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《中国海洋大学》 2009年
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粘性海床管道冲刷、自埋和安全评估

徐继尚  
【摘要】: 使用双频侧扫声纳系统、浅地层剖面仪和相干声纳测深系统对东方1-1海底输气管道进行了综合调查,发现了百余个管下冲刷坑,这些冲坑已造成管道悬跨,严重威胁管道的安全。 通过对东方1-1海底管道的实测资料分析,结合物理模型试验和数值计算方法,研究粘性海床管道周围冲刷机理,预测正常天气条件下平衡冲刷深度;研究管道自埋机理,讨论管道周围海底冲刷与管道自埋的关系;探讨管道周围底形演变过程对管道受力的影响;估算管道允许最大悬跨长度,评估管道的安全性;提出管道维护措施。 依据实测管道周围海床的冲刷特征,将粘性海床管道周围冲刷分为管侧冲刷和管下冲刷两种,这两种冲刷现象分别是在常态水动力条件和台风条件下形成的。研究区潮流可导致管道两侧海底冲刷(管侧冲刷),最大冲刷深度与前人提出的砂质底床管道周围最大冲刷深度吻合。海底冲刷过程中泥沙运动形式主要为悬移质,而较粗的颗粒滞留海底,从而使管道周围底质不断粗化。管道下方存在许多大规模冲刷坑(管下冲刷),台风是管下冲坑的主要动力机制。 虽然管道两侧冲刷与管下冲刷的机理不同,但二者之间是有联系的。管下冲刷坑的发展过程可分为四个阶段:泥沙起动阶段、水流隧道发育阶段、快速掏空阶段和掏空平衡阶段。管道两侧冲刷是管下冲刷的第一个阶段,为管下冲刷创造了条件,但常态水动力作用下管道周围海底冲刷只能停留在该阶段,只有在台风作用下,且管侧冲刷的累积作用达到管涌所需要的条件之后才会出现管下冲刷现象。 DF1-1深水区(水深>37m)管道自埋机理主要有重力下沉和冲刷自埋两种,管道自埋深度为重力下沉深度和冲刷自埋深度之和,其中冲刷自埋深度与管侧冲刷深度具有相同的规律。常态水动力造成的管侧冲刷可导致管道自埋,从而可减小台风引起的管下冲坑长度和管道悬跨长度,可能对管道具有保护作用。 管侧冲刷既可导致管道自埋抑制管下冲刷,又可为管涌创造条件促进管下冲刷,具体哪种作用占主导取决于管道自埋速率、台风发生频率及台风强度。在DF1-1管道铺设完成之后的早期阶段管侧冲刷以导致管道自埋抑制管下冲刷为主,后期阶段管侧冲刷以促进管下冲刷为主。 物理模型试验结果表明,在不同水动力条件、底质条件和管道初始埋藏深度条件下,管道周围海床演变过程表现出不同规律,主要分为四种类型:(Ⅰ)无冲刷;(Ⅱ)无沙纹的冲刷;(Ⅲ)不受沙纹影响的冲刷;(Ⅳ)受沙纹影响的冲刷。若沙波规模相对管道暴露部分较小,管道周围水流足以破坏管道前方沙纹的结构,被破坏后的沙粒从管下通过,因此小沙纹或沙波的活动性对冲刷过程几乎无影响。如果沙波规模相对管道暴露部分较大,管道周围水流不能够破坏管道前方沙纹的结构,管道被活动沙纹周期性埋藏。 不同的海床演变过程对管道所受波浪力的影响不同。在相同水动力作用下,类型Ⅰ中管道在冲刷过程中受力比较稳定;类型Ⅱ与Ⅲ中管道在冲刷启动(管涌)阶段受力较大,然后逐渐减小,并很快达到稳定值;类型Ⅳ中管道受力状态受沙纹活动性的影响很大。 为减小管道所受波浪力,不同类型海床上的管道需要不同的埋设深度。粉砂底床上半埋管道比裸置管道受力小很多,但砂质底床上二者相差不大,而对于第四种冲刷类型来说,活动沙波对管道受力的影响很大,半埋管道所受波浪力甚至比裸置管道受力大(浮动性也大),故在砂质海床上铺设管道时应将管道埋至沙波活动层之下。 分别从静态情况下管道弯曲变形和避免涡激共振的角度估算管道的极限悬跨长度。计算结果表明,静态条件下管道极限悬跨长度为56m,跨长超过该值时管道将会弯曲变形。为避免涡激振动,使用最高安全系数计算出常态水动力条件下的管道极限悬跨长度为30m;百年重现期台风条件下极限悬跨长度为20m,为保障管道安全建议消除长度大于20m的悬跨。小间距连续悬跨对管道的安全威胁很大,共发现8处连续悬跨点。安全隐患最大的管段主要集中在KP42-KP51之间。建议在CEP-KP42之间尝试“人工草”防护方法预防小间距连续悬跨的出现;KP42-KP51之间应该重新挖沟,将管道埋设,消除悬跨。 本文研究成果的创新性主要体现在: 1)依据实测管道周围海床的冲刷特征结合物理模拟试验,研究粘性海床管道周围冲刷机理和冲刷过程。研究表明,粘性海床管道周围冲刷分为管侧冲刷和管下冲刷两种类型,常态水动力造成的管侧冲刷为台风造成的管下冲刷所需要的管涌创造了条件,而台风对管侧冲刷又起到加强作用。将两种冲刷现象及其动力机制区别而又联系起来,更符合实际现场情况。 2)研究常态水动力的双重作用,一方面可导致管道自埋阻碍管下冲刷,另一方面又可为管涌创造条件促进管下冲刷。管侧冲刷在DF1-1管道铺设完成之后的不同时期所起的作用不同:早期阶段管侧冲刷以导致管道自埋抑制管下冲刷为主,后期阶段管侧冲刷以促进管下冲刷为主。这对铺设于粘性海床上的管道维护具有重要参考价值。 3)将管道周围海床演变类型分为四种类型,研究不同海床演变类型在冲刷过程中对管道受力的影响。管道周围海床演变类型有:(Ⅰ)无冲刷;(Ⅱ)无沙波的冲刷;(Ⅲ)不受沙波影响的冲刷;(Ⅳ)受沙波影响的冲刷。类型Ⅰ中管道受力在冲刷过程中比较稳定;类型Ⅱ与Ⅲ中管道受力在冲刷启动阶段较大,在冲刷初始阶段逐渐减小,并很快达到稳定值;类型Ⅳ管道受力受沙波活动性的影响很大。不同类型的冲刷过程及其对管道受力的影响不同,这对制定不同条件下的海底管道的具体维护方案具有参考价值。 4)用不同方法计算管道在不同水动力条件下的极限悬跨长度,评估管道在不同重现期内的安全性,对海上油气资源丰富但经常遭受台风袭击的南海海域中的管道维护具有普遍意义。
【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:U171

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【参考文献】
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