局部拋石用于深水海底管道懸跨治理研究與應用

孫　青，余承龍，馮曉偉中海油田服務股份有限公司物探事業部，天津　300452

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局部拋石用于深水海底管道懸跨治理研究與應用

孫青，余承龍，馮曉偉
中海油田服務股份有限公司物探事業部，天津300452

摘要：針對局部拋石法用于深水海底管道懸跨治理的失穩模式及穩定性進行了研究。首先以Shields準則為依據，對不同大小石塊和坡角能抵抗的海流大小進行了計算；然后用Fluent軟件建立局部石堆三維模型并分析周圍流場；并在試驗水槽中進行水流沖擊石堆模型試驗，觀察石堆的失穩模式和不同大小的石塊抵抗水流沖擊的效果。根據研究，了解局部石堆用于治理海管懸跨的效果，明確石堆失穩模式并避開容易造成石堆失穩的薄弱環節，使石堆形式和尺寸設計更加合理，以達到更加長期穩定的治理效果。此外，根據研究結果將局部拋石法成功應用于番禺海管的懸跨治理。

關鍵詞：海底管道；懸跨治理；局部拋石；數值模擬；水槽試驗

海底管道懸跨問題一直以來都是海底管道安全運營的一大威脅，對于海底管道（以下簡稱海管）的危險懸跨段必須采取措施使其消除或縮短以保證海管的安全。在眾多海管懸跨治理方法中，拋石法是用于海管懸跨治理的一種常用方法，它是將碎石沿懸跨管道拋擲，形成一個長條形石壩，對管道起支撐和覆蓋作用。但對于深水海管來說，為了實現拋石作業的高效率和準確定位需采用專業的落石管拋石船進行作業。鑒于國內尚無此類拋石船舶，而租賃國外船舶費用昂貴，因此，提出減少拋石長度，采用局部拋石堆區別于國外的全管道拋石的理念，僅在懸跨段中間拋擲一處塔形石堆（如圖1所示），起到減少懸跨長度的目的。鑒于局部拋石的理念未在國內海管上進行過應用，局部石堆在水流沖擊下的失穩模式及穩定性不明確，因此有必要對其進行研究。

圖1　海底管道局部拋石示意

1　Shields準則

拋石法最重要的就是保證石堆在水流等環境載荷作用下能夠長期保持穩定，為海管提供持續有效的支撐［1］。本文研究的深水海管主要受到的環境載荷為海流，石堆受水流沖擊的失穩破壞通常是由初期少量石塊的失穩而導致的一個連鎖破壞過程，因此單個石塊的起動問題是影響石堆穩定性的關鍵因素［2］。根據Shields準則［3］可以計算出在受某一流速海流沖擊下，保持穩定的最小石塊的中值粒徑D50。Shields數Ψ為環境載荷作用在石塊上的剪切應力值（無量綱），可以按下式計算：

式中：ρr為石塊的表面質量密度，kg/m3；ρw為海水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；D為石塊中值粒徑D50，mm；τ為剪應力，Pa。

海流引起的剪應力τc（單位：Pa）按下式計算：

式中：U為斷面平均流速，m/s；C為Chézy系數，m1/2/s。

式中：h為水深，m；ks為水動力粗糙度，m。

當Shields數超過石塊起動的臨界值Ψcr時，判定石塊起動。《CIRIA巖石手冊》中給出臨界Shields數的推薦值：Ψcr= 0.03～0.035，石塊開始起動；Ψcr= 0.05～0.055，石塊有限制的運動。

根據上述公式可以計算得到150 m水深處，不同的海流流速所對應的最小穩定石塊中值粒徑，如圖2所示。

圖2　流速與中值粒徑關系曲線

當石塊位于一定坡度的石堆面上時，其水平面上石塊臨界剪應力由下式獲得：

式中：τβcr為石塊位于坡上的臨界剪應力，Pa；τcr為石塊位于平底上的臨界剪應力，Pa；ψ是水流相對坡度的遭遇角，（°）；φ為休止角，（°）；β為坡度傾角，（°）。

在2.23 m/s海流流速（番禺海區海底百年一遇流速）下，不同坡比對應的最小穩定石塊粒徑D50見表1。

表1　不同坡比對應的最小穩定石塊粒徑D50

2　數值模擬

局部拋石堆與全段整體拋石相比，石堆兩側與管道中間的空隙容易引起壓差形成漩渦［4］，可能造成石堆側流面的快速失穩。用Fluent軟件建立管道與局部石堆三維模型，模擬石堆周圍流場分布。

2.1幾何模型與網格劃分

本文采用工程實際管道懸跨以及局部拋石堆尺寸。管道懸跨長度為30 m，其直徑為0.5 m；局部拋石堆位于管道懸跨中央部位，其底邊長為10 m，寬5 m，頂邊長為8 m，寬1 m，呈正梯形臺形狀，建立的管道局部拋石堆模型如圖3所示。

圖3　局部拋石堆與管道模型示意

基于局部拋石堆與管道模型的對稱性，取模型的一半進行分析，在ANSYS Workbench平臺Design-Modeler中創建外部流場區域，其中上游截面及下游截面距離管道中心分別為10、20 m，流場厚度為5 m，具體模型如圖4所示。

圖4　外部流場區域模型/m

網格生成是計算流體力學（CFD）應用中的關鍵技術之一，生成網格質量的好壞直接影響到模擬計算結果的精度和所耗用的CPU時間。在敏感區域，參數變化梯度大，需要捕捉流場的重要信息，故而需要選取較密網格；而在流動參數變化梯度較小區域，為節省所耗用CPU時間，取較稀網格。本模型網格劃分采用混合網格，網格單元為四面體和六面體。管道與拋石堆附近參數梯度變化較大，采用四面體網格，并且其表面網格通過減小表面單元尺寸進行細化處理；其他區域采用規則的六面體網格，如圖5所示。

圖5　外部流場網格劃分

2.2湍流模型與邊界條件

本文拋石堆模型計算過程取均勻來流，流速為2.23 m/s，湍流模型采用RNG κ-ε模型，近壁處采用非平衡壁面函數。在基于有限體積法的空間離散格式上，為克服假擴散，選擇具有二階精度的二階迎風格式，時間積分選擇二階精度的SIMPLE半隱式方法。流場邊界設置如下：

（1）入口邊界——速度入口。

（2）出口邊界——出口壓力是不可預知的，采用自由出口邊界（outflow）。

（3）壁面邊界——管道表面、局部拋石堆表面以及底面均采用無滑移壁面邊界條件。

（4）對稱邊界——由于本模型模擬海管懸跨局部拋石治理情況，流場區域的上頂面和左、右邊界均設為對稱邊界條件。

2.3計算結果與分析

計算收斂后，在后處理模塊分別取模型拋石堆中心（x = 0 m）、拋石堆頂邊（x = 4 m）、拋石堆與管道交界（x = 4.75 m）以及管道懸跨2/3處（x = 10 m）的縱剖面，查看拋石堆以及管道附近處的流場分布情況，具體如圖6～9所示。

由圖6～7可知，當海流流經拋石堆時，拋石堆頂部來流側流速顯著增大，此時可能會導致石堆頂部侵蝕加重，進而發生失效；在石堆背流面流速大大減小，但是由速度矢量圖可以看出，水流在石堆底部形成漩渦，容易引起海底泥沙擾動，從而形成底部侵蝕，造成沙坑，導致石堆失穩。

圖6　x=0m處流場分布/（m·s-1）

圖7　x=4m處流場分布/（m·s-1）

從圖8可知，在管道與拋石堆交界處，管道上部流速大大增加，此時容易吹起管道與拋石堆交界處上部的石子，導致石堆發生侵蝕。在管道懸跨處，管道上下兩側的水流流速都增大，此時會導致海底泥沙的擾動，從而形成沖刷，導致管道懸跨加劇。

圖8　x=4.75m處流場分布/（m·s-1）

圖9　x=10m處流場分布/（m·s-1）

由圖9可知，在管道懸跨處，管道與海床之間的流速增大，此時會引起海底泥沙的擾動，形成沖刷，導致管道懸跨加劇。

圖10為局部拋石堆與管道表面壓力分布情況。

圖10　局部拋石堆與管道表面壓力分布/kPa

由圖10可以看出，拋石堆底部壓力最大，頂部壓力最小，從下至上逐步遞減，這樣容易造成石堆頂部石子發生擾動，被水流沖走，導致失穩；管道上壓力最大部位并不是位于來流方向，而是來流方向靠下位置，這樣會使得管道發生上頂現象，更容易使得管道與石堆交界處的石子產生擾動，從而失穩。

3　水槽模擬試驗

為了模擬局部石堆用于治理海管懸跨的效果及穩定性，在長方形透明玻璃循環水槽中進行水流沖擊模型試驗。水流由泵控制實現無級調速，并用流速計對上游流速大小進行實時監測，從水槽頂面和側面可觀測、拍攝試驗情況，如圖11所示。

圖11　水槽模擬試驗示意

試驗中石堆和管道模型遵循幾何相似，流體遵循弗洛德相似：選取試驗尺度比為λ，由弗洛德數Fr= U /（g·l）0.5，l為特征長度，則流速比為。本試驗以番禺海管為原型進行模擬，選取模型與實際縮尺比為1∶5。管道模型外徑為100 mm，石堆分為內、外兩層，分別采用不同大小石塊，外層石塊用于抵擋水流沖擊，內層石塊用于充分填補管道下方的懸跨間隙，石堆模型及參數如圖12所示，水流方向垂直于管道軸線。

圖12　石堆模型

石堆拋好后，逐漸增加水流速度，觀察石堆變化情況，石堆俯視圖如圖13所示。

圖13　水流沖擊石堆現象

當流速較小（小于0.9 m/s）時，石堆基本保持原狀，只有個別石子有滾動現象，但很快在新的位置獲得穩定，隨著流速增加，管道底部開始發生緩慢掏空，管側下部邊緣石子滑向下游，石堆側流面與管交叉位置向內凹陷；當試驗流速加到1.0 m/s時，管側內層小石子在管側被掏出，石堆受侵蝕速率劇增，石堆再也無法重新獲得穩定，進而很快失穩，石堆在整個水流沖擊過程中逐漸向流線型發展，石堆側面繞流導致管與石堆交叉位置優先發生破壞，由該位置引發石堆整體失穩。試驗中，通過將側流面外層石堆加厚，石堆整體抵擋水流穩定性明顯加強。因此，增加外層石堆厚度可有效提高石堆穩定性。

通過一系列不同石塊大小組合，考察其承受逐漸增大的水流沖擊的試驗結果，得到不同石塊大小能夠抵擋的最大水流速度，見表2。

表2　不同石塊大小能夠抵擋的最大水流速度

此外，試驗中還進行了全段拋石的二維模擬，發現石堆最先發生失穩的位置在石堆頂部，且其能抵擋的最大流速與局部石堆相比，并沒有明顯增加，說明局部石堆形式對水流的抵擋能力足夠強，選取合適大小的石塊便可抵擋極限海流流速，且拋石工作量較全段拋石大大減少。

4　局部拋石海上施工

番禺氣田位于香港以南平均水深約140 m的中國南海，該氣田中一段長約130 km的天然氣輸送管道所處的地質環境復雜，部分管段受局部沖刷嚴重，懸跨問題嚴峻。從2006年海管建成以來，針對海管懸跨問題分別進行了水泥漿袋和砂袋修復處置，后續的調查發現兩者抵抗沙波移動和海床淘蝕的能力不足，有部分水泥漿袋和砂袋傾覆失效，同時還有多處新的懸跨段出現。

經過評估分析，于2014年5月在番禺海管的懸跨段中選取一處實施了局部拋石的海上施工，該處懸跨長度32.4 m，最大懸跨高度0.32 m，所處海床無溝壑，但分布有中型沙波。拋石后石堆的3D示意如圖14所示，石堆分布于懸跨管段的中部，長度為11m，覆蓋管頂0.25 m。2015年4月又對海上拋石點進行了調查，如圖15所示，發現石堆整體效果保持較好，石堆對管道起到有效支撐作用，并且石堆整體下沉在可控范圍內。

圖14　2014年海上拋石石堆3D示意

圖15　2015年海上拋石石堆3D示意

5　結論

對局部拋石用于治理海管懸跨的理論研究、數值模擬以及水槽試驗研究和海上應用結果表明，局部拋石法應用于深水海底管道懸跨治理的理念是可行的，只要石堆形式和尺寸設計合理，局部拋石法用于海床較穩定的懸跨段治理具有良好的穩定性，并且根據石堆失效模式避開石堆的薄弱環節可使石堆實現長期穩定的效果。局部拋石法在番禺海管上的成功實踐，也為該方法的推廣應用提供了前景。

參考文獻

［1］CHAMIZO D J，CAMPBELL D R，JAS E P，et al. Rock Berm Design for Pipeline Stability［C］// Proceedings of the ASME 2012 31st International Conference of Ocean，Offshore and Arctic Engineering..

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［4］HINWOOD J B，LIPSKI W. Failure Modes of Rock Berms for Offshore Pipeline Protection［C］// Proceedings of the 12th International Offshore and Polar Engineering Conference. Japan：The International Societ of Offshore and Polar Engineers，2002：32- 37.

Research and Application of Local Rock Dumping for Treating Free Span of Deepwater Pipeline

SUN Qing，YU Chenglong，FENG Xiaowei
Geophysical Department，China Oilfield Services Limifed，Tianjin 300452，China

Abstract：The research on instability modes and stability of treating free span of deepwater pipeline by local rock dumping method is conducted. Based on Shields criterion，the current resistance abilities with deferent rock sizes and slopes are calculated；Then the local 3D berm model is built with Fluent software and the around current field is analyzed. The model test under current impact is performed in a laboratory flume to investigate berm instability modes and stability as well as the effect of different rock sizes on resisting water impact，which enables the design of berm form and size to be more reasonable and get more stable treatment effect. These research results have successfully been used in treating free span of Panyu subsea pipeline.

Keywords：subsea pipeline；free span treatment；localrock dumping；numericalsimulation；test in laboratory flume

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.004

作者簡介：

孫青（1987 -），女，天津人，工程師，2013年畢業于大連理工大學船舶與海洋結構物設計制造專業，碩士，現從事海底管道結構分析工作。Email：sunqing2@cosl.com.cn

收稿日期：2015- 08- 25；修回日期：2015- 12- 25