波浪作用下的海底管線沖刷與防護(hù)技術(shù)研究.pdf

1、作為一種從近岸平臺(tái)向陸地輸送油氣的主要載體,海底管線在海洋工程中得到了廣泛的應(yīng)用。然而,與其它海洋工程結(jié)構(gòu)物一樣,海底管線受到復(fù)雜的海洋環(huán)境的影響。對(duì)于鋪設(shè)于沙質(zhì)海床上的管線來說,床面的局部沖刷會(huì)導(dǎo)致管線的懸空繼而引起渦激振動(dòng)造成管線失事。因此,海底管線周圍床面的局部沖刷及其防護(hù)方法引起了學(xué)者們及工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。
　　波浪引起的管線失穩(wěn)被認(rèn)為是海洋工程中管線應(yīng)用的主要問題。當(dāng)海底管線裸置于沙質(zhì)海床上時(shí),在近岸波浪的作用下,

2、管線與床面接觸的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生壓力差,導(dǎo)致其下方海床內(nèi)產(chǎn)生滲流,且滲流隨著兩側(cè)壓力差的增大而增加。管下的滲流會(huì)造成下游床面發(fā)生液化,泥沙開始起動(dòng),管涌現(xiàn)象發(fā)生,沖刷開始,繼而管線底部被掏空,沖刷坑逐漸形成。
　　本文對(duì)管線沖刷的機(jī)理進(jìn)行了分析,通過對(duì)管線尾流區(qū)床面可動(dòng)層中的泥沙顆粒進(jìn)行力學(xué)分析,推導(dǎo)出了波浪作用下,沖刷起動(dòng)的臨界壓力差和臨界波高公式。通過力學(xué)平衡原理,導(dǎo)出了清水沖刷條件下,沖刷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),沖刷坑表面泥沙顆粒的沖止流

3、速公式:采用流體的連續(xù)性條件,建立了管線安裝剛性導(dǎo)流板后沖刷深度的計(jì)算公式。
　　在國內(nèi)外學(xué)者對(duì)剛性spoiler及柔性材料防護(hù)方法研究的基礎(chǔ)上,本文提出管線底部安裝柔性導(dǎo)流板對(duì)海底管線進(jìn)行防護(hù)。當(dāng)柔性導(dǎo)流板較短時(shí),其在波浪力的作用下來回?cái)[動(dòng),對(duì)管線下方床面的泥沙起到了很好的擾動(dòng)作用,加速泥沙輸移和床面沖刷,促使管線自埋。當(dāng)柔性板長(zhǎng)度較大時(shí),其對(duì)床面的覆蓋區(qū)域增加,管下壓力梯度減小且柔性板擺動(dòng)幅度降低,床面沖刷減小,因而對(duì)管線下方

4、床面具有一定的防護(hù)作用。
　　通過物理模型試驗(yàn)對(duì)不同波型、管徑、導(dǎo)流板長(zhǎng)度、管線固定方式條件下管線表面壓強(qiáng)分布、沖刷深度、沖刷寬度的結(jié)果進(jìn)行了測(cè)量和分析,得到了如下結(jié)論:
　　1.規(guī)則波作用下管線表面壓強(qiáng)分布:管線兩端固定時(shí),剛性導(dǎo)流板的安裝導(dǎo)致管線水平壓差增大,管線沿水平軸線做前后振動(dòng)。安裝柔性導(dǎo)流板后,其存在使管線水平壓力差減小,管線在水平軸心上的振動(dòng)減小。兩端自由滑動(dòng)時(shí),在沖刷坑形成后,管線表面的壓強(qiáng)隨著管線的下沉而逐

5、漸減小,且管線在豎直方向上受到一個(gè)向下的壓力促使管線沉入沖刷坑內(nèi)。
　　2.沖刷深度的分析:兩端固定時(shí),沖刷深度均隨Kc數(shù)的增大而增大,最終趨于穩(wěn)定。剛性導(dǎo)流板作用下,沖刷深度隨剛性導(dǎo)流板高度(S)的增加而增大;柔性導(dǎo)流板作用下,沖刷深度隨導(dǎo)流板長(zhǎng)度(L)增大呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢(shì),在L=1.5D時(shí)達(dá)到最大。兩端自由滑動(dòng),當(dāng)管線頂部安裝剛性導(dǎo)流板時(shí),沖刷深度隨導(dǎo)流板高度和Ke數(shù)的增加而增加。當(dāng)安裝柔性導(dǎo)流板時(shí),沖刷深度隨導(dǎo)流板

6、長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),沖刷長(zhǎng)度為臨界值時(shí)(0.7D),沖刷深度達(dá)到最大值(0.5D),其明顯大于剛性導(dǎo)流板時(shí)的沖刷深度。隨著柔性導(dǎo)流板長(zhǎng)度的增加,沖刷深度逐漸減小,當(dāng)=2.0D時(shí),沖刷深度略小于管線無導(dǎo)流板的情況。非規(guī)則波作用下,管線的沖刷深度明顯小于規(guī)則波的情況。
　　3.沖刷寬度:兩端固定時(shí),沖刷寬度隨剛性導(dǎo)流板高度S的增加而增大,安裝柔性導(dǎo)流板時(shí),寬度隨導(dǎo)流板長(zhǎng)度L增大出現(xiàn)波動(dòng)變化,在L=1.5D時(shí)最小,在L=2