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《中国海洋大学》 2012年
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波浪作用下的海底管线冲刷与防护技术研究

杨立鹏  
【摘要】:作为一种从近岸平台向陆地输送油气的主要载体,海底管线在海洋工程中得到了广泛的应用。然而,与其它海洋工程结构物一样,海底管线受到复杂的海洋环境的影响。对于铺设于沙质海床上的管线来说,床面的局部冲刷会导致管线的悬空继而引起涡激振动造成管线失事。因此,海底管线周围床面的局部冲刷及其防护方法引起了学者们及工程技术人员的广泛关注。 波浪引起的管线失稳被认为是海洋工程中管线应用的主要问题。当海底管线裸置于沙质海床上时,在近岸波浪的作用下,管线与床面接触的两侧会产生压力差,导致其下方海床内产生渗流,且渗流随着两侧压力差的增大而增加。管下的渗流会造成下游床面发生液化,泥沙开始起动,管涌现象发生,冲刷开始,继而管线底部被掏空,冲刷坑逐渐形成。 本文对管线冲刷的机理进行了分析,通过对管线尾流区床面可动层中的泥沙颗粒进行力学分析,推导出了波浪作用下,冲刷起动的临界压力差和临界波高公式。通过力学平衡原理,导出了清水冲刷条件下,冲刷达到稳定状态时,冲刷坑表面泥沙颗粒的冲止流速公式;采用流体的连续性条件,建立了管线安装刚性导流板后冲刷深度的计算公式。 在国内外学者对刚性spoiler及柔性材料防护方法研究的基础上,本文提出管线底部安装柔性导流板对海底管线进行防护。当柔性导流板较短时,其在波浪力的作用下来回摆动,对管线下方床面的泥沙起到了很好的扰动作用,加速泥沙输移和床面冲刷,促使管线自埋。当柔性板长度较大时,其对床面的覆盖区域增加,管下压力梯度减小且柔性板摆动幅度降低,床面冲刷减小,因而对管线下方床面具有一定的防护作用。 通过物理模型试验对不同波型、管径、导流板长度、管线固定方式条件下管线表面压强分布、冲刷深度、冲刷宽度的结果进行了测量和分析,得到了如下结论: 1.规则波作用下管线表面压强分布:管线两端固定时,刚性导流板的安装导致管线水平压差增大,管线沿水平轴线做前后振动。安装柔性导流板后,其存在使管线水平压力差减小,管线在水平轴心上的振动减小。两端自由滑动时,在冲刷坑形成后,管线表面的压强随着管线的下沉而逐渐减小,且管线在竖直方向上受到一个向下的压力促使管线沉入冲刷坑内。 2.冲刷深度的分析:两端固定时,冲刷深度均随Kc数的增大而增大,最终趋于稳定。刚性导流板作用下,冲刷深度随刚性导流板高度(S)的增加而增大;柔性导流板作用下,冲刷深度随导流板长度(L)增大呈现先增大后逐渐减小的趋势,在L=1.5D时达到最大。两端自由滑动,当管线顶部安装刚性导流板时,冲刷深度随导流板高度和Kc数的增加而增加。当安装柔性导流板时,冲刷深度随导流板长度的增加呈现先增加后减小的趋势,冲刷长度为临界值时(0.7D),冲刷深度达到最大值(0.5D),其明显大于刚性导流板时的冲刷深度。随着柔性导流板长度的增加,冲刷深度逐渐减小,当L=2.0D时,冲刷深度略小于管线无导流板的情况。非规则波作用下,管线的冲刷深度明显小于规则波的情况。 3.冲刷宽度:两端固定时,冲刷宽度随刚性导流板高度S的增加而增大,安装柔性导流板时,宽度随导流板长度L增大出现波动变化,在L=1.5D时最小,在L=2.0D时最大。宽度随Kc数的增大而增大,最终趋于稳定。两端滑动时,与两端固定的情况类似,但随管线的下沉其冲刷宽度小于两端固定的工况。非规则波作用下的情况与规则波类似,但其冲刷深度大于规则波。 在理论和试验研究的基础上,本文采用CFD中的有限差分法和VOF技术,对波浪作用下沙质海床条件下海底管线周围的流场、紊动能、压强特性进行了数值模拟和分析,对物理模型试验的结果进行了验证,得到了较好的模拟效果。
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