海底管道局部冲刷研究综述.pdf
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1、书书书第 卷第 期 年 月水道港口 收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目();四川省区域创新合作基金项目()作者简介:闫莎(),女,甘肃省人,硕士研究生,主要从事海底管道局部泥沙冲刷研究。:(),通讯作者:刘名名(),男,山东省平度市人,教授,主要从事海底管道局部泥沙冲刷研究。:海底管道局部冲刷研究综述闫莎,刘名名,王浩丞,金瑞佳,李曦宁,王铭(中国石油大学(北京),北京 ;聊城大学,聊城 ;成都理工大学,成都 ;交通运输部天津水运工程科学研究所,天津 )摘要:海底管道在海上油气田开发生产中发挥着极其重要的作用,而海底管道服役于恶劣的海洋环境,极易在潮流、波浪作用下产生泥沙冲刷
2、,进而造成管道失效,严重危害海底管道的稳定性。因此,进行海底管道局部冲刷方面的研究工作对科学进步和工程发展都具有重要意义。海底管道局部冲刷的研究由来已久,主要由理论分析、实验室模拟、数值模拟 种研究方法构成。从海底管道局部冲刷机理及影响因素等方面出发,按照 种不同的研究方法,以时间发展为纵向脉络,分别总结了这 种研究方法下的国内外研究现状,并进行了对比分析,可为海底管道局部冲刷领域的研究提供参考。关键词:海底管道;局部冲刷;研究进展中图分类号:;文献标识码:文章编号:()海洋油气资源开发和海洋油气经济的发展,缓解了近年来掠夺性开采陆地油气资源而引起油气资源枯竭这一问题 。因此,近年来随着世界各
3、国对海洋油气资源开发的重视,海底管道运输的发展产生了明显飞跃。根据中海油能源经济研究院发布的 中国海洋能源发展报告 ,海洋油气生产已成为关键的能源增长极,海上油气等化石能源将成为驱动能源发展的主要动力。海底管道作为海洋油气的主要运输通道,尤为关键地影响海洋油气开发作业的优劣性,要提高海洋油气资源的利用率,必须不断发展海底管道相关研究工作,吸收关键技术,稳步提高我国海底管道技术水平 。相较于陆地管道所处的环境而言,海底管道所处的环境条件更为极端。海底管道铺设于相对复杂的海洋环境中,大多管道又需要埋设于海床面下一定深度,因此检查维修等作业很难进行,而部分管段又处于潮差区或波浪破碎区(特别是立管),
4、更容易遭受波浪、潮流、冰凌等严重冲击,有时甚至可能遭受海洋中漂浮的坚硬物体或船舶撞击产生破坏,以及遭受抛锚破坏,从而造成海底管道的严重破坏,导致管道失效破漏,造成油气泄露,引发海洋环境和海洋油气经济的双重危机。导致海底管道破坏失效的主要因素包括:海底床面运动、波浪及水流冲刷作用 。海底管道在海洋水动力因素和海底床面运动等相互耦合作用的长期影响下,管道周围的泥沙等沉积物极易受到侵蚀和迁移,使得管道下方的海床周围发生大规模的侵蚀,附近的泥沙等沉积物在不断冲刷剥蚀下被掏空,管道下方出现悬空现象,从而使管道极易受到损坏,大幅降低管道的使用周期。综上所述,要使海洋油气资源开发安全有效地进行就要保证海底管
5、道的安全和稳定,因此开展海底管道局部冲刷研究显得尤为重要。如何通过开展海底管道局部冲刷研究,尽可能真实地模拟和还原出海底管道局部冲刷过程,获得管道周围冲刷坑的形态和高度,成为保障管道安全运行、维护海洋油气资源和海洋环水道港口第 卷第 期境安全的一项重要命题,对海洋油气资源开发战略具有重要的实际工程技术意义,也具有重要的科学研究价值。海底管道局部冲刷过程概述海底管道铺设于海床面时,管道周围的流场结构会在来流经过管道时瞬间产生变化,管道周围的来流强度会显著增加甚至在周围出现旋涡。由于来流强度的增加以及旋涡的出现,原本泥沙不发生运移的海床可能开始出现泥沙运移的情况,对于本就存在泥沙运移现象的海床而言
6、,海底管道的存在会进一步加强泥沙运移的强度,从而形成冲刷现象,这种冲刷称之为海底管道局部冲刷(图 和图 )。海底管道局部冲刷现象存在时,管道下方就会出现冲刷坑,且冲刷坑的深度随着冲刷时间的延续而不断增加,从而导致管道悬空,严重危害管道安全,因此,开展海底管道局部冲刷方面的研究十分必要。海底管道局部冲刷研究所关注的问题包括以下 类:泥沙起动机理研究、泥沙运移问题研究、渗流问题 。图 海底管道布置图 图 管道周围冲刷坑形态 ()泥沙起动机理研究。泥沙起动机理研究是开展海底管道局部冲刷研究的首要关键点。泥沙起动研究从本质上讲,就是研究水流作用下泥沙开始起动的条件,受泥沙颗粒自身固有的性质、泥沙颗粒所
7、处位置以及泥沙同水流两者之间相互作用等多种因素影响,该问题的研究一直是该研究领域的前沿课题。非粘性沙起动冲刷时主要受自身有效重力和流体作用力(即切应力和上举力)作用,而粘性泥沙除了受到上述 个力作用外,还受到颗粒间粘结力的影响。对于非粘性泥沙,考虑泥沙启动问题需考虑流体作用带来的流体启动和重力作用阻止泥沙运动这两者间的关系,而对粘性泥沙来说,粘性细泥沙在淤积固结条件下会形成一定的稳定结构,颗粒间粘结力增大,成为抗拒水流冲刷力的主要因素。因此考虑粘性泥沙启动问题时就不能忽视淤积固结条件下粘性细泥沙形成的稳定结构和颗粒间粘结力。迄今,科学研究和工程应用方面主要采用下列 种方式来判定泥沙颗粒是否起动
8、,即起动拖曳力(又称切应力或者剪切力准则)、起动流速准则、起动功率准则 。针对非粘性泥沙的启动,目前研究上应用最广泛的是时空平均临界希尔兹剪应力(拖曳力)理论,即河床来流作用下的剪切力(拖曳力)大于泥沙起动所需要的剪切力时,泥沙就会在水流作用下开始起动,否则泥沙颗粒保持静止,冲刷现象也不会发生。为临界希尔兹参数,由下式定义 ()()式中:为海底坡度倾角;为泥沙的休止角;为平坦海床面上的临界希尔兹参数,可以由 等提出的相关公式求解 ()()式中:为无量纲的泥沙粒径。()泥沙运移问题研究。学者通过研究提出,泥沙颗粒按照其运动形式的不同,可以分为接触质、跃移质、悬移质及层移质 个部分。对于均匀、非粘
9、性泥沙来说,运移主要可以分为 种方式,即推移和悬移 。泥沙启动后,多以滚动和滑动形式运移,成为推移质运输;随着流速的增加,部分泥沙运移仍以推移质为主,另一部分则开始悬浮,以悬移质运动。当然也可能存在颗粒较细的海岸底部浮泥运动和颗粒较粗的海岸底部推移质运动。种运移方式可能随时会发生转变。泥沙运移形式受泥沙自身性质影响,具有“粘性”的泥沙运移形式和均匀、非粘性泥沙的运移形式存在出入,较小粒径的粘性泥沙主要偏向于悬移质运输。()渗流问题。海底管线上下游存在一定的流体压差,使流体从高水头到低水头,因而使管线下部流体 年 月闫莎,等海底管道局部冲刷研究综述流速较大。在流体流动过程中,土体会对流体产生阻力
10、作用,而流体也会给土体一种反作用力,即渗流力。渗流力将会带走土体,致使位于管线下部的土体发生管涌现象 。实验结果表明,对于非粘性底床来说,管涌现象是造成海底管道冲刷的主要原因。管涌和涡流共同破坏了管道附近床面的平衡,这标志着冲刷的开始。值得说明的是,上文所提出的相关公式均来自于均匀、非粘性泥沙的冲刷实验,本文后续所建立的方程也主要是针对于均匀、非粘性泥沙底床而言。粘性泥沙颗粒之间的粘性效应难以考虑,因此目前针对粘性泥沙底床冲刷的研究相对较少 。然而海底环境复杂,管道所经过海域的绝大部分海底底质以淤泥质为主,研究粘性底床的海底管道冲刷特性,对真实海底管道冲刷问题预测具有重要意义。此外,管道下方冲
11、刷坑形态及最大平衡深度也是研究海底管道局部冲刷的重要问题。迄今,已有诸多学者对此方面开展了研究,研究发现平衡冲刷深度对整个冲刷过程及管道后方出现的旋涡脱落现象起着较大的作用。研究同时发现,粘性底床的冲刷深度还会受稠度系数的影响。管道下方的冲刷深度在上游水流携带的泥沙颗粒量与河床面向下游输送的泥沙颗粒量一致时达到最大深度,并将其命名为平衡冲刷深度。基于以上对于海底管道局部冲刷不同问题的研究,有学者提出可以将海底管道局部冲刷的整个过程分为 个阶段,即:()初始冲刷阶段:由于来流作用,管线上下游存在一个压力差,压力差会使流体给床面一个渗流力。土体随渗流力的增加不断被带走,管线下方开始出现管涌现象,从
12、而造成悬空,这一阶段称为初始冲刷阶段;()孔道冲刷阶段:随压力差的不断增加,在上一阶段形成的管涌现象将从管道后方延伸于前方,从而在管道下方出现孔道。孔道处水流流速很快,泥沙便会通过孔道不断向管道后方冲刷,而且在管道后方逐渐集聚,形成小规模沙脊,在管道下方形成冲刷坑;()尾迹冲刷阶段:随着时间的推移,冲刷深度不断加剧,当海床与管道的间距达到某一值后,管道尾迹区就会发生尤为显著的旋涡脱落过程。由于旋涡脱落现象会进一步增加同床面的剪应力,下游管道的冲刷现象将更剧烈。尾迹涡具有一定的周期性,所以观测到的位于尾迹区内的泥沙推移现象也具有周期性;()平衡冲刷阶段:随着冲刷的进行,尾迹涡逐渐趋于稳定,冲刷坑
13、的深度和形态也趋于稳定,床底表面冲刷形态也大致保持不变,该阶段为平衡冲刷阶段。现阶段对于海底管道局部冲刷的研究,大多集中在尾迹冲刷和平衡冲刷阶段的研究(图 )。图 管道周围冲刷过程 国内外研究现状目前,世界各国的研究学者针对海底管道局部冲刷开展了很多工作,主要采用的方法大致可以分为以下 类,即理论分析、模型试验以及数值模拟。前期阶段,由于计算机发展的诸多限制,学者多通过模型试验的方法来研究问题。关于海底管道局部冲刷的模型试验开展了比较丰富的研究,得到了比较丰硕的成果,但模型试验取得的结果无法与技术实践相结合并加以验证 。数值模拟法随着计算机发展的不断完善也开始进一步走向成熟,能够与理论分析、模
14、型试验等方法相结合,直观有效地再现海底管道局部冲刷的全过程,从而可以更好地预测冲刷坑深度和形态等,促进了关于海底管道冲刷的科学探究和实际应用。下文将按照理论分析、模型试验、数值模拟等 类不同方法来概述国内外研究发展历程及现状。理论研究海底管道局部冲刷通常会涉及到一些物理过程,如来流运动、管道动荡、泥沙输送等,以及发生于所涉及到的物理过程之间的强耦合作用 。海底管道局部冲刷是多学科交叉研究的一个前沿课题,受多种复杂系统所响应,关于海底管道局部冲刷的研究由来已久,下列主要以时间发展为脉络,对具有代表性的海底管道局部冲刷理论研究进行纵向概述。水道港口第 卷第 期早在 世纪 年代,等 对埋藏于海底的海
15、底管道稳定性和管道周围存在的冲刷现象展开了研究,并提出新的思路预测海流作用下海底管线下方的冲刷深度。最先开展了针对海底管道局部冲刷问题的实验研究,发现冲刷平衡深度受到管道几何尺寸和来流速度的显著影响,并提出了一个预测冲刷平衡深度、管径和来流速度三者间关系的经验公式,从而更加丰富地完善了关于海底管道局部冲刷这一课题的理论体系。在 的研究基础上对该问题进行了更深层次的研究,并进行了丰富和优化,提出了隧道冲刷和尾涡冲刷 个过程,并且考虑了冲刷受泥沙颗粒大小的影响。自 世纪 年代末以来,世界各国的众多专家学者就海底管道局部冲刷这一问题开展了大量深入性的研究工作。其中,提出海底管道上下游之间在海洋来流作
16、用下将会出现一个压力差,这种压力差将会致使流体对土体的渗流力产生,虽然这种渗流力不足以使砂体运动,却会加剧来流对砂体的冲刷。等 则发现了床面与震动管线在洋流作用下的相互作用关系,以及冲刷如何受管线尾部湍流的影响,并且得到了一个拟合公式可以用于冲刷平衡深度的计算。研究讨论了单向定常流条件下海底管道局部冲刷的作用原理以及预防冲刷发生的方法,通过探讨得到局部冲刷受来流对土体渗流作用的影响,但管道周围存在的涡流以及由压力差引起的管涌效应才是导致局部冲刷发生的首要因素。此外,只有在管道上下游的压力梯度大于泥沙颗粒的悬浮重力时才会发生局部冲刷。提出一个与给定流动条件下的函数可以预测给定流量和几何边界海底管
17、道的最大冲刷深度。阎通等 以堤北海域水下三角洲的地质条件及现实工况为依据,对埋置管道和裸置管道进行研究,对比分析两者稳定性强弱,通过计算预测埋置管道冲出掩埋所需要的时间以及管道下的最大冲刷平衡深度。和 则根据 所研究的用于计算最大平衡冲刷深度的经验公式,进一步推导出了新的经验公式可以用于计算海底管道冲刷坑在随机波浪作用下的宽度和深度,并且可以用于计算位于桩附近的冲刷坑深度。潘冬子等 进行了海底管道局部冲刷在波载荷作用下的研究,发现了波载荷作用下冲刷发生的临界条件、冲刷机理及冲刷形态,将局部冲刷过程分为管道周围产生旋涡阶段、管道下方开口阶段、管道下方掏空阶段、旋涡趋于稳定阶段、冲刷平衡稳定阶段个
18、阶段,并推导出了管道平衡冲刷深度与 数及相对埋深的经验公式。杨兵等 就海洋来流、海底管道和海床三者间的耦合作用通过采用量纲分析法,展开了研究探讨,从而建立海底管道周围局部冲刷的相似准则。模型试验早期计算机水平有限,并且因为冲刷是一个循环往复的过程,来流所形成的冲刷坑容易被泥沙颗粒等沉积物重新填充,在工程开发上想要现场观测冲刷坑的形态和最大深度比较困难,因此研究海底管道局部冲刷相关问题时现场试验比较少,大部分研究局部冲刷的方法是在实验室里面得到的。迄今为止,国内外有许多学者通过在实验室环境下建立物理模型,对海底管道模型进行了一系列成功的局部冲刷试验,通过这些物理实验可以更加直观有效地观测海底管道
19、局部冲刷的全过程。下文根据模型试验研究侧重点的不同以及按照模型研究时间进展,从横向和纵向上分别选取对海底管道局部冲刷的具有代表性的模型试验进行阐述。首先对来流作用下管道局部冲刷的模型试验研究大多是根据已建立的实验室内试验模型来探讨海底管道局部冲刷特性同其影响因素之间的关系,从而可以推导出相关经验公式来表示各个影响因素同最大冲刷平衡深度之间的关系。代表性人物有:最先采用模型试验的方法进行有关海底管道局部泥沙冲刷问题的研究工作,通过实验发现了海底管道的冲刷深度受海底管道几何尺寸、来流速度等因素的影响且该影响不可忽视,并且开创性地提出了揭示海底管道下方冲刷深度、海底管道几何尺寸、来流速度三者之间关系
20、的经验公式。等 在 的实验基础上加以改进,研究发现了泥沙粒径大小对冲刷过程的影响,并得出随埋深比的增加,平衡冲刷深度将会减小的结论。和 进行了试验模拟并对实验所得结果进行了分析探讨,得出了临界希尔兹参数对冲刷的影响,根据临界希尔兹参数的大小,冲刷问题应该可以分为清水冲刷()和动床冲刷()两类,其中 为临界希尔兹参数。在清水冲刷条件下,只有管道附近才会发生冲刷现象,距离管道较远处冲刷现象都不会存在;而在动床冲刷条 年 月闫莎,等海底管道局部冲刷研究综述件下,整个管道周围的床面都将会发生冲刷现象。进行了一系列研究海底管道局部冲刷的模型试验,特别是极具代表性的水槽试验,与海底管道局部冲刷实验研究形成
21、对比。则采用试验模型的方法对含导流板的管道在海底局部冲刷现象的相关问题展开了分析探讨,研究发现,带有导流板的管道在海底局部冲刷的程度和深度将会有所增大,管道自埋发生的速度也更快。就清水与动床种不同的冲刷情况展开了试验对比研究,分析研究结果得出,底床切应力系数在清水冲刷条件下,对管道下方的最大冲刷深度有显著影响;但动床冲刷条件下对其无显著影响。随着认识的不断深入,三维实验研究也不断加以发展。等 建立了三维试验冲刷模型,通过试验研究了管道在不同的埋置深度、来流速度和迎流角情况下对横向冲刷的影响,研究发现管道横向冲刷速度随着埋置深度的增大而减小,随着来流速度的增大而增大。国内学者针对这一问题进行了很
22、多研究,杨兵等 对海底管道周围海床冲刷问题进行了实验模拟,并展开系统研究,通过实验研究分析了局部冲刷的作用原理以及冲刷坑最大平衡深度等,并对已有的成果进行总结和分析。吴钰骅等 进行了海底管道水槽模型试验,研究了海床上泥沙的起动机理并阐述了间隙比对砂床流速的影响。臧志鹏等 开展了单向流条件下海底管道冲刷的三维研究工作,研究侧重于探讨海底管道纵向冲刷速率如何受不同来流速度、管道最初埋深深度和来流迎角的影响。常留红 通过试验研究在不同动力条件下,不同作用角时三维管道冲刷的影响因素以及冲刷过程,并给出了冲刷平衡经验公式。杨少鹏等 通过控制变量法进行了单向流条件下的试验研究,探讨了平衡冲刷深度受海底管线
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