海底管道悬空成因及防治措施

摘 要：海底管道冲刷悬空现象给海上油田生产带来极大的安全隐患。本文对海底管道悬空的现状、冲刷机理和破坏的形式及影响进行系统分析并在此基础上对各种治理方案进行比对，本文建议针对海管悬空治理采取水下桩与仿生水草结合的方案。

关键词：海底管道；管线悬空；防治措施；冲刷机理；仿生水草

中图分类号：TE832 文献标识码：A

1概述

海底管道是海上油田生产系统中的一个重要组成部分，维护海底管道的安全是保证安全生产和保护海洋环境的重要环节。以胜利埕岛油田为例，截至2007年12月，已建成海底输油管道76条144.4km，这些复杂的海底管网肩负着埕岛油田原油外输的重要使命。但由于埕岛油田地处黄河口滩海交界地带，场区海洋动力、浅层工程地质、海底动力地貌条件十分复杂，造成该海区大面积区域冲刷，特别是在平台附近，再加上由于导管架存在引起的局部冲刷，造成海底管道立管底部附近出现悬空现象。

这种非设计悬空，给管道带来严重安全隐患，海流在流经管道时将对管道产生作用力，一旦海流达到一定的流速，管道将产生涡激振动，当管道悬空超出其允许长度或者振动达到一定程度，都可能产生破坏及泄漏等。本文根据胜利埕岛油田为海底管道悬跨的现状，就悬空的成因和破坏的机理进行系统化分析，对海底管道悬空危害进行了评估，并对海管悬空治理的各种方案进行比对。

2 埕岛油田海底管道悬空现状及悬空原因

2.1 海底管道悬空现状

胜利埕岛油田地处黄河入海口滩海交界地带，从1993年正式投入开发，2006年3月，海洋采油厂对已治理的22条海管立管重新进行了一次探摸，从探摸的结果看：打水下桩治理的32处立管，除其中的10处立管悬空变化不大外，其余22端立管悬空长度均有不同程度的扩展，扩展了的管道悬空，已经对管道的安全构成了威胁。

另外，海洋采油厂对未经治理的40条管道的67处立管进行了探摸，其中悬空长度大于50米的管道有20处，悬空长度在20-50米之间的管道有22处，悬空长度在20米以下的有17处，未悬空的有8处。

2.2 海底管道悬空原因分析

2.2.1 结构物附近的局部冲刷

由于流经结构物的水流会在局部范围强化并产生高速旋转的旋涡，从而具有较高的冲刷（挟带泥沙）能力，可在局部范围内形成冲刷坑。冲刷坑范围与深度往往与建筑物尺度有直接关系。

2.2.2 水平管道下方的冲刷

海底管道冲刷开始于管道与海床面之间的水流隧道。对于部分埋置的管道来说，这种水流隧道可以因管道两侧存在一定压差形成管涌而产生。当水流隧道形成后，管道两侧的压差使管道下的流速大于行近流速，从而引起管道下的冲刷。根据设计院的初步分析，对于Φ426海底管道，考虑波流共同作用，管道底下最大可能冲刷深度达到0.72m。该原因引起的悬空更多体现在距立管底部一定距离外。

2.2.3 海床侵蚀引起的大面积冲刷

以埕岛油田为例，由于该海区特殊的海洋及海底地质条件，处于不稳定的冲淤状态，根据飞雁滩1976～2000年24年断面测量，5m等深线平均每年蚀退距离达0.19km，海床蚀深12.6cm/年；10m等深线每年蚀退距离达0.10km，海床蚀深4.7cm/年。海床调整的冲淤平衡点大致在12m到15m水深处，在平衡点以上为侵蚀区，在平衡点以下为淤积区，这种剖面调整状态目前尚未有转缓的迹象。对于10m水深处，在海管设计寿命15年内，海床整体冲刷深度可达0.7m。由于该原因引起的海管淘空体现在整条海底管道。

3 埕岛油田海底管道悬空的危害分析

3.1 悬空增加了压力管道额外负担

由于在海管设计时，不须考虑悬空所带来的不利影响，因此在进行海底管道应力重新计算中，这种非设计悬空所带来的强度、疲劳等不利因素都是极其危险的。因为海底管道均为压力管道，原油管道内压达2.5～5Mpa，管道内原油又存在15℃-80℃的温差变化，注水管道内压达16Mpa～20MPa。管道在温度及压力作用下，承受着相当大的内部作用力，这些作用力还要与地震、外界水压力、上覆土压力相叠加，所以综合作用在管道上的作用力是极其复杂也极其大的。如果在此基础上再增加管道悬空所带来的外界力，海底管道的安全性将是一个非常严重的问题。

3.2 悬空管道破坏机理

水流直接作用在悬空管段上，当悬空段L较短时，在水流作用下不会出现显著的振动，随着冲刷的加剧，悬空管段长度L不断增长。当水流横向流过管道时，将产生规则的涡旋脱离，即冯·卡门涡流现象。涡旋从圆管后方上下两侧交替分离，沿圆柱周围引起压力分布的变化，使圆管产生与流向正交的振动力，当该力的振动频率与管结构的振动频率接近时，会使海底管道产生共振，其管道振幅急剧加大，若振动长时间持续进行，管材可能疲劳断裂破坏。

3.3 悬空管道破坏形式

海底管道在悬空状态下最容易发生的破坏形式有如下几种：

a.丧失横向稳定；b.在波流作用下诱发涡激振动而断裂；c.在波流长期作用下发生疲劳破坏。

影响管道悬空破坏形式的最主要因素是悬空长度，海底管道允许的悬空长度是考虑多方面因素综合计算来的，包括管道的型号、材质、管道内介质情况、流过管道的海流速度等，计算时控制管道悬空段长度L，使管道避免产生共振发生破损。

海管冲刷悬空的临界长度L可由下式（1）确定：

（1）

式中 -折算速度，无量纲参数，由SY/T10037-2002《海底管道系统规范》确定；

C-与悬空管子端部约束情况有关的常数；

D-管道直径，cm；

V-垂直于圆管构件的水质点速度，cm/s；

EI-悬空管段的刚度， ；