仿生水草在海底管道懸空防護中的應用

＊孟山雅

（中海油能源發展采辦共享中心 天津 300452）

前言

海底管道的位置一般較為復雜，常常因為非法取沙、沖刷、漁網沖擊、鉤拉等因素使海底管道出現懸空、裸漏的問題，對海底管道的運行安全性產生影響，使海底油氣發生嚴重的泄露問題，影響整個海洋的生態環境，需要花費大量的施工成本對海底管道進行維修。傳統的吹砂填坑的措施任務量較大、工作效率較低，根本無法徹底解決海底管道的安全問題，因此，需要采用仿生水草的措施抵御海底復雜環境的沖刷、淤積現象，為海底管道懸空防護提供科學有效的治理方案。

1.海底管道懸空產生的原因及危害

(1)沖刷現象

海底管道附近的構筑物和附近的海床會由于波浪、水流的存在從而引起泥沙運動，從而使原有的流場發生變化，海流速度不斷加快，從而形成漩渦和湍流，從而產生海底沖刷現象，使泥沙水力輸移的平衡狀態被打破，局部水流速度不斷加快的同時，從水流中產生的壓力梯度會對海底形成一種剪切力。如果海床泥沙的速度遠低于水流速度，海底的泥沙將會被急速變化的水流帶走，最終在海底管道處形成懸空危害，或者在海底構筑物附近產生一些凹坑。對于海底管道而言，沖刷現象會導致管道出現懸空危害，長久的狀態下，會使懸空管道因為沒有支撐點從而受海流的沖擊作用引發不間斷的振動，引起管道產生應力疲勞危害，更有甚者，冬天形成的浮冰會撞擊懸空管道，從而引起管道變形、斷裂等問題。

(2)海底地形變化

海底環境較為復雜，深處的海底地形呈現不規則、起伏的特點，從而引起海底管道的安全風險問題。由于海底沙坡、沙脊的變化使地形發生位移，由于沙坡和沙脊經常受到沉積物粒度和水動力條件的影響，這種影響使得地形產生較大的變化，使鋪設的管道出現懸空的危害，因此，需要遠離這兩處位置進行管道的鋪設。海底管道的安全性還會受到海床侵蝕現象的影響，由于海床的范圍較大，根據相關數據表明，海域出現海床侵蝕是普遍存在的現象，一般侵蝕的深度在較小的范圍內，如：雁灘侵蝕的深度為4.7cm，從而使海底管道出現全面或者局部懸空的危害。在管道安裝過程中，還會因為施工技術帶來的安全問題，從而對管道產生直接影響的熱應力，使管道發生局部變形的危害。

(3)管道懸空產生的危害

海底管道由于復雜的海洋生態環境而產生的懸空危害，使海底管道造成的應力疲勞引發嚴重的安全風險問題。海底管道懸空會由于海底的局部管段脫離海床表面，主要是由于海床位移變化、沙坡沙脊的運動使海底發生沖刷現象。施工隊伍需要嚴格按照施工標準，對安裝的管道進行設計，如果設計的管道長度超出范圍，就會使海底管道在海流沖擊的影響下提高管道內部的應力值，使海底管道出現變形的危害。在相應的條件下，震動頻率和管道的振動頻率產生共振，管道會由于一定的振動作用出現破裂現象，嚴重影響生產活動；破裂的輸油管道也會泄露原油，對海底生態環境產生嚴重的破壞，在后期的修補維護過程中，需要投入較大的維修成本，造成相關企業的經濟損失。

2.仿生水草防護作用機理

仿真水草技術應用于海底管道懸空防護過程中，通過模擬建立海底水草環境，海草本身具有的降流促淤作用能夠解決管道附近的沖刷現象，當海底的水流經過鋪設的仿生水草時，由于仿生水草本身的柔性粘性滯阻尼的影響，使水流本身的速度慢慢變小，攜帶的流沙會停留在仿生水草上。仿生草技術一般由低于海水密度的較為先進的高分子材料進行加工，在基墊上設置仿生水草，根據海洋抗沖刷流體力學原理，在管道兩端位置的海床上安裝錨固裝置。在管道附近形成海底沙洲，從而對管道產生一種掩埋性的保護作用，仿生水草的存在會進一步加強防御沖刷現象的作用，為保護管道的安全性創造有利的條件。針對流速較快、含泥沙量較大的海域，一般采用仿生水草技術，可以降低施工成本，施工工藝也較為簡單，能夠在較短的時間內，提高仿生水草帶的制造效率。

仿生水草鋪設的總體效果較好，但會有一些水草被沖走，仿生水草的使用壽命一般超過25年。如果不在海底建立全新的海底構筑物，就不會再次發生沖刷現象，防止沖刷帶來的危害進一步擴大，避免對海底管道的安全性和可靠性產生影響。水下作業任務量繁重，作業環境一般位于海底環境，不能應用于傳統的較淺的海域。

3.仿生水草應用于海底管道的懸空防護效果

(1)仿生水草的適用環境

在治理海底管道的懸空危害時，對海底環境進行實地勘察，根據相關資料分析不同的海底環境，一般將海區內的巖土層分為4層，分別為淤泥質粉質粘土、粉砂、黏質粉土和粉砂，各層的承載力的許可值為60kPa、130kPa、150kPa、180kPa；某些地區的海域海流速度頻率彼此較為接近，海流速度一般分為漲潮流均速、落潮流均速，通常漲潮流速度大于落潮流，但時間往往低于落潮流；或者一些海域含沙量較多，具有廣闊的灘涂，在海底淤積大量泥沙的海域，會由于快速的海流速度攜帶大量流沙進入內海；或者處于0°～45°范圍的由人力引起的迎水面坡度，上述的環境一般適用于采用仿生水草技術，解決海床、沙脊沙坡的沖刷現象。

(2)仿生水草應用試驗

根據相關的勘察數據可知，在海底管道上選擇發生裸漏、懸空現象的區域開展仿生水草試驗，選取的區域一般較為嚴重，根據相應的施工要求鋪設仿生水草，但在鋪設之前，需要用沙袋回填法進行處理，并保證回填的高度必須始終超過管頂0.1m，堆放的沙袋和斜坡迎水面之間的角度設置為30°。仿生水草鋪設的寬度一般為10m，并采用錨固裝置的方式并保證水草鋪設的閉合度，在管道兩端鋪設沙袋、高強織布的方式進行懸空防護，有效防止海流速度對海底管道的二次沖刷。

(3)仿生水草的懸空防護效果

開展完仿生水草應用試驗后，需要對仿生水草的懸空防護效果進行檢驗。有關研究所需要安排課題組在不同的年份對海底管道仿生水草鋪設的海域進行多次多波束探測，使用側掃聲吶和海底管線儀剖面開展測量工作，根據研究調查可知，前幾次的測量情況發現海底管道出現較為嚴重的出露情況，超出大半以上的海底管道已經露出海底表層。根據海底管道的埋藏現狀可知，研究所早年設計出兩種不同規格的仿生水草，并在海底管道的懸空管段周圍鋪設仿生水草，后續階段，需要安排專業的潛水人員對仿生水草的狀態進行檢測。如果經過檢測的結果得知，仿生水草沒有被破壞，則其本身具有的降流促淤的功能可以有效防止沖刷現象。

一般來說，長度越高的仿生水草的防護效果越好，鋪設的仿生水草會吸附海流攜帶的泥沙，在長時間的使用狀態下，大多數海草會出現倒伏、掩埋的現象，但遺留的海草仍可以產生降低海流速度的效果。在海底管道上鋪設仿真水草，相比于鋪設在海底管道的周圍，一般直接接觸管道會產生更好的效果。一般仿真海草鋪設的海域屬于捕魚獵場，大量的漁船會往來到該區域，捕魚網會對管道上鋪設的仿真水草產生嚴重的破壞，無法保證仿真水草對海底管道的懸空防護效果。為了使得仿真水草具有更好的效果，需要在管道上鋪設仿生防沖刷保護系統，防止海底管道遭到嚴重的破壞，并出臺相應的政策禁止在管道保護區域進行相關的生產活動，禁止相關人員在此處開展養殖活動、鉆探挖砂、底拖捕撈等行為，防止對仿生水草的破壞，有利于更好地治理海底管道懸空效果。

但是，根據相關研究可知，仿生水草并不能徹底解決管道懸空問題，針對部分裸漏現象的管道，渦流作用增加海床上的剪切力，使樁腳處產生較大的沖刷現象，一般管線和潮流的方向在40°以下時，仿生水草所產生的降流促淤效果最好。

4.結束語

綜上所述，海底管道由于長期處于較為復雜的環境中，受到各種因素的影響，從而產生懸空、裸漏的現象。施工單位需要根據相關調查資料開展海底管道懸空防護，根據海底管道不同的海底環境進行仿生水草鋪設，通過其降流促淤的功能避免海底管道受到海流沖刷的影響，提高海底管道的防護效果。