南海管道悬跨动态发展特征及防治措施_孙青.pdf

化学工程与装备 2023 年 第 2 期 92 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 2 月 南海管道悬跨动态发展特征及防治措施 南海管道悬跨动态发展特征及防治措施 孙 青，闫庆勋，于 洋（中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300459）摘 要：摘 要：海底管道悬跨随不稳定海床的动态变化是加剧悬跨治理难度的一个主要原因，而局部冲刷和沙波是形成不稳定海床的两种主要形式。针对南海北部海底管道悬跨产生和发展特点，总结了局部冲刷和沙波对海底管道悬跨动态变化的作用形式。然后基于现场调查结果，对南海位于沙波区的某管道进行了悬跨数量和尺寸变化对比，分析了典型跨段的悬跨变化情况及主导因素。最后，针对不稳定海床上的海管悬跨问题提出了进行悬跨预测和治理措施优选的思路，为海底管道的安全运营提供参考。关键词：关键词：海底管道；局部冲刷；沙波；悬跨处置 在南海油气田开发中，海底管道悬跨作为威胁管道安全的重要因素一直以来都是国内外学者研究的热点问题。与渤海等浅水海域的油气管道不同，铺设于南海的管道因受水深、作业条件等限制，一般直接铺设于海床表面，在管道铺设后随着时间推移，很多管道的悬跨状态会发生动态变化，主要表现为：新悬跨的产生、原有悬跨的消失以及悬跨尺度的变化。虽然对管道的定期检查能够及时了解管道状态和悬跨尺度，也逐渐发展出了各种各样的悬跨处置措施，但目前工程上对于在役管道所处海床的状态分析和悬跨动态预测尚显不足，往往出现未进行处理的悬跨缩小，而进行了人工处理的悬跨反而变得严重，处置效果较差，给管道的运营方造成困扰南海北部管道新出现的悬跨大部分是由海床沉积物运移造成的，包括局部冲刷与沙波。因此明确海底管道的悬跨的动态发展机制，对海底管道全生命周期的安全性以及完整性管理起着至关重要的作用。1 局部冲刷作用下悬跨发展机制 1 局部冲刷作用下悬跨发展机制 海底管道的局部冲刷是由于海底管道的存在改变了管道周围的流场，海管附近泥沙的运移能力增强，导致海管下方海床沉积物的减少从而形成冲刷坑。在同样的外界环境下，置于海床表面的管道相比于埋设的管道，更容易产生局部冲刷并引起悬跨。Bijker 和 Mao 等人1-3的研究表明在海流的作用下，管道附近会产生漩涡，这些漩涡会引起海床沉积物的悬浮和运移，同时海管上下游会产生压力差，压力差引起渗流，带走管道下方的泥沙。对于砂质海床会发生管涌，粘质海床会发生流土。Jensen4指出管道附近海床的不平整或管道本身缺陷会使管道与海床之间产生间隙使局部流速增大，引起管道底部泥沙的运移，通过间隙的水流速度是未扰动的流速的2-5 倍，对于部分掩埋的管道，冲刷同样存在。Sumer5给出了砂土海床上产生冲刷坑的临界条件公式，可以计算管道路由不同位置处产生冲刷坑的临界流速，根据区域底流和土质特征可初步判断最容易出现冲刷坑的位置。局部冲刷的极限平衡状态是冲刷扩展进程终止，冲刷坑尺度不再变化时的状态，重点关注冲刷坑的最大深度和沿管道轴向的扩展长度，决定了冲刷引起的最大悬跨高度和长度。局部冲刷是一个复杂的“水-管-土”耦合作用过程，从局部冲刷的启动到极限平衡状态需要经过一段时间，这个时间的长短是评价冲刷强弱的一个重要指标。2 沙波作用下悬跨发展机制 2 沙波作用下悬跨发展机制 海底沙波是一种起伏并且剖面成波状的海床形态，南海北部的多条管道都经过沙波区，并造成了不同程度的悬跨，包括东方 1-1 气田海管、番禺/惠州天然气海管、陆丰油田群海管等6。沙波的存在预示着较强的水动力作用和泥沙搬运能力，沙波的起伏形态使铺设的海管与海床间不可避免地存在间隙，导致水流速度在间隙处放大，引起局部冲刷的加速扩展从而形成管道悬跨。沙波区管道悬跨的动态发展在一定程度上取决于沙波的运移方向和速率。当管道铺设方向沿沙波迁移的方向，位于沙波迎流面的管道逐渐出现悬跨，背流面的管道逐渐掩埋。对于垂直于沙波运移方向铺设管道，当波谷运移至管道位置时，管道可能出现悬跨，波峰运移至管道位置时管道被掩埋，悬跨和掩埋程度与沙波波高有关。此时由于主要水动力方向垂直于管道，局部冲刷和沙波运移同时存在，根据Voropayev7提出的底床变化类型，小型沙波的活动性对冲刷几乎无影响，以局部冲刷为主；对于大型沙波（波高远大于管径）的情况下，局部冲刷不足以破坏沙波的结构，管道悬跨的动态变化以沙波的活动性为主，此时管道会呈现周期性的悬跨和掩埋。3 南海沙波区管道悬跨 3 南海沙波区管道悬跨 南海北部某输气管道路由穿越大面积沙波区域，沙波脊线走向 NNE-SSW 方向，波高 1.3-2.2m，波长 71.1-119.0m，大型沙波上叠合小型沙波形成复合型沙波，受海流和内波驱DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.02.032 孙 青：南海管道悬跨动态发展特征及防治措施 93 动，沙波呈自西北向东南迁移的趋势。管道与沙波纵向斜交，呈约 45夹角。在路由 KP292KP299 之间出现多处悬跨，管道 2014 年的调查结果显示悬跨长度超过 30m 的跨段共 21处，其中大于 40m 的跨段共 2 处；2015 年调查结果显示该区域内悬跨长度超过 30m 的跨段减少为 18 个，其中 2014年进行砂袋支撑 2 处未计算在内。超过 30m 的悬跨平均长度两年均为 33.5m，平均悬跨高度一年内间从 0.72m 减小为0.66m，整体悬跨状况没有太大进展。根据管线调查结果，分别给出3个典型海管段一年的悬跨变化情况，如表1所示。表 1 典型管段悬跨变化情况 表 1 典型管段悬跨变化情况 序号 位置 2014 年 悬跨尺度 2015 年 悬跨尺度 悬跨进展情况 1 KP293.85KP293.90 长：30m/高：0.74m 长：36m/高：0.75m 整体沿管道轴线方向延伸，跨段之间的小沙丘 逐渐平缓并有向北运移趋势。2 KP294.34KP294.39 长：41m/高：0.94m 长：41m/高：1.0m 悬跨段整体向南移动，整体悬跨深度增加。3 KP298.75KP298.79 长：28m/高：0.4m 长：30m/高：0.35m 跨段北部的悬跨肩变平缓，悬跨长度 沿管道轴线方向延伸.根据该管道在沙波区悬跨变化情况，大型沙波整体向南运移，速率约 1.2m/a，叠合小沙丘有变缓并向北运移趋势，沙波的运移对悬跨的长度变化影响较小，考虑该区域局部冲刷对管道悬跨的影响大于沙波迁移。4 悬跨的防治措施 4 悬跨的防治措施 在采取悬跨处置措施之前，应进行南海北部海管悬跨动态发展分析。根据海床沉积物特征、底部流速等判断不稳定海床的产生和扩展趋势，对底部流速较大、沙波尺度较大的区域密切监测悬跨变化情况，并根据严重程度及时治理。需要说明的是，由于南海北部典型路由区的底质主要为非液化性砂土或强度较高的粘土，冲刷进展产生自埋的可能性较低。在南海的管道悬跨治理中，考虑到在役管道安全性和经济性等因素，所采用的方法基本上是以减小悬跨长度为目的，如水泥灌浆袋法、砂袋拋填法、抛石填埋法等。水泥灌浆袋法安全性较高，尤其对于在役管道降低悬跨处置施工风险，不稳定海床上容易造成支撑结构倾斜下陷。砂袋拋填法，将多个内充砂和水泥的编织袋堆垛在管道悬跨处，南海多为支堆形式，砂袋之间的缝隙具有一定的拢沙作用，但因沉降和冲刷也会出现砂袋滑落倒塌的情况。抛石填埋法，受限于作业方式和经济性等因素，南海主要采用支堆形式。碎石对海床的覆盖对冲刷有一定的抑制作用，并且便于维护。由于石块的落边效应，石堆形状会随着海床形状变化而重塑。抛石填埋法在番禺/惠州海管和东方 1-1 海管中都完成了应用实践，并且效果较好。综合考虑，对于置于不稳定海床上的海管悬跨，建议采用砂袋拋填法或抛石填埋法进行处置，根据施工资源、作业成本灵活选择。参考文献 参考文献 1 E.W.Bijker,W.Leeuwestein.Interaction between pipelines and the seabed under the influence of waves and currentsJ.Seabed Mechanics,1984(1):515-529.2 Mao Y.Seabed scour under pipelinesC/Proceedings of 7th International Symposium on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,Houston Texas,1988:33-48.3 Yee-Meng Chiew.Mechanics of local scour around submarine pipelinesJ.Journal of Hydraulic Engineering,1990,116(4):515-529.4 Jensen B L,Sumer B M,Jensen H R,et al.Flow around and forces on a pipeline near a scoured bedC/Proceedings of 7th International Symposium on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,Houston,Texas,1988:39-48.5 B.M.Sumer,Fredse J.Scour below pipelines in wavesJ.Journal of Waterway,Port,Coastal and Ocean Engineering,1990,116(3):307-323.6 刘极莉,李庆,于洪旭,等.南海沙波区海底管道项目概况及应对措施J.石油和化工设备.2021,24:69-74.7 Voropayev S I,Testik F Y,Fernando H J S,ea al.Burial and scour around short cylinder under progressive shoaling wavesJ.Ocean Engineering,2003,30:1647-1667.