埕岛油田海底管道冲刷悬空机理及对策
埕岛油田海管立管悬空治理的常用方法
埕岛油田海管立管悬空治理的常用方法埕岛油田海管立管悬空治理的常用方法摘要：根据目前埕岛油田海管出现悬空的实际情况，对海管立管悬空形成机理进行了分析，重点介绍了水下支撑桩、仿生水草和铺设土工布加抛填砂袋三种治理方案原理进行了分析，并对海管立管悬空治理的不同方案应用进行了综合评价。
关键词：立管悬空治理水下支撑桩仿生水草土工布一、海底管线悬空原因1.建筑物（平台）存在形成的局部冲刷这种冲刷形成的原因是由于建筑物（平台）的存在而在局部范围内发生强化的水流或高速旋转的旋涡，这些水流或旋涡具有较高的冲刷（挟带泥沙）能力，从而在局部范围内形成冲刷坑。
冲刷坑范围与深度往往与建筑物尺度有直接关系。
2.海床侵蚀引起的大面积冲刷由于埕岛油田特殊的海洋及海底地质条件，本海区处于不稳定的冲淤状态，根据相关资料，海床调整的冲淤平衡点大致在12m到15m 水深处，在平衡点以上为侵蚀区，在平衡点以下为淤积区，这种剖面调整状态目前尚未有转缓的迹象。
对于10m水深处，在海管设计寿命15年内，海床整体冲刷深度可达0.7m。
3.海底不稳定性引起的冲刷海底表层土壤在大浪作用下发生滑移坍塌，当表层土为粉砂时，在暴风浪作用下，土壤发生液化而使土壤抗剪强度降低，从而可能造成海床一定范围内的下降。
4.其它因素如立管支撑结构的周期性振动，施工时由于受到设备、平台位置等的限制，管道在平台附近的埋深于小设计所要求的埋深等因素也是引起立管悬空的一个因素。
二、水下支撑桩施工方案为了防止立管悬空段在水流作用下产生的涡激振动，引起管线断裂，在悬空段设置支承支架，以减小横向和纵向振动幅度。
根据缩短立管悬空长度的思路，该方案采用沿悬空立管设水下短桩支撑的方法。
钢管桩沿悬空管道两侧交替设置，间距根据应根据立管的疲劳分析、极端静态及动态荷载分析结果确定。
在每一钢管桩靠近立管附近位置，设有H型钢悬臂梁，悬臂梁上设有2套①30高强U型螺栓将悬空的立管固定，从而实现减小立管悬空长度的目的。
海底输油管线埕岛油田悬空治理技术措施
海底输油管线埕岛油田悬空治理技术措施集团企业公司编码：（LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289-海底输油管线（埕岛油田）悬空治理技术措施引言（1）根据目前埕岛油田海底管线出现悬空的实际情况，对海管悬空形成机理进行了分析，并对海管悬空治理的不同方案进行了综合评价，重点介绍了水下桩治理方案的制定和实施。
埕岛油田位于渤海湾南部的浅海海域，区域构造位置位于埕宁隆起埕北凸起的东南端，是一个在潜山背景上发育起来的大型浅山披覆构造。
该区从1875年开始勘探，在先期资源评价、盆地分析模拟、区带综合评价的基础上，于1988年钻探了第1口控井——埕北12井，从而发现了埕岛油田。
截止目前，埕岛油田已建成海底输油管线54条，注水管线33条。
海管悬空情况调查（2）目前，通过对61条海底管线的调查发现其中仅有5条管线未被冲刷悬空，仅占8％，管道悬空高度平均值为1.33m，最大值为2.5m。
大于等于2m的有16根，占26％，大于等于1m的有48根，占79％，可见冲刷的普遍。
从悬空长度来统计，平均悬空长度为15.1m，最大30m。
大于等于20m的为22根，占36％；大于等于10m的有43根，占70％。
如果按管道初始设计埋深为1.5考虑，则遭到最大冲深的管道从原海床面计算总计冲刷深度S＝e+D+h＝4.5m（其中e为埋深；D为管道直径，近似取0.5m；h为冲刷后管道悬空高度）。
这样的冲刷深度对海底管道来说是少见的。
除了管道处发生强烈冲刷以外，在采油平台井场范围内也出现较严重的冲刷。
海管悬空原因及模型试验（3）1海底管线悬空原因造成场区内平台及管道周围强烈冲刷的原因十分复杂，大致为以下几方面：1.1建筑物存在形成的部冲刷这种冲刷形成的原因是由于建筑物的存在而在局部范围内发生强化的水流或高速旋转的旋涡，这些水流或旋涡具有较高的冲刷（挟带泥沙）能力，从而在局部范围内形成冲刷坑。
冲刷坑范围与深度往往与建筑物尺度有直接关系。
海底管道悬空成因及防治措施
２ ． ２ － ２水平 管道 下方 的冲刷 海 底 管 道 冲 刷 开 始 于管 道 与 海 床 面 之 间 的水 流 隧道 。 对 于部分 埋置 的管道 来 说， 这 种水 流 隧道可 以 因管 道 两侧 存在 一
柱 周 围引起 压力 分 布 的变化 ， 使 圆管产 生 与流 向正交 的振 动 力 ， 当该 力 的振 动频 率 与 管结 构 的振动 频 率接 近 时 ， 会 使海 底 管 道 产 生 共振 ， 其 管道 振 幅 急 剧加 大 ， 若 振
的方案 。
关 键词 ： 海底 管道 ； 管 线悬 空 ； 防 治措 施 ； 冲刷机 理 ； 仿生 水草
中图分 类号 ： Ｔ Ｅ ８ ３ ２ 文献标 识码 ： Ａ
１ 概述
海 底 管 道 是海 上 油 田生 产 系 统 中的 个 重 要组 成部 分 ， 维护 海底 管 道 的安 全 是保 证 安 全 生 产 和保 护海 洋 环 境 的 重 要 环节 。以胜利 埕岛 油 田为 例 ， 截至 ２ ０ ０ ７ 年 １ ２月 ， 已 建 成 海 底 输 油 管 道 ７ ６条 １ ４ ４ ． ４ ｋ ｍ，这 些 复杂 的海 底管 网肩负 着 埕 岛油 田原油外 输 的重要 使命 。 但 由于 埕岛 油 田地 处黄 河 口滩海 交 界 地带 ， 场 区海 洋 动力 、 浅层工程地质 、 海 底 动力 地貌 条 件 十分 复杂 ，造成 该 海 区大 面积 区 域 冲刷 ， 特 别是 在平 台附近 ， 再 加 上 由于导 管 架存 在 引起 的局部 冲刷 ， 造 成 海底 管道 立 管底 部附 近出现 悬空 现象 。 这 种 非设 计悬 空 ， 给 管道 带来 严 重安 全 隐患 ， 海流 在流 经 管道 时将 对 管道 产 生 作用力 ， 一旦 海 流 达 到 一定 的流 速 ， 管道 将 产 生涡 激振 动 ， 当 管道 悬空 超 出其 允许 长度 或者 振 动达 到一 定程 度 ， 都 可能 产 生 破坏 及泄 漏等 。 本 文根 据胜利 埕 岛油 田为 海底 管道 悬跨 的 现状 ， 就 悬 空 的成 因和 破 坏 的机理 进 行系 统化 分 析 ， 对 海 底管 道 悬 空危 害进 行 了评 估 ， 并对 海 管悬 空 治理 的 各种 方案 进行 比对 。
海底输油管线(埕岛油田)悬空治理技术措施
海底输油管线（埕岛油田）悬空治理技术措施根据水下固定桩的打桩设计，以15m海底管道为一支撑重量计算。
内管219mm×12mm，外管325 mm×20 mm，15 m海底道重量为3.2t；悬臂梁采用HZ240H型钢，材料为Q235-A，悬臂梁旋转轴承受的压力来自于海底管道和悬臂梁，估算海底管道和悬臂梁总重为3.3t，选用轴的材料为45 mm，许用应力为〔σ〕＝σs/n＝300/5＝60N mm2。
轴的抗弯模面系数Wx＝/32 已知：作用在悬臂梁上的压力P＝3.3t 作用力距支点位置1为135mm。
轴的最大应力：σmax＝Mmax/ Wx＝P·1/ Wx ＝33000×135×32/｛π×d3｝≤60N/ mm2 d3≥33000×135×32/ d≥91.13mm 取最小轴径为100mm。
1.2完成浅水打桩扶正架的设计根据海流的运动，设计了在施工水域内可以坐底的扶正架。
扶正架的作用是保证桩管在打桩过程中的垂直度，同时作为固定剖面声纳、纵倾和横倾传感器、液压控制系统等的支架，避免打桩振动对声纳、传感器等先进仪器的精度影响及损坏，便于施工工艺设计的实施。
1.3初步完成海底管道固定装置的计算设计按照管线规格：Ф219.1×12/Ф325×14，支撑桩间距按15m 考虑，根据SACG软件对作用于支撑装置上关键部位的受力情况进行了计算，作用在支撑结构上的负载：Fυ′＝ω内+ω外+ω其它+ω-ω浮+ω波浪＝〔61.3+107.4+〕×9.8+697 ＝2714N/m→Fυ＝Fυ′×15＝40710 FH＝928N/m→FH＝FH′×15＝13920 考虑到管线涡激振动的动力效应，其为周期性的负载，动力效应故取2.0，即最终设计水下固定装置考虑的负载为：Fυ＝81420，FH＝27840 固定装置的设计为活动式结构，由外卡套、调整底座、锁紧螺母、悬臂梁、U型卡子等组成，可以单独制造，然后与水下短桩一起在工厂预制。
海底管道悬跨处理及抑制工程方法简介
1 沙袋支撑法
图3 仿生保护技术
4 沙袋填充及混凝土压块覆盖法
沙袋填充及混凝土压块覆盖法是对悬空管道进行沙袋 填充，确保管段底部填满沙袋，再用压块进行覆盖保护， 如图4所示。沙袋填充及混凝土压块覆盖法的优点是施工 工艺简单，管道无须停产，保护范围广。缺点是可靠性 差，易形成二次冲刷造成管道悬空进一步加大。
图1 沙袋过长而产生涡激振动，引起管道 疲劳断裂，可采用缩短悬空长度，设置水下桩支撑的方法 对海管进行支撑固定，如图2所示。该方法的优点是施工 简便，作业时管线无须停产，可靠性强。缺点是适用水深 小，成本高，保护范围小。
图2 水下桩支撑法
图4 沙袋填充及混凝土压块覆盖法
2017年第11期
科学管理
海底管道悬跨处理及抑制工程方法简介
雷震名 熊海荣 孙国民 戚晓明 张捷
海洋石油工程股份有限公司 天津 300451 摘要：本文对国内外海底管道悬跨处理及抑制工程方法进行了介绍，并分析了不同处理方法的特点及适用性，对海底 管道悬跨处理及抑制施工具有一定的指导意义。 关键词：海底管道 悬跨 处理及抑制 工程方法
参考文献 [1] 文世鹏，吴敏等 . 埕岛油田海底管线悬空治理探索
[J]. 研究与探讨，2008（7）：17-20. [2] 刘锦昆，张宗峰 . 仿生水草在海底管道悬空防护中
的应用 [J]. 石油工程建设，2009，35（3）：20-21. [3] 李士清等 . 海底石油管道防护技术研究 [J]. 中国海
埕岛油田海底管线悬空治理探索
成 了埕 岛油 田运行 中的海底 管线 立 管处 及靠 平 台段 出现不 同程 度 的悬 空 现 象 ， 重 影 响 了海 底 管 线 的 严 安全 运行 。为 了维 护海上 原 油 的安全 生产 和保 护 海
造成 该 冲刷 的原 因是 由于建 筑物 的存 在 而在局 部 范 围内发 生强 化 的水 流或 高速 旋转 的涡 流 ，这些 水 流或 涡 流具 有 较 高 的 冲刷 （ 带 泥 沙 ） 挟 能力 ， 而 从 在 局 部范 围内形成 冲刷坑 。冲刷坑 范 围与 深度 往往 与建 筑物 尺寸 有直 接关 系 ， 建筑 物 的尺 寸越 大 ， 冲刷
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ＡＣ ｏｄ ｎ ｅ ｓ ｒ ｅ ａ ａ ｏ ｕ ｍａ ｎ ｉ ｅ ｉ ｅ ａ ｎ ｒ ｄ ｃ ｉｎ ｉ ｏ ｆｒ ｄ ｔ ｈ ａ ｇ ｎ ｒ ｂ ｅ ｏ ｕ ｍａ ｎ ｉ ｅｉ ｅ Ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｔ ｕ ｖ ｙ ｄ ｔ ｆｓ ｂ ｒ ｅ ｐ ｐ ｌ ， ｎ ｉ ｔ ｕ ｔ ｓ ｆｅ ｅ ｏ ｔ ｅ ｈ ｎ ｉ ｇ ｐ ｏ ｌｍ ｓ ｂ ｒ ｅ ｐ ｐ ｌ ｏｈ ｉ ｎ ｏ ｏ ｆ ｉ ｎ
维普资讯
埕 岛油 田海底 管线悬 空治理探 索
－ 公海油 东： 营
摘 要 根 据 海 底 管线 调 查 资料 ， 埕 岛 油 田 海 底 管 线 悬 空情 况进 行 了介 绍 ， 析 了造 成 海底 管 线 悬 空 的原 因 ， 治 理 海 底 管 对 分 对 线 悬 空探 索与 实践 过 程 中的 各 种 方 法进 行 了描 述 ， 重 点 对 海 底 防 冲刷 仿 生 技 术 进 行 了 阐述 。 并 关 键 词 海 底 管 线 冲刷 机 理 悬 空 治理 海底 防 冲刷 仿 生技 术 ・
海底管道失效原因分析及其对策
海底管道作为一种输送流体介质的工具， 具有 连续、 快 捷、 输 送 量 大 等 诸 多 优 点， 自 从 "-). 年 K48M7 P Q885 公司在美国墨西哥湾铺设第一条海底 管道以来， 在近半个世纪里， 世界各国铺设的海底 管道总长度已达十几万千米， 海底管道已成为海上 油气田开发中油气传输的主要方式 & 除了被用于海 上油气田开发外， 海底管道还被广泛用作城市污水 排放入海、 油气穿越江河传送的工具 & 在海底管道 应用迅猛发展的过程中， 海底管道的安全问题始终 为人们所关注 & 同陆上管道相比， 海底管道运行风 险更大， 失效概率更高， 这主要与其工作环境条件 恶劣密切相关 & 运行在海底的管道既可能受到波
［-］
，
图 ( 是根据 0123#4 统计出来的数据绘出的这四种
学腐蚀、 海生物腐蚀等等， 其中大气腐蚀仅发生在 海底管道暴露在大气中的立管段 ! 管外腐蚀速度与 海水和土壤的电阻、 温度、 含盐度、 含氧量、 海流流 速、 海洋生物浓度等有关 ! 海底管道在腐蚀作用下 常以局部穿孔形式破坏 ! （-） 波流冲刷作用 ! 当海底管道埋深不足时， 在 波流反复冲刷作用下会逐渐裸露出海底而呈悬跨 状态， 波流流经悬跨管道时会在管道后部释放旋涡 引起管道振动 ! 当悬跨管道自振频率与旋涡释放频
%"’
田输油管道就是因此破坏的 ! 管道连接焊缝处常常 因为存在焊缝缺陷而成为管道发生疲劳破坏的危 险点 ! （"） 机械破坏 # 第三方活动 ! 机械破坏是指由于 第三方的海上活动导致海底管道发生的破坏 ! 当海 底管道位于渔业活动区、 航道区或海上工程施工范 围区内时， 若埋设不深或由于波流冲刷而裸露出海 底时， 很容易受到渔网拖挂、 航锚和船上落物撞击 作用 ! 另外位于海上工程施工范围内的管道以及平 台附近的管道部分受施工和平台上落物撞击作用 的危险性也比较大 ! 这些作用都将使管道受到一定 程度的损伤， 严重时会造成管道断裂 ! （$） 海床运动 ! 海底管道因海床运动而发生破 坏实际上是海流—管道—外力三方面相互作用的 结果 ! 砂质海床在波流冲刷作用下会发生淘蚀， 粉 砂或细砂质海床在风暴潮和地震作用下容易发生 液化， 淤泥质海床存在很大的流变性， 当海底管道 铺设在这些性质不稳定海床上时很可能由于海床 蹋陷、 滑动、 冲蚀而发生强度或变形破坏 ! （%） 管道的材料缺陷和焊缝缺陷 ! 管道的材料 缺陷是指管材在制造过程中存在的质量问题， 如材 料表面存在着裂纹、 划伤以及内部存在着偏析、 气 泡、 夹杂物等 ! 焊缝缺陷是指管道在制造和施工过 程中焊接质量不过关， 存在着裂纹、 气孔、 夹渣等缺 陷 ! 在外力作用下管道的材料缺陷和焊缝缺陷处很 容易产生应力集中， 它们常常是管道发生疲劳破坏 和强度破坏的潜在危险点 ! （&） 管道附件失效 ! 海底管道上的阀门、 法兰、 机械连接器、 卡子、 接头、 垫片等附件因老化、 腐蚀 或其它原因而发生失效， 导致海底管道发生泄露或 无法正常控制 ! 除了以上几种原因外， 操作失误、 设计不合理 也可能是造成海底管道失效的原因， 与前面介绍的 六种失效原因不同， 它们主要是由于人为因素造成 的管道失效， 相对于其它几种原因这两种原因是比 较容易避免的 ! 在很多情况下海底管道失效都是由 上述各种原因中的几种共同作用引起的， 其主要破 坏原因与海底管道运行年限和运行环境密切相关 ! 对于已经服役很长时间的海底管道， 腐蚀和管道附 件老化可能是导致其失效的主要原因， 对于铺设在 砂质海床上的海底管道， 波流冲刷或海床运动可能 是其破坏的主要原因， 而铺设在渔业活动区内的海 底管道受到渔网拖挂和船锚撞击破坏的可能性更 万方数据
仿生防冲刷系统在埕岛油田中的应用
在海 洋 工程 中，由于波浪 、水 流 的作 用而 造成 海底 结构物 底部及 其 附近海 床 的泥沙 运动 ，即通 常 所 说 的海 底冲 刷现象 。根 据海 洋冲刷 动力 学原 理分 析 ，海底冲 刷 的形成 ，主要 是 由于海 洋结 构物安装
在 海底之 后 ，打破 了原有 水下 流场 的平衡 ，引起局 部水 流速度 加快 ，使 正常流 动 的水流 形成 一定 的压
一
。
仿生 水草采 用耐海 水浸 泡且抗 长期冲 刷 的新型 高 分子材 料加 工而成 ， 过安装 基 垫 由海 底锚 固装置 固 通 定于海 底 。通过 仿生 海草 的粘滞 阻尼作 用 ，降低海 流流 速 ，防止海 流冲 刷 ，促 进泥 沙淤 积 ，从而达 到
埋管 的 目的。
２ 仿生系统防冲刷 作用机理
多年来 ， 底冲刷 及其 冲刷保 护与控 制 技术 一直 是各 国海洋 工程领 域亟 需解 决 的重 要研 究课题 之 海
这种 悬空现 状 ，对 海底 管道 安全存在 极 大 的隐患 ，一旦 海管 泄漏将 造成 重大经 济损 失 ，急需 治理 。 海 底仿 生防冲 刷保 护系 统 ， 基于海 洋仿 生学 原理 而开 发研制 的一种 海底 防冲 刷 的高新技 术措施 。 是
地 带 ，场 区海 洋动 力 、浅层 工程地 质 、海底 动 力地貌 条件 十分 复杂 ，造 成该海 区 大面积 区域冲刷 ，特
别是 在平 台附近 ，由于平 台存在 引起 的局部 冲刷 ，造 成海底 管道 立管底 部 附近 出现悬 空现象 。这种 现
象还 在进一 步加剧 中，严重危 害 到埕 岛油 田的产 能建 设及 生产安全 。
海底管 道悬 空治 理方法 也在探 索 中 日趋完 善 。２ ０ 年 ￣２０ 间 ，先后 对 ２ 条海底 管道 的悬 ０１ ０４年 ０多 空情 况进 行 了 隐患 治理 ，在 管道 两端 平 台 附近采 用 水 下桩 支撑 保护 ，有 效 保护 了管线 最 薄弱 的环 节
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第 23 卷第 1 期
王利金等 : 埕岛油田海底管道冲刷悬空机理及对策
45
径426 mm时, 估算管道下的冲刷引起的最大可能悬 空高度为 0. 72 m, 该原因引起的管道下冲刷可体 现在整条海底管道。 ( 3) 结构群体影响下的冲刷 导管架腿柱、立
上述因素的联合作用下发生的, 单从理论上很难确 定出具体的数值, 必须通过模型试验确定。模型试 验水池的主要尺寸为, 长为 38 m, 宽为 8 m, 高为 1 m, 选用正态模型, 几何比尺 L = 50。 1、 试验条件及试验组别 ( 1) 根据目前埕岛油田海底管道立管支撑状态, 试验包括在波浪、海流作用下立管分别从导管架腿 柱和立管桩爬上平台时, 其海床面的冲淤形态及立 管底部的最大冲刷深度与冲刷长度。 ( 2) 试验考虑冲刷最严重的情况, 即波浪、海 流同向的情况, 具体的试验环境条件分为两种, 一 种为 50 年一遇的波浪与 50 年一遇的海流相组合, 波高 H 1 / 3 = 4. 8 m, 周期 T = 8. 0 s, 流速 v = 1. 29 m/ s。另一种为 50 年一遇的波浪与一年一遇的海 流相组合, 波高 H 1/ 3 = 4. 8 m, 周期 T = 8. 0 s, 流速 v = 0. 87 m/ s。 ( 3) 立管与相连接的水平管考虑按不同的连接 方位、不同的起始埋设深度情况进行试验。 ( 4) 试验的冲刷时间要求不低于相当于原型时 间 24 h。 ( 5) 根据以上试验条件共进行了 17 组冲刷试 验, 其中导管架结构的冲刷试验共 9 组, 4 腿导管 架主要尺寸为, 主导管直径为 1 320 mm, 10 1 双斜 布置, 工作点尺寸 7. 0 m 9. 0 m; 立管桩结构的 冲刷试验 8 组, 立管桩直径为 1 600 mm; 海底管道 直径为 426 mm 。 2、 试验结果 冲刷试验得到导管架和立管桩结构近旁的最大 冲刷深度及水平管悬空长度见表 1 和表 2。 3、 试验结果分析 ( 1) 冲刷范围仅限于结构物附近的局部, 在结 构物附近, 冲刷坑明显可见 , 离结构物一定距离即 无冲刷值。试验得到的海底管道在一般情况下, 冲 刷范围均小于 6 m, 最大悬空长度仅为 9. 5 m, 这 与实测得到的最大悬空长度 30~ 40 m 相比有较大差 距, 实际海底管道冲刷悬空长度较大主要是由于该 区海床大面积冲刷引起的。 ( 2) 水平管的起始埋管深度对冲刷后水平管悬 空长度有明显影响, 如第 D5 组、第 D7 组, 在腿柱 近端埋深较浅时, 悬空长度较大, 故埋深不足或未 埋将显著增大海底管道的悬空长度。
从而在局部范围内形成冲刷坑。冲刷坑的发展是逐 渐的, 当达到平衡状态时冲刷深度达到最大, 冲刷 坑范围、深度与结构物尺度有直接关系。 ( 1) 直立圆柱体周围的局部冲刷 在波浪、海流 作用下小尺度直立圆柱附近的冲刷主要是由于波浪水 流通过圆柱时在圆柱背后产生的尾涡所引起的 1 。埕 岛油田典型环境的各项参数为, 平均流速 v 0 = 0. 87 m/ s, 有效波高 H 1/ 3= 4. 8 m, 波周期 T = 8 s, 水深 h = 10 m, 对于直径 D = 1. 6 m 的立管桩, 估算出最 大冲刷深度 ds 为 2 m, 对于直径 D = 1. 2 m 的平台 桩腿, 可估算出最大冲刷深度 d s = 1. 63 m 。局部冲 刷坑范围可以根据海底土壤边坡休止角来估算, 对于 埕岛油田的典型海底条件, 直立圆柱周围的局部冲刷 大多体现在立管底部 4~ 5 m 的范围内。 ( 2) 水平管道下面的冲刷 放置在海床面上的 管道冲刷开始 于管道与海床面之间出 现一水流隧 道 , 对于部分埋置的管道而言, 这种水流隧道可以 因管道前后存在一定压差形成管涌而发生。当水流 隧道形成后 , 管道前后的压差使管道下的流速大于 行近流速, 从而引起管道下的冲刷。当管道下的冲 刷坑逐渐扩大, 管道下的流速逐渐降低, 不再使冲 刷坑增大, 冲刷达到平衡状态时 , 冲刷坑深度达到 最大。对于水平管道下的冲刷深度可根据文献 [ 2] 进 行估算 , 对 于埕 岛油 田海 况 条件 , 海 底管 道管
组号
结构物设置
( m)
L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8
注
立管桩 立管桩 + 立管 立管桩 + 立管 立管桩 + 立管 立管桩 + 立管 立管桩 + 立管 立管桩 + 立管 立管桩 + 立管
36 36 36 36 36 36 36 42
1. 25 0. 75 2. 25 1. 75 1. 80 1. 75 1. 75 0. 75
一、 前 言
截至 2002 年 12 月埕岛油田已建成海底输油、 输气管道 55 条 , 海底注水管道 35 条, 这些复杂的 海底管网担负着埕岛油田原油外输及油田注水的重 要使命。但埕岛油田地处黄河口滩海交界地带, 场 区海洋环境、浅层工程地质、海底地貌条件十分复 杂, 在强烈的水动 力因素作用下, 海床极不稳定, 易遭受冲蚀。通过对部分已建海底管道在位状态下 的现状调查发现, 受海底冲刷的影响, 立管底部在 平台附近海底管道暴露悬空现象较为普遍, 这些非 设计悬空给海底管道的安全运行带来严重隐患, 国 内外海底管道工程中均有由于非设计悬空发生事故 的工程案例。
三、 海底管道冲刷模型试验
实际上 , 海底管道的悬空高度及悬空范围是在
46
表1
油
气
储 运
2004 年
导管架四角点最终最大冲刷深度及水平管悬空长度 ( 原型值 ) 四角点最大冲刷深度 水平管悬空长度 ( m) 3 1. 45 1. 05 1. 75 1. 75 2. 00 1. 65 1. 60 1. 90 1. 25 4 1. 40 1. 00 1. 95 2. 30 1. 75 2. 25 1. 50 1. 70 1. 25 前 * * * * 5. 50 9. 50 1. 25 9. 00 5. 50 2. 20 后 * * * * 2. 75 7. 00 0 3. 50 4. 00 2. 75 冲刷时间 ( h) 1 2 1. 75 1. 65 2. 15 1. 90 2. 25 2. 25 2. 40 2. 00 1. 50 36 36 42 36 36 36 36 36 36 1. 75 2. 35 1. 95 2. 30 2. 00 2. 15 1. 35 2. 00 1. 50
44
油
气
储
运
2004 年
埕岛油田海底管道冲刷悬空 机理及对策
王利金
*Байду номын сангаас
刘锦昆
( 胜利油田 胜利工程设计咨询有限责任公司 )
王利金 刘锦昆 : 埕岛油田海底管道冲刷悬空机理及对策 , 油气储运 , 2004, 23 ( 1) 44~ 48。 摘 要 对埕岛油田海底管道冲刷悬空的机理进行了理论分析及模型试验 , 给出了海底管道 在水流作用下发生共振时实际最大允许悬空长度的范围, 并在此基础上对抛砂袋结合混凝土块覆 盖法 、水下短桩支承法和挠性软管跨接法等治理对策进行了对比。提出应采取改进常规的挖沟埋 管工艺、实行定期检查和测量海底管道悬空长度范围等治理措施, 尤其对已投产和新建的海底管 线悬空问题的治理, 建议应分别采用水下短桩支撑法和防生物覆盖或挠性软管跨接法。 主题词 水下管道 冲刷作用 机理分析 改进措施
表2
立管桩周围四角点最大冲刷深度及水平管悬空长度 ( 原型值 ) 四角点最大冲刷深度 水平管悬空长度 ( m) 3 1. 75 1. 90 2. 30 1. 75 1. 80 1. 75 1. 75 0. 75 4 2. 25 1. 90 2. 25 1. 75 1. 80 1. 75 1. 75 0. 75 前 * * 0 6. 50 * * 1. 50 2. 00 1. 15 后 * * 1. 25 5. 00 * * 3. 75 * * * * 冲刷时间 ( h) 1 2 1. 75 2. 25 2. 10 1. 75 1. 80 1. 75 1. 75 0. 75
二、 海底管道立管底部 冲刷悬空机理
引起埕岛海底管道立管底部冲刷悬空的原因十 分复杂, 大致可分为以下几方面。 1、 结构物存在形成的局部冲刷 海底结构物使在局部范围内发生强化的水流或 高速旋转的旋涡具有较高的冲刷 ( 挟带泥沙) 能力,
* 257000, 山东省东营市济南路 ; 电话 : ( 0546) 8554402。
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36 h冲刷基本达到平衡 , 此后冲刷深度不再加大或 增加缓慢。 ( 6) 试验中有些变量 , 如水下管卡是否固定 , 水平管走向等对冲刷深度影响不明显。
管桩、海底管道在一起组成结构群体, 它们对水流 的共同影响可能造成较大范围内流速的增大, 从而 造成一定范围内的冲刷。这种情况较为复杂, 对其 冲刷深度与冲刷范围应根据实际的结构布置采用冲 刷动床模型试验来确定。 2、 海床侵蚀引起的大面积冲刷 由于埕岛油田特殊的地理位置及海底地质条件, 海区处于不稳定的冲淤状态, 根据胜利油田飞雁滩 1976~ 2000 年断面测量数据可以看出, 5 m 等深线 平均蚀 退距 离为 0. 19 km/ a、海床蚀 深为 12. 6 cm/ a; 10 m 等深线的蚀退距离为 0. 10 km/ a、海床 蚀深为 4. 7 cm/ a。海床调整的冲淤平衡点大致处于 水下 12 ~ 15 m 之间, 在平衡点以上为侵蚀区, 在 平衡点以下为淤积区 , 这种剖面调整状态目前尚未 有转缓的迹象。对于水下 10 m 处, 在海底管道设计 寿命 15 年内, 海床整体冲刷深度可达 0. 7 m。由 于该原因引起的海床冲刷体现在整条海底管道。 3、 海底不稳定性引起的冲刷 在大浪时, 作用在海床表面的波浪压力会在土 体内产生一定的应力分布 , 如果土壤抗剪强度不足, 则土体即可以沿某滑动面滑移。导致土壤抗剪强度 不足的因素为, 一是, 由于表层土壤为含水量极高 的高压缩性软土, 例如黄河堆积期生成的河口两侧 烂泥区, 其本身抗剪强度低。二是 , 由于表层土为 粉砂时, 在暴风浪作用下 , 土壤发生液化而使土壤 抗剪强度降低, 埕岛海区由于表层存在很广阔的粉 砂覆盖层, 在 50 年一遇风浪作用下 , 第一层砂质粉 土内由波浪作用产生的剪切应力大于土壤抗液化的 剪切力, 可能发生液化, 从而造成海床下降。 此外 , 如立管支撑结构的周期性振动, 施工时 由于受到设备、平台位置等的限制, 管道实际埋深 小于设计所要求的埋深或者平台附近未埋设等因素 也是引起立管悬空范围较大的主要因素。