近南岸KP42～KP49段管道状态统计Tab.1 Pipeline status of KP42～KP49 section near the south bank (2018—2021）

2018年6月至2019年12月的5次检测数据显示：管道非掩埋区域主要出现在KP43.3～KP49之间，悬空区域主要出现在拐弯段至登陆段的KP46.4～KP48.3区间，且存在超限悬空段，管道在KP48附近持续出现悬空。固定位置的持续悬空存在断裂、海水腐蚀等风险，对管道安全运行非常不利，因此2019 年底至2020 年初，针对超限悬空段及悬空段集中分布的管道路由段，进行抛沙袋垫护治理，根据管道附近海床地形及冲刷沟的大小确定沙袋数量，将这些沙袋递送到管道悬空位置，由潜水员下水将沙袋铺垫到管道下方，以支撑管道。2020年6月检测时，已施工的悬空段转为裸露或掩埋状态。

2020 年8 月至2021 年11 月的5 次检测数据显示，管道非掩埋区域主要出现在KP45～KP47 和KP48.2～KP49两段。其中，裸露区域主要出现在KP45～KP47段，悬空区域具体分布在登陆段KP48.2～KP48.7区间。

2021 年对南岸登陆段超限悬空段进行了沙袋局部垫护施工。2021 年11 月管道虽未发现超限悬空段，但悬空总长度依然较长，管道总悬空长度121 m（13 段）。图5 中标注出了管道裸露及悬空段空间分布的地理位置，杭州湾南岸管道裸露和悬空段主要分布在KP45～KP47区间段和南岸登陆段（KP47.9～KP49）。

图5 2021年11月检测管道裸露及悬空段空间分布Fig.5 The spatial distribution of exposed and suspended sections of inspected pipeline in November 2021

3.3.2 风险区特征

杭州湾南岸近岸掩埋段管道埋深整体较浅，易受海床冲刷影响，管道在管道冲刷沟内易发生裸露甚至悬空。南岸滩涂区悬空段特点：悬空段呈区域性集中分布，悬空段之间的间距较小，管道均在沟内悬空，连续悬空段附近存在冲刷坑，悬空裸露区域内的掩埋段管道埋深较浅。

掌握管道悬空、裸露频现的风险区管道埋深情况可以为后续悬空管道防护措施的实施提供数据支撑。根据管道埋深分布情况，绘制了杭州湾南岸滩涂区KP39～KP49 路由段纵剖面图及不同埋深层的柱状分布图，见图6和图7。

图6 杭州湾近南岸段管道埋深纵剖面Fig.6 The longitudinal profile of buried depth of pipeline in Hangzhou Bay near the south bank

图7 杭州湾近南岸段管道埋深分布柱状图Fig.7 The distribution histogram of buried depth of pipelines in Hangzhou Bay near the south bank

纵剖面图6 中绘制了近3 年检测的管道埋深情况，同时绘制了裸露及悬空的界线（裸露：埋深小于0 m；悬空：裸露高度超过管道外直径0.96 m。）。柱状图7 中绘制了近4 年全线检测及2021 年6 月、2021 年8 月加密检测的管道埋深分布情况。掩埋段管道埋深分布情况为：在KP42～KP49 路由段，管道埋深大部分在1 m以内；原管道裸露段转变为掩埋状态之后，管道埋深均在0.5 m 以内，尤其在KP45～KP46.5 及KP48～KP49路由段；靠近管道悬空及裸露段的掩埋段埋深均小于0.5 m，且局部管道处于平露状态（掩埋深度为0 m）。

2020 年8 月在风险区内出现一冲刷坑，其演变情况见图8 和图9，图8 中标出了悬空段的长度。冲刷坑位于Φ762 管道和Φ711 管道之间（KP48.395 附近下游区域），2020 年6 月加密检测时未见冲刷坑，管道呈现裸露状态；2020年8月全线检测时已出现冲刷坑，经一年时间的冲刷发展，2021年8月加密检测，冲刷坑上边缘已在管道上游约3 m 位置，Φ762 悬空段悬空长度增加至23 m，冲刷坑下边缘已到Φ711 管道附近，并引起Φ711 管道的局部冲刷；2021 年11 月全线检测，冲刷坑面积依然较大，坑深较深，直接影响该冲刷坑处Φ762管道及下游Φ711管道的安全运行，需密切关注。

图8 滩涂区管道悬空段海底地形渲染图Fig.8 Rendering of submarine terrain: pipeline suspended section in beach area

图9 两条管道之间的冲刷坑演变Fig.9 Scour pit evolution between two pipelines

分析2020 年8 月到2021 年11 月的检测数据，Φ762 管道近南岸区域虽然管道附近海床整体有冲有淤，但顺着管道方向的管道沟局部存在冲刷，如图9 所示，受海流的影响，顺着Φ762 管道的管道沟逐渐冲刷成型，导致管道在管道沟内呈悬空状态，且悬空段数和总悬空长度有所增加（见表1）。

3.3.3 风险区域管道附近海床冲淤变化

管道附近海底地形的变化直接影响管道的埋深状态，进而影响管道的安全运行。表2统计了2015年10月至2021年11月杭州湾南岸KP39～KP49路由段管道附近（管道上下游50 m 范围）16次检测的地形冲淤变化情况，每个测次均与前一个测次的地形做冲淤计算。

表2 2015—2021年杭州湾近南岸管道附近海床冲淤变化统计Tab.2 Seabed erosion and deposition changes near the south bank pipeline of Hangzhou Bay (2015 —2021）

从历次检测的地形冲淤变化可以看出，杭州湾南岸海底管道附近地形在冬、春季淤积概率较大，夏、秋季冲刷概率较大。随着管道运行时间延长，在spoiler 自埋鳍技术的作用下，绝大部分管道段处于掩埋稳定状态，管道出露总长度有所减少；由于杭州湾海域流速大，管道沟内存在不均匀冲刷，导致管道在管道沟内局部裸露甚至悬空（图8、图9中的管道沟）。

南岸滩涂区顺岸段管道spoiler 自埋鳍技术无法充分发挥作用，管道掩埋速度较慢，管道长期处于裸露状态，而海床的冲淤直接影响管道的在位状态。下面分析2015年和2021年杭州湾南岸管道附近地形的冲淤变化对管道状态的影响。图10 为杭州湾南岸管道附近海床冲淤分布特征。整体上来说，杭州湾南岸海床冲淤分布不均，整体呈淤积状态，平均淤积0.6 m。根据地形冲淤变化情况，杭州湾南岸具体分成3 段，分别为顺直段（KP39.7～KP47）、拐弯段（KP47～KP47.9）、登陆段（KP47.9～KP49）。

图10 杭州湾南岸管道附近海床冲淤分布Fig.10 Seabed erosion and deposition near the pipeline on the south bank of Hangzhou Bay

杭州湾南岸顺直段（KP39.7～KP47）管道整体走向与岸线及潮流方向平行，spoiler 自埋鳍技术无法充分发挥作用，管道长期处于裸露状态［31］，2015—2021年该段海床整体淤积，平均淤积0.8 m，管道掩埋长度增加，裸露段逐渐缩进至KP45～KP47段。

杭州湾南岸拐弯段（KP47～KP47.9）管道整体走向与岸线及潮流方向呈一定夹角［31］。该段海床整体呈冲淤相间状态，最大淤积1.1 m，最大冲刷0.8 m，整体冲淤平衡。针对存在连续悬空段的管道沟进行抛沙袋垫护施工后，管道附近冲刷坑填埋，管道状态好转，掩埋率增加。

杭州湾南岸登陆段（KP47.9～KP49）管道整体走向基本与岸线及潮流方向垂直［31］。该段管道海床整体呈冲刷状态，最大冲刷2.2 m，平均冲刷0.5 m。杭州湾南岸近岸登陆段的管道悬空现象与该处海底地形的不均匀冲刷直接相关。

根据收集到的地质资料及北岸深槽区、南岸滩涂底质柱状样分析结果：管道路由区域中间段海床表层为砂质粉土和淤泥质粉砂，为低凝聚松散堆积物；两端为流塑性低液限黏土，固结度低、含水率高、抗冲性较差。另外，潜水员多次摸探结果显示，管道悬空类型基本都属于沟内悬空，大部分悬空管道被硬实土墩搁置在冲刷沟内，呈现连续间隔悬空状态。杭州湾南岸登陆段附近海底底质以泥质居多，特别是硬度不均匀的泥质分布，易在管道附近产生不均匀冲刷，加上南岸登陆段管道平均埋深在0.5 m 以内，且局部管道处于平露状态（掩埋深度为0 m），管道极易出现裸露和悬空。

4 结 语

自2005年管道铺设以来，在管道与水流方向夹角较大的路由段，spoiler自埋鳍技术能够充分发挥作用，KP4～KP39 路由段管道全部掩埋，处于长期稳定状态。北岸深槽管道大部分处于掩埋状态，但受海床冲刷影响，局部管道有悬空裸露现象，对其进行抛石垫护施工后管道掩埋，2020年海床淤积管道完全掩埋且埋深增加。而南岸滩涂区顺岸段管道spoiler 自埋鳍技术无法充分发挥作用，管道长期处于裸露状态，2015 年至2021 年顺直段（KP39.7～KP47）管道附近海床整体淤积，管道掩埋率增加，裸露段主要集中在KP45～KP47区间段；拐弯段（KP47～KP47.9）管道原长期存在裸露及连续悬空段，经过抛沙袋垫护施工后管道附近冲刷坑填埋，管道掩埋率增加，埋深在1 m 以内；登陆段（KP47.9～KP49）海床整体冲刷，管道沟内局部冲刷，长期处于裸露状态的管道局部转为悬空，处于掩埋状态的管道掩埋深度不足0.5 m。

近南岸区域海床冲淤频繁，局部掩埋段管道埋深较浅，悬空裸露管道多位于管道沟内，且呈现集中分布特点，因此建议保持南岸区域管道检测频率，沙袋垫护治理的悬空段两年来管道状态稳定，未出现悬空。因此，针对沟内悬空且呈区域性集中分布的悬空段，可采取沙袋垫护作为管道短期治理方式。