海底管道悬跨维护技术研究
海底管道悬跨段流致振动实验研究及涡激力模型修正
第24卷第12期 V ol.24 No.12 工 程 力 学 2007年 12 月 Dec. 2007 ENGINEERING MECHANICS153———————————————收稿日期：2006-03-25：修改日期：2006-07-16基金项目：国家自然科学重点基金资助项目(50639030)；教育部博士点基金资助项目(20050423002)作者简介：*黄维平(1954)，男，浙江人，教授，博士，博导，主要从事海洋工程研究(E-mail: wphuang@)； 王爱群(1955)，男，山东人，教授，学士，主要从事水利学试验研究(E-mail: ghaq@)；李华军(1962)，男，山东人，教授，博士，博导，院长，主要从事海洋工程研究(E-mail: huajun@).文章编号：1000-4750(2007)12-0153-05海底管道悬跨段流致振动实验研究及涡激力模型修正*黄维平，王爱群，李华军(中国海洋大学海岸与海洋工程研究所，青岛 266071)摘 要：对输送液体的模型管道进行了涡激振动试验研究，试验结果表明：当理论涡脱频率与管道的固有频率不一致时，作用在振荡管道上的涡激力并非简谐扰力，而是具有一定带宽的窄带随机扰力。
因此，管道的涡激振动响应也是一个随机过程。
当理论涡脱频率与管道的固有频率接近时，管道的涡激振动响应逼近简谐振动。
试验结果也表明：作用在振荡圆柱体上的涡激力频率不仅是流速和圆柱体直径的函数，也是圆柱体固有频率的函数。
关键词：海底管道；涡致振动；试验研究；斯特罗哈频率；涡激升力 中图分类号：TU311.3 文献标识码：AEXPERIMENTAL STUDY ON VIV OF SPAN OF SUBSEA PIPELINEAND IMPROVED MODEL OF LIFT FORCE*HUANG Wei-ping , WANG Ai-qun , LI Hua-jun(Institute of Coastal and Offshore Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266071, China)Abstract: Tests for the vortex-induced vibration (VIV) of the models of subsea pipeline with internal flow have been carried out. The results show that if there is a big difference between vortex shedding frequency and natural frequency of cylinder, the lift force acting on oscillating cylinder is a stochastic force with narrow bandwidth and if there is a little difference between them, the response of models is periodic oscillation. It is also revealed that the frequency of vortex shedding on oscillating cylinder will change with not only the velocity of fluid and the diameter of the cylinder, but also natural frequency of the cylinder.Key words: subsea pipeline; VIV; experimental study; Strouhal frequency; lift force浅海石油开发中，由于海底冲刷而导致海底管道出现悬空现象常常困扰油田的安全生产，悬跨段的流致涡激振动将引起管道的疲劳破坏。
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 。
海底管道悬跨修正方法
增刊 ２
中
田
造
船
Ｖｏ ． ２ Ｓ ｃ ａ １ ｐｅ ｉ ｌ ５ ２ Ｓ ｐ ２０ Ｉ ｅ ． １
２ｌ Ｏ １年 ９月
Ｓ Ｉ Ｂ Ｌ ＮＧ ＯＦＣｆ ＮＡ Ｈ Ｐ ＵＩＤＩ ｔ ｌ
文 章编 号 ： １０ —８２２ １）２０ ２ —８ ０ ０４ ８ （０ Ｓ —２ １０ １
（ ）抛石法 １
抛 石法 既适用 于新 建海 底管道 ，也 适用 于 已建海 底管 道 ，既适用 于悬 跨修 正 ，也适 用于海 底管 道 稳 定性 保护 。实施 抛石 前需 要准确 确定 抛石 位置 及抛 石量 。抛 石通常 由专 用 的抛石 船完 成 ，抛 石船 的 甲板上 必须 有足够 的 空间 以装载不 同级 配碎石 块 ，抛 石 由专 门 的悬 挂于 水面 的落 石管 路进 行 ，用 于抛 石 的落 管底 部通常 装备 一个 Ｒ Ｖ。为 了更 好地完 成 抛石工 作 ，抛 石船 上通 常 配备动 力定位 系 统 。图 ４ Ｏ 是 正在 建造 的第三 代最 大 的 Ｆｉｔ ｏ ｅ抛 石船 ，该 船配 有 Ｄ ２级动 力 定位 ，航速 达 １ｋ ，能够装 载 ｌ ｓｎ ｎｔ Ｐ ５ｎ １０ ０ 碎石 ，适用 最大 水深 为 ２ ０ ｍ，拟于 ２ １ 年 ３月底 建成 。 ９ ０ｔ ００ ０ １
白航式 耙吸 挖泥 船 、带输泥 管线 的铰 吸挖 泥船 、铲 斗挖 泥船 和抓 斗挖泥 船等 。 在 Ｏ ｍｅ ａ ｇ ｒ ｎ Ｌ ｎ ｅ项 日沿 海底 管道路 山坡 度较 陡 、抛石 无法 实施 的 区域 ，采用疏 浚／ 掘 法进 行海 ｛ 宅 床 预 处理 ， 浚 由 Ｎｅａ ｓ 司 的 ２台 Ｓ ｉｅ 完 成 ， 掘 由 Ｈａ ｉｕｔｎ公 司 的 ＪｔｒＤｃ ａ Ｃ ｔ ｒ 疏 ｘｎ 公 ｐｄｒ 挖 ｌｂ ｒ ｌ ｏ ｅ ｏ ／ ｌ ｕｔ 完成 。 Ｐ ｖ ｅ
海底管道悬跨原因及防护探究
海底管道悬跨原因及防护探究
陈祎;李硕鹏;王超;薛强;谭克杨;彭进
【期刊名称】《石油和化工设备》
【年(卷),期】2024(27)5
【摘要】海底管道悬跨是海底管道工程中的一项重要挑战,其对管道的安全和可靠性运行造成严重威胁。
本论文旨在研究海底管道悬跨的原因和防护措施。
首先,分析了泥沙冲刷,沙波沙脊等因素导致海底管道出现悬跨现象。
其次介绍了多种防护措施,包括砂袋回填、混凝土压块、复合柔性防护垫等,总结了各种防护措施的优点和局限性。
通过防护措施之间对比,以期本研究对于海底管道工程的设计和维护具有参考价值。
【总页数】4页(P10-12)
【作者】陈祎;李硕鹏;王超;薛强;谭克杨;彭进
【作者单位】中海油能源发展装备技术有限公司;中国石油大学
【正文语种】中文
【中图分类】TE9
【相关文献】
1.基于SAGE的海底悬跨管道后挖沟治理分析
2.自由悬跨分析在海底管道维修中的应用研究
3.腐蚀条件下的海底悬跨管道振动分析
4.内输高温高压流体海底悬跨管道的非线性涡激振动响应分析
5.海底管道临界悬跨长度及受力分析
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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
海底输油管道悬跨的综合治理
海底输油管道悬跨的综合治理唐晓旭;胡国后【摘要】海底管道出现悬跨有多种原因,敷设过程中海床凹凸不平、建成后海流和海浪的冲蚀及管道变形等都有可能形成悬跨.悬跨给海底管道的正常生产造成了极大的安全隐患,目前海管悬跨治理措施主要有主动支撑法、加重法和降流促淤法等.海底管道悬跨的各种治理方法都有其各自优、缺点,在具体工作中应取其优势,尽量避免其不足之处.其中降流促淤的方法应属于治本之策,在施工条件适宜的情况下可以普遍推广应用.【期刊名称】《油气田地面工程》【年(卷),期】2011(030)007【总页数】2页(P38-39)【关键词】海底管道;悬跨;主动支撑法;加重法;降流促淤法【作者】唐晓旭;胡国后【作者单位】中海石油(中国)有限公司天津分公司;中海石油(中国)有限公司天津分公司【正文语种】中文海底管道悬跨是指出现在海底管道上且与海床表面不直接接触的悬空段。
海底管道出现悬跨有多种原因，敷设过程中海床凹凸不平、建成后海流和海浪的冲蚀及管道变形等都有可能形成悬跨。
（1）平管下部差异性冲蚀。
凸起于海底的管线，必然造成管线附近流场的变化，局部的地形差异、管线外形的差异，均会在局部形成有利于水流淘蚀管线周围沉积物的小流场，形成冲蚀坑[1-2]。
管线下一旦有坑的存在，管线的束流作用必使流经管线下方的水流流速增大，冲蚀坑的规模和深度也会持续扩大，从而形成悬跨，而且悬跨的高度和长度会越来越大。
（2）海底沙波、沙脊的移动。
海底沙波、沙脊的存在受控于水动力条件和沉积物的粒度组成，由于活动的沙波、沙脊的存在，使管道处于不稳定状态，极易形成悬跨。
（3）其他原因。
海底管道悬跨的产生还有许多其他原因，比如构筑物的存在形成的局部冲刷，海床侵蚀引起的悬跨，立管支撑结构周期性震动产生的立管底部悬空，深水管道安装过程中张力增加造成的悬跨等。
海底管道悬跨的存在是海底管道安全运营的重大潜在隐患，如果悬跨达到一定长度，由于自身重力以及潮流冲击力的作用，管道变形和内部应力幅值将增大，在一定条件下，管道还可能产生涡激振动，严重时将导致管道断裂，给生产造成损失，同时带来环境污染。
海底管道悬跨治理方法
第一作者简介 ： 曲
杰（ １ ９ ７ ７ 一） ， 男， 大学 ， 工 程 师
研究方 向 ： 海底管道检测 、 评估与维修
Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ： ｑ ￣ ｉ ｅ ＠ｃ ｎ ｃ ｏ ｏ ｃ ． Ｃ Ｏ Ｈ １ ． ｃ ｎ ｆ
２１ ４
２ ０ １ ６年 １ ２月
曲
杰， 等： 海底管道悬跨治理方法综述
海 底 管 道 悬 跨 治 理 方 法
曲 杰 ， 倪 剑 ， 唐建 华 ， 娄 敏
（ １ ． 中海油能源发展装备技 术有限公 司， 天津 ３ ０ ０ ４ ５ ９ ； ２ ． 中国石油大学（ 华 东）石 油工程 学院， 山东 青 岛 ２ ６ ６ ５ ８ ０ ） 摘 要： 海底管道悬跨威胁着海上 生产 ， 造成悬跨 的原 因很多 。当出现悬跨后 ， 对海上资源的正常生产和
海洋环境存 在较大隐患 ， 因此 ， 采取有效的措施维护管道就 非常有必要 。对海底管道 悬跨 产生 的原 因和 治理
的方法进行 了综合阐述 ， 供技术人员参 考。
关键词 ： 海底管道 ； 悬跨 ； 治理 中图分类号 ： Ｐ ７ ５ ６ ． ２ 文献 标 志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ １ — ７ ９ ５ ３ （ ２ ０ １ ６ ） Ｓ １ － ０ ２ １ ４ － ０ ３
船海工程 第４ ５卷
中， 从 而起 到支 撑 作 用 。但 是 对 于 海 床 变 化恶 劣
和严 重 冲刷 区域 ， 可靠 性 不高 ， 会 失 去对 海底 管道
有效 途径 。
３ ． ３ 降 流 促 淤 法
的支撑 作用 ， 再 次造成 管 道悬跨 。
１ ． １ 海床 变化 造成 的管 道悬跨
对管道 弯 曲变形 和管 道 自身振 动 频 率 的影 响 ， 对
海底管道悬空危害原因与及解决对策
海底管道悬空危害原因与及解决对策摘要: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。
本文根据油田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。
关键词: 非设计悬空；海底管道悬跨；系统评估；方案比较复杂的海底管网肩负着油田原油外输的重要使命。
但由于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。
1概述海底管道是海上油田生产系统中的一个重要组成部分，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。
海底管道冲刷悬空现象给海上油田生产带来极大的安全隐患。
本文对海底管道悬空的现状、冲刷机理和破坏的形式及影响进行系统分析并在此基础上对各种治理方案进行比对。
2油田海底管道悬空原因2.1海底管道悬空现状打水下桩治理的犯处立管，除其中的10处立管悬空变化不大外，其余22端立管悬空长度均有不同程度的扩展，扩展了的管道悬空，已经对管道的安全构成了威胁。
2.2海底管道悬空原因分析2.2.1结构物附近的局部冲刷由于流经结构物的水流会在局部范围强化并产生高速旋转的旋涡，从而具有较高的冲刷(挟带泥沙)能力，可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。
2.2.2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定压差形成管涌而产生。
当水流隧道形成后，管道两侧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。
根据设计院的初步分析，对于X426海底管道，考虑波流共同作用，管道底下最大可能冲刷深度达到0.72m。
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海底管道悬跨维护技术研究
【摘要】海底管道悬跨的产生有诸多原因，波浪和海流的冲刷、异常潮流和暴风的作用、土壤性能的改变和海底的凸凹不平都很容易使管道产生悬跨。
当海底管道出现悬跨后，使得海底管道的运营风险剧增，严重影响海上油气的安全生产。
因此采取合理的方法对海底悬跨管道进行维护治理显得尤为重要，国内外采用了多种海底管道悬跨防治和维护措施。
本文总结了海底管道悬跨维护方法，以期为海底管道悬跨的维护提供指导性参考。
【关键词】海底管道冲刷悬跨维护
海底管道被誉为海上油气田开发的生命线，是一种高效、经济可靠的油气输送方式，实践已经证明，管道输送是海洋油气运输的最有效和最安全的输送方式。
海底的地形和地质构成，波浪与海流的作用，海底沙波或沙丘运动以及土壤性能的改变等等，都会引起管跨的发生。
无论管跨由何原因产生，只要到达临界悬空长度，轴向过载应力和涡激振动会对管道的安全运行构成威胁；另外，悬跨管道失去了土壤的掩埋，在遭受坠物或抛锚冲击时更易受到损伤，加之悬跨的管道直接曝露于海床表面，容易与渔船拖网发生干扰、拖挂现象，甚至在拖拉下发生位移、屈曲。
因此，寻找一种切实可行的管道悬跨治理方法，对保证海底管线在役期间的安全运行具有重要意义。
1 海底管道悬跨的维护与治理
针对海底管道悬跨这一重大安全隐患，国内外采用了多种海底管
道悬跨防治和维护措施，常用的措施有重新挖沟埋管法、填埋覆盖法、水下支撑法、加重法、降流促淤法等方法。
1.1 重新挖沟埋管
重新挖沟埋设法可以消除管道悬跨的支撑肩，将管道沉降到冲刷深度以下，从而避免自由悬跨的发生。
根据所采用的挖沟设备不同又分为犁式挖沟法和喷射式挖沟法。
如图1所示。
海底管道挖沟埋设，能避开、减轻或防止管道损伤或使损伤的危险减至最少，因而世界各国都对管道埋设有一定要求。
海底管线的埋深取决于多种变量，其中包括波浪气候、沉积物的大小、潮流冲蚀和土壤液化的可能性，以及未来扩建航道、工程的重要性和管道损坏的环境影响等因素。
1.3 水下支撑法
水下支撑法是在悬空段设置支承支架，以减少海底管道的振动，它可防止悬空管道由于涡激振动引起的管道断裂。
主要的方法有：2005年，国内学者发明了一项专利技术——海床泥沙截留、促淤积防冲刷装置。
如图10所示。
该装置包括柔性轻质浮帘、浮体、过沙窗口和重梁，其中浮帘的下缘捆绑在一个安放在床面的重梁上以使其固定，浮体设在浮帘上缘以保证浮帘不倒伏在床面上，在浮帘底部一定高度位置处开有矩形过沙窗口。
1.6 其他修复方法
挠性软管作为海上油气输送手段近年来得到了广泛的应用，主要用于作为油气输送的立管、海底管线，也用于跨接管，在我国南海
和渤海均有应用。
如图12所示。
软管具有挠性大，考疲劳能力强，易安装且可重复利用的特点。
当海床受到冲刷时，软管可以依靠本身的重力，自然下垂并附着在海床上，防止进一步的悬空，这就避开了涡流激振对管道的影响，保证海底管道的安全运行。
但对于已建成投产的海底管线，更换软管必须在管线停产的情况下方可实施，另外如存在海底管线与其它海底构筑物的交叉，实施起来较为困难；软管专营性强，成本高；抗外来冲击载荷能力弱。
因此该种方法主要应用在新建海底管线在海底的悬空控制对策[11]。
2 结束语
海底管线在铺设于海床表面以后，由于种种原因，不可避免的会出现悬跨现象。
这种现象严重威胁海上油气的安全生产。
因此，必须加大海底管道的监测，检测和保护力度，及时发现海底管道的悬跨问题，根据海管所处海洋环境条件，采取合适的海底管道悬跨维护措施，确保海底管道服役期间的安全运行。
参考文献
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我国深水油气田开发中的应用前景[j]. 中国海上油气，2011，23（2）：135-139
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[10] 韩艳. 海底管线的冲刷与导流防护技术研究[d]. 青岛：中国海洋大学，2010：1-127
[11] 高文. 浅海海底悬空管道动力响应分析及治理[d]. 青岛：中国石油大学（华东），2010：1-76
作者简介
李成钢，男、汉族、山东人，硕士学位，经理，现于中海油田服务股份有限公司工作。