Spoiler自埋技术特点及其在杭州湾海底管道运行情况分析

海底管道阻流板(Spoiler)自沉埋技术是一种新型管道自埋技术,为深入了解其作用机制及其效果,本文通过分析安装有阻流板的杭州湾海底管道历年检测资料,结合管道附近海域海床、潮流动力特性,深入探讨了阻流板装置在实际工程中的运行效果,分析了其作用机制及其适用条件。研究发现安装阻流板装置的杭州湾海底管道在往复潮流作用下逐渐埋入海床,其埋入段长度由2005年的50%增加到2013年的80%以上,而且平均埋入深度超过2.6 m,自埋效果较好;而在管道路由与海流平行段或管道敷设于抗冲刷强海床上时,阻流板作用不能有效发挥,管道仍然呈现裸露状态。     

强潮海湾Spoiler海底管道冲刷机理分析

本文基于历年检测资料统计分析了杭州湾海底输油管道裸露埋深状态变化规律,结合水文地形测量资料、辅以数学模型手段,从Spoiler自埋设计、杭州湾水流特性、管道路由海床演变特性以及人类活动等多因素探索了杭州湾海底管道裸露埋深状态变化的原因。研究结果表明:杭州湾管道80%以上处于埋深状态,局部管段长期裸露,裸露管段主要位于北岸深槽和庵东边滩滩坡区域;管道冲刷与管道路由海床演变特性、水流与管道夹角以及Spoiler自埋设计的发挥密不可分;杭州湾南岸围垦工程的实施与该区域管道裸露、掩埋状态密切相关。     

夏半年强风条件下波浪对平湖油气管道安全的影响分析

强风天气过程影响下的波浪近底层水体运动(波致底流速)是海底动力条件的重要驱动因素之一,因此,强风天气过程引起的波致底流速分布可能对海底管道冲刷和埋设状态变化产生潜在影响。本研究基于SWAN模式的海浪模型,对平湖油气管道区域波致底流速进行推算;将平湖管道区域波致底流速分布与管道埋深状况有机结合,探讨波浪对管道埋深状态变化的影响。结果显示,夏半年(7月~9月),因其近SE向为主的典型强风向和地形因素影响,波致底流速在舟山群岛靠外侧海域(约KP85~KP100段)形成明显的相对高值区。近年来,平湖油气管道裸露和悬空管道的增幅,主要出现在夏半年管道KP85~KP100段区域,该区域与波致底流速相对高值区基本重合。综合已有研究成果表明,夏半年的典型强风过程的波浪作用可能对管道KP85~KP100段区域动力条件产生一定的影响,使水体挟沙能力加强,对海底造成区域性冲刷,是造成该区域管道冲刷、管道裸露、悬空及埋深状态变化的重要原因。     

轴线倾斜海底管道冲刷速率试验研究

通过物理模型试验研究水流作用下轴线倾斜海底管道的三维局部冲刷问题。利用超声波探头监测管道下部冲刷沿管轴线方向的扩展过程,分析海底管道三维局部冲刷的动态发展机理。由模型沙的冲蚀试验,建立沙床面剪切应力与泥沙表观侵蚀速率之间的关系式,并引入经验公式对沙床面剪切应力放大系数、泥沙表观侵蚀速率以及远场床面剪切应力之间的关系进行表达。由倾斜管道模型试验,在分析冲刷扩展位置随时间变化数据的基础上,结合上述经验公式以及沙床面剪切应力放大系数与管道埋深的关系,建立轴线倾斜海底管道冲刷扩展速率的预测公式。     

舟山册子岛—宁波镇海海底原油管道冲刷的影响因素

局部冲刷引起裸露甚至悬空是造成管道失稳的主要原因之一。舟山册子岛—宁波镇海海底原油管道自2006年运行以来,其赋存状态由全线掩埋逐渐演变为局部裸露甚至悬空的严峻局面,并且有继续恶化的趋势。基于管道2006—2012年历年检测资料,从多个层面分析造成海底管道冲刷的原因,认为造成管道冲刷的基本条件是研究区的自然冲淤规律,极端天气条件、镇海侧的大型围垦工程、舟山连岛大桥建设、长江来沙减少等其他因素的叠加也不可小视。     

东海海底管道海流冲刷作用的影响因素探讨

依据以往多次东海海底管道检测成果资料,分析和探讨了形成海流冲刷作用的各种因素,可以归结为内部海洋环境和外部环境变化两大因素,以及这些因素可能对海底管道产生危害影响的程度,并总结了在长期的海流冲刷作用下海管的空间状态、海底受冲蚀的表现形式和海床冲淤变化,提出了今后检测和维护工作的一些建议.     

应用切割单元法对海底管道局部冲刷数值模拟

采用SIMPLEC算法的有限体积法,求解非定常流动的N-S方程,采用k-ω紊流模型,通过模拟均匀无粘性推移质的冲刷和淤积,得到海底管道由搁置在海床上的状态变为悬跨状态这一过程的管道周围局部海床冲刷情况,建立了海底管道局部冲刷的二维数值模型。海底管道从搁置在底床上到冲刷悬空的过程中,管道周围的空间产生了拓扑变化,这给采用贴体网格并在计算过程中进行网格重构的传统方法带来了很大困难,而采用切割单元法,把物体轮廓从静止的背景直角坐标结构化网格中切割出去,计算过程中不需要传统意义的网格重构过程。数值模型预测的海底管道周围局部冲刷结果与Mao的物理模型实验实测结果及Liang和Cheng等的数值模拟结果符合较好,验证了模型的准确性。     

基于磁异常检测的海底管道探测技术研究与应用

海底管道是海洋油气输运的重要命脉,需要定期进行检测探测以分析评估其安全稳定性。基于埋设海底管道及其磁异常特征,通过研究埋设海底管道磁异常的检测技术及其组成、应用方法,优化海底管道磁异常检测设备布设与检测测线方案,实现埋深大于5 m的深埋海底管道磁异常特征的完全检测。通过海底管道磁异常数据反演可获取实测海底管道路由相比设计竣工路由的坐标偏距、管道埋深等数据,在某区域14.5 km长的海底管道探测实际工程中应用良好,探测数据符合管道路由勘察评价标准规范,为管道埋藏状态分析提供了依据,形成了一种高效、精确的海底管道探测评价方法。     

海底管道掏空与波浪力变化关系试验

鉴于海底油气管道在海洋能源开发中的特殊意义,前人开展了大量管道安全试验研究,特别注重不同底床、不同波浪条件、不同埋置深度等方面的组合试验,本次试验针对危害管道安全的掏空和悬跨开展了波浪水槽试验,探讨黄河三角洲为主的粉土海床上掏空与管道受力关系,弥补这方面研究的不足,结果表明,海底管道受力变化与掏空过程密切相关。连续试验过程表明,海底管道与海床土、波浪水体之间存在密切关系。海底管道在波浪作用下冲刷掏空经历了3个演变阶段:泥沙起动阶段、水流隧道发育阶段、快速掏空阶段和冲刷平衡阶段。水流隧道伴随的管涌对冲刷掏空起重要作用。伴随冲刷掏空,管道波浪力出现规律性转化,从正向作用逐渐过渡到负向作用,也可以分出4个演化阶段:冲刷初始阶段,管道波浪力以正向为主,管道表现为正向力作用下的振动;隧道发育阶段,管道受到的作用力主要是波峰上举力和波谷下拉力,表现为上下振动;管道悬空阶段,波峰负向作用力和波谷正向力交替出现,管道在波浪作用下表现为前后振动;冲刷平衡阶段,管道主要在负向作用力下振动。     

上覆硬质保护层海底管道检测技术探讨

海底管道在油气工业中发挥着重要作用,为保障其安全运营必须定期进行检测掌握其在海底的状态。有的海底管道在铺设时为其安全考虑,在海底管道上方覆盖了抛石等硬质保护层,这样就导致在海底管道定期检测时一些检测仪器难以探测到硬质保护层下海底管道的位置和埋深,而浅地层剖面仪和磁力仪仍然可以不同程度地实现这种情况下的海底管道检测。文中对浅地层剖面仪和磁力仪的原理进行了介绍并对其在上覆抛石等硬质保护层海底管道检测中的应用进行了分析探讨。分析结果表明浅地层剖面仪和磁力仪组成的综合检测系统对上覆硬质保护层的海底管道探测有一定效果,可查明海硬质保护层下海底管道的位置和埋深,为海底管道的安全管理和维护提供数据支持,也可为其他类似海底管道检测提供参考。     

基于CFD-DEM方法对海底管道床面冲刷的研究

采用计算流体力学—离散元耦合方法（CFD-DEM）模拟海底管道床面的冲刷过程。经过模型验证,该方法的计算结果与前人的研究具有较好的一致性,证明其可以应用于海底管道周围的冲刷模拟计算。冲刷初期的结果增强了目前对启动阶段粒子运动机理的理解,即管前后压力梯度造成的渗流作用导致粒子运动。对完整冲刷过程的模拟中,发现冲刷分为冲刷启动阶段、间隙冲刷阶段和尾迹冲刷阶段。间隙冲刷阶段管道下方粒子具有较大速度,冲刷坑快速向下方发展。进入尾迹冲刷阶段后,管道后方出现周期性脱落的涡旋,沙丘上的粒子速度更大。同时利用DEM更具直观性的独特优势,首次得到了14个典型位置处颗粒的运动轨迹和运动速度,对于理解冲刷过程中粒子的运动情况具有较大帮助。     

带有柔性阻流器的海底管道冲刷防护试验研究

从管道尾流区泥沙颗粒的受力平衡着手,探讨了管道冲刷的临界压力差。在此基础上,提出了一种防止或减少管道冲刷的新方法,即在管道下方安装柔性阻流器。通过物理模型试验,研究了单向恒定流及规则波作用下,柔性阻流器对管道两侧床面压力、冲刷深度的影响。试验结果表明:柔性阻流器的安装能明显减小管道两侧床面的压力差。在单向恒定流作用下,管道的冲刷深度随阻流器长度的增加而减小;当阻流器达到临界长度时,冲刷消失。规则波时,因阻流器的扰动作用,冲刷深度有所增加;但随阻流器长度的增加,其扰动作用减小,对床面的防护作用增加,因而冲刷深度减小。     

埕岛油田海上石油平台基础冲刷研究

海洋石油平台的建立会改变平台周围的水动力条件，其中平台的基础及与之连接的海底管缆(输油管道、注水管道、海底电缆等)附近产生冲刷现象，对平台和海底管缆的安全造成威胁。根据对研究区典型平台的4次实洲水深并结合以往资料，分析了埕岛油田海上石油平台基础冲刷的过程及其规律。     

填海工程建设前后丹东港海域泥沙冲淤变化特征与成因分析

利用近年来水深地形数据和2010年全潮水文观测资料分析了丹东港海域在填海工程建设前后的冲淤变化特征,并阐述了冲淤变化的成因,以对该类型海域海洋工程的选址和海洋环境保护等提供科学依据。研究结果表明,研究区海底在工程建设前除靠近大东作业区的岬角处冲刷较大外,其他海域整体冲淤厚度小于0.2 m/a。工程建设后海底冲淤格局发生重新分布,主要表现在工程南侧普遍冲刷和东侧航道内及西南侧海域的淤积。利用刘家驹公式计算了工程建设前后的航道回淤强度,计算结果表明:工程后A点年均淤积厚度减小了0.09 m,B、C点年均淤积厚度分别增加了0.02、0.19 m。Mike21数值模拟结果显示,工程建设改变了原来的流场,造成研究区冲刷悬浮的泥沙在潮流的作用下重新搬运与沉积,同时波浪场也因工程的影响下蚀海底的能力增强。     

近70a来椒江河口河床冲淤调整机理

利用近70a来19个不同年份的水深地形资料,基于GIS技术进行数字化冲淤分析,结合实测水文泥沙资料和人类活动,探讨椒江山溪性强潮河口河床冲淤调整过程。研究表明,近70a来无论是在河床纵横剖面还是在平面上,冲淤调整经历了较明显的四个阶段,可是平面上比纵横剖面上的平均冲淤速率更趋于整体性:(1)以自然作用为主,处于缓慢冲刷状态,冲刷区占65.4%,全区年均冲刷速率为2.3cm/a,年均冲刷量为53.7×104m3;(2)受支流永宁江上游建库蓄水影响,从缓慢冲刷转为较明显的淤积状态,淤积区占66.2%,全区年均淤积速率为2.2cm/a,年均淤积量为50.4×104m3;(3)受航道整治完成的部分工程作用,由淤积又转为轻微冲刷状态,冲刷区占62.6%,全区年均冲刷速率为1.8cm/a,年均冲刷量为41.4×104m3;(4)受航道和支流永宁江的综合整治作用,从轻微冲刷朝加速冲刷方向发展,冲刷区占71.5%,全区年均冲刷速率为5.6cm/a,年均冲刷量为130.8×104m3。这在某种程度上意味着椒江山溪性强潮河口河床冲淤调整受人为影响比受自然影响大。     

莱州湾东岸近岸海域规划围填海后冲淤演变预测

运用Mike21模型中的水动力模块对研究区的潮流场进行了模拟,分析研究区的冲淤趋势;利用经验公式,对波浪和潮流进行耦合,计算出极端条件下的最大冲刷深度,对比规划用海实施前后的最大冲刷深度,以对该区域的海岸防护、工程选址等提供科学依据。结果表明:受到填海工程的影响,龙口湾内有轻微淤积,界河至石虎咀近岸海域的波浪和潮流受工程影响而变小,冲刷强度变弱。     

杭州湾北岸金山咀—龙泉港岸段近岸滩槽冲淤演变分析

以杭州湾北岸金山咀—龙泉港岸段边滩及海床为研究区域,利用1989—2014年实测及海图资料分析岸滩断面地形变化和岸段冲淤变化。结果表明:在该研究时段,岸段存在长期稳定的冲刷深槽;近岸海床的冲淤表现出“波动性”,5 m等深线(2014年)以浅区以淤积为主,5 m等深线以深冲淤更迭,1989年以来总体呈现冲刷态势。长江入海泥沙量变化为该岸段发生侵蚀/淤积的影响因子之一,台风大浪及海床侵蚀/淤积波的移动导致海床冲淤复杂化。     

辽河油田太—葵管道路由区海底冲淤变化研究

辽河油田太—葵管道路由区位于辽东湾顶潮汐水道区。通过不同时期实测水深对比,得出该区海底冲淤变化趋势:海区总体呈微淤态势,潮汐水道两侧浅滩淤积,两侧边坡一侧侵蚀另一侧淤积,发生平面迁移。管道路由一线蚀淤幅度较小,一般不超过0.5 m,最大侵蚀区发生在水道底和两侧边坡,是海底输油管道容易冲刷悬空的潜在危险区,需采取深埋措施提高安全性。