海底管线稳定性影响因素分析

实现管线的稳定性是埋设海底管线并使其正常运营的前提。分析了波浪、海流、管线周围土体性质及液化发生等方面对海底管线稳定性的影响，并提出了相应的对策建议．     

埕北海域海底管线冲刷稳定性研究

根据埕北海域水下三角洲的工程地质条件和水动力条件,分析海底管线在两种铺设方式情况下的冲刷稳定性。第一种为埋置在一定土层深度处的管线：根据整个埕北海域海底长期冲淤变化规律,利用１９９２～１９９６ 年的实测水深资料得出的冲刷速率,推算出管线被冲出泥面所需的时间。第二种为裸露在海底的管线：根据海流对管线周围沉积物产生冲刷效应,冲刷达到一定程度时处于平衡状态,认为此状态下,海流在该点产生的剪切力等于形成可冲蚀海床沉积物的临界牵引力,据此计算出在管线周围冲刷的最大深度     

人工采砂坑地形对水动力泥沙环境影响

海底管道是重要的能源生命线,海底管道路由上的采砂坑对管道在位稳定性造成严重威胁。为评估深港海底管道路由区域海流冲淤采砂坑对深港海底管道在位稳定性的影响,本文利用长期实测资料对比,并结合数值模拟方法分析海底管道路由上采砂坑冲淤问题,建立的有限元分析模型与实测资料能够较好吻合。研究得出波浪潮流作用下采砂坑的冲淤规律和未来十年的变化特征：采砂区内为淤积环境,北侧边界向西北方向扩展,远离管道走向,对管道无影响;南侧边界向东南方向扩展,造成铜鼓水道附近管道冲刷;东侧靠近管线段采砂坑坡顶受到侵蚀,导致采砂坑边界线向管线扩展。本文为深港海底管道路由采砂区海流冲淤分析提供了科学有效的方法。     

渤海海底地貌特征和控制因素浅析

基于我国近海地形地貌调查项目获取的水深、侧扫声纳及浅层剖面数据,结合渤海海域历史资料和前人相关工作、研究成果,对渤海地貌类型和分布特征进行了描述。在一些重点区域通过最新调查资料和历史资料的对比,描述了地貌的变化趋势,在此基础上编绘了渤海海底地貌类型图,并从地质构造、海平面变化、河流和海流等水动力作用以及人类活动几个方面对影响渤海海底地貌发育的因素进行了讨论。     

南海北部海底沙波研究

南海北部水深100~250 m的陆架和陆坡斜坡海底分布着大片沙波地貌,本文采用底形相图参数近似计算和泥沙起动流速2种计算方法,结合海底微地貌的实际形态,研究了沙波的沉积特征及其成因机理。研究认为,区内的沙波为现代沉积地貌;控制沙波形成发育的主要水动力因素是潮流与风暴条件下风海流的叠加;区内泥沙颗粒粒径适宜,海底坡度平缓,有利于海底沙波的发育。     

厦门湾口外近岸陆架区海底沙波发育特征

利用2014–2017年在台湾海峡西部采集的多波束、单道地震剖面、沉积物粒度样品及海流监测资料,在厦门湾近岸陆架区识别出一系列海底沙波,并对沙波的形态特征、分布规律和沉积物组成特征进行分析,探讨水动力条件及其对沙波发育的影响.结果表明沙波发育区水深一般为10～60 m,地形较平缓开阔,坡度一般为0°～1°;平面上沙波区...     

沉积物输运对砂质海底稳定性影响的评估方法及应用实例

海底沉积物运动可由重力作用引起，它常以水下滑坡的形式出现，对高含水量的细颗粒物质尤其是如此(林振宏等，1990)；在陆架和陆坡区，水下滑坡可由于地震等事件而诱发。此外，海底稳定性还与水流作用引起的沉积物运动有关，沉积物输运造成相应的堆积和冲刷，从而改变海底的形态。在许多环境中，沉积物输运是控制海底稳定性的主要因素。海底某处高程在一定时段内的变化系由活动层厚度、冲淤量和底部地貌形态(Bedforms)迁移造成的变化等3部分构成(图1)，故海底稳定性可分解为以下3个问题：(1)沉积物活动时间(即在一定时段内海底沉积物处于运动状态的时间长度或百分比)和活动层厚度(图1A)；(2)沉积物运动所造成的冲刷、淤积及其速率(图1B)；(3)底部地貌形态的迁移速率及其造成的海床高程变化(图1C)。 海底沙丘和潮流沙脊是常见的海底地貌形态，有关专家认为(Ashley et al., 1990)，海底沙丘是大沙波(波长>30m)、小沙波(波长6-30m)、大波痕(波长0.6-6m)等形态的总称，它可以在沉积物供给充足、大潮流速达到0.6-1.0m/s的海底形成(Stride，1982)。潮流沙脊的规模大于海底沙丘，其高度可达20m以上，两脊之间相距10km左右，形成的流速条件为0.7-1.3m/s，其脊线几乎平行于潮流流向。海底沙丘和湖流沙脊的空间分布上往往具有重现性，即可以形成一系列的沙丘或沙脊。据沉积动力学研究的初步结果，这种周期性的分布与潮流流场特征(如潮流长短轴之比，主流流速、主流不稳定性等)和海底沉积物平面分布的非均匀性有关(Huthnance，1982a, 1982b；Hulscher et al.，1993；Liu，1997)。潮流沙脊可与海底沙丘伴生(Stride，1982；Amos et al.，1984)，此类形态的存在说明海底是处于活动和演变的状态，这往往给海洋工程带来一系列的问题。 本文应用水动力学、沉积动力学数学模型方法对砂质海底的上述3个问题分别提出解决方案，从而建立海底稳定性的评估方法。本文还叙述了来自海南岛西部海域的一个算例，以说明该方法的应用步骤和结果解译。     

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.     

波流作用下海底边界层沉积物再悬浮与影响因素研究

海底沉积物再悬浮及其分布取决于海洋水动力、沉积物类型与床面形态之间复杂的相互作用,准确地理解和确定沉积物再悬浮过程对于沉积物输运的研究具有重要的意义。本文在祥云湾海洋牧场典型海域开展现场原位观测,获取研究区波浪、海流及悬浮沉积物浓度数据;分析了波、流作用下海底边界层悬浮沉积物垂向分布特征,并探究了海洋水动力和床面形态对悬浮沉积物垂向分布的影响。结果表明,研究区波流之间的相互作用不显著,沉积物再悬浮受控于风暴浪作用,风暴浪作用下底床切应力可以达到沉积物临界切应力的10～15倍,沉积物的再悬浮滞后于风暴浪作用2～3 h。在波浪荷载微小的情况下,悬浮沉积物垂向分布呈现"I"型,波浪荷载下,悬浮沉积物垂向分布呈现幂指函数分布,表现为"L"型;床面形态随波、流作用而演化,影响沉积物的再悬浮过程,u_(?w)/u_(?c)=1.00可作为波浪和海流起主导控制作用的床面形态的判别依据,纯波浪荷载作用下的u_(?w)/u_(?c)显著高于波浪主控作用下,但二者之间的界线随着波浪荷载的增加而升高。     

喷射式挖沟机机体的稳定性分析

挖沟机是铺设海底管线的必备设备。论文对海洋石油工程股份有限公司设计的挖沟机的受力状态进行了分析,根据整体稳定分析计算了挖沟机在不同工作形态所需要的牵引力。详细计算了(1)海流运动产生的作用力,包括拖曳力和举升力,海流的流动方向包括顺流、逆流和横流;(2)海底对挖沟机滑靴的阻力;(3)高压空气和高压水流对挖沟机机体的作用力;(4)牵引力;(5)海底土壤对机体的阻力(在挖沟机牵引速度大于挖泥速度时,引起的泥土对喷射管的阻力);(6)挖沟机的自重以及浮力。计算结果为挖沟机强度的校核及操作方法提供了依据。     

地震作用下海缆路由的稳定性分析

通过野外勘察和室内试验分析,了解琼州海峡北海-临高段海缆路由区浅层沉积物分布和物理力学特征.同时,对调查区及其附近地区的地震资料进行分析.将地震作用与路由区海底土的特性结合起来,计算分析了地震作用下路由区3 m以浅海底土液化或滑移的可能性,从而,评价了路由区海底的稳定性.结果发现,在烈度为Ⅶ度的地震作用下,路由区海底稳定性良好;在烈度为Ⅷ度的地震作用下,路由区海底会发生失稳破坏.该结论可以用于指导海缆工程建设.     

埕岛油田海底管线在位稳定性的计算分析

埕岛油田主要分布粉土和淤泥质软土2类典型的海床.通过建立海床与其上裸置管线相互作用的有限元计算模型,对埕岛油田2类典型海床上裸置管线的在位稳定性进行了数值计算分析,并与现行常用的DNV(挪威船级社)管道设计方法的计算结果进行了对比.分析表明,对于埕岛油田粉土海床上裸置管线的在位稳定性分析,数值计算结果与DNV简化分析方法的结果较为一致;对于埕岛油田淤泥质软土海床上裸置管线的在位稳定性分析,DNV简化分析得到的裸置管线的在位稳定性一般高于相应的数值计算结果.     

Hydrodynamic Forces and Instability of Submarine Pipelines Under Waves and Currents： A Review

Stability design of submarine pipelines is a very important procedure in submarine pipeline engineering design. The calculation of hydrodynamic forces caused by waves and currents acting on marine pipelines is an essential step in pipeline design for stability. The hydrodynamic forces-induced instabilities of submarine pipelines should be regarded as a wave/ current-pipeline-seabed interaction problem. This paper presents a review on hydrodynamic forces and stability research of submarine pipelines under waves and currents. The representative progress including the improved design method and guideline has been made for the marine pipelines engineering design through experimental investigations, numerical simulations and analytical models. Finally, further studies on this issue are suggested.     

Numerical Analysis of Seismic Dynamic Response of Saturated Porous Seabed Around a Buried Pipeline

The stability of submarine pipelines has been extensively studied by coastal engineers in recent years. Seismic-induced pore pressure and effective stresses in the saturated porous seabed and pipeline are the main important factors in the analysis of foundation stability around submarine pipelines. The majority research of the seismic-induced dynamic response around an offshore pipeline has been limited to two-dimension cases. In this paper, a three-dimensional finite element model including buried pipeline is established by extending DYNE3WAC. Based on the proposed numerical model, a parametric study is conducted to examine the effects of soil characteristics and pipeline configurations on the seismic-induced soil response around offshore pipelines.     

Allowable span length of submarine pipeline in shallow water

Because of the complex geological conditions of the seabed, submarine pipelines buried beneath the ocean floor become suspended over the seabed under the long-term scour of waves eroding the surrounding sediment. Further, most oil fields were built in offshore areas while the country was developing. This gives the waves seen in shallow water obvious nonlinear features, and the abnormal characteristics of these waves must be considered when calculating their hydrodynamic forces. Particularly under such conditions, these suspended spans of submarine pipelines are prone to damage caused by the action of the external environment load. Such damages and eventual failures may result not only in great property losses but also pollution of the marine environment. The span length of these areas is a key predictive factor in pipeline damages. Therefore, determining the allowable span length for these submarine pipelines will allow future projects to avoid or prevent damage from excessive suspended span lengths. Expressions of the hydrodynamic loads placed on suspended spans of pipeline were developed in this work based on the first-order approximate cnoidal wave theory and Morison equation. The formula for the allowable free span length was derived for the common forms of free spanning submarine pipeline based on the point where maximum bending stresses remain less than the material’s allowable stress. Finally, the allowable free span length of real-world pipelines was calculated for a subsea pipeline project in Bohai Bay. This research shows that, with consideration for the complicated marine environment, existing suspended spans are within allowable length limitations. However, continuing to limit the length of these submarine pipeline spans in the Nanpu oil field will require ongoing attention.     

粉沙海床管道在联锁排防护下的冲刷试验研究

采用当地海床的天然粉沙进行试验床面的设计,对海底管道在实际海床受到的极限波浪和最大水流作用进行试验,在管道上方铺设混凝土联锁排,对联锁排块体稳定性和其对管道防护的有效性进行研究。通过物理模型试验,研究了在极限波浪和最大水流作用下,管道在粉沙床面最大冲刷深度。通过不同水深中波流条件下研究了混凝土联锁排防护效果及其周围床面的冲刷变化,观测了联锁排的稳定性。试验结果表明:按半经验半理论简化公式得出的联锁排厚度能满足稳定性的要求,比水利部规范计算的联锁排厚度偏大的公式更加适合应用,试验期间混凝土联锁排的排面稳定,能有效保护管道,在该防护下管道没有冲刷,只在联锁排上下游与床面接触的来流段和尾端有冲刷,但该冲刷深度不影响联锁排整体的稳定性。     

海底滑坡作用下滩海管道结构安全分析

海底滑坡作为常见的海洋地质灾害,对海洋油气工程安全产生巨大威胁。海床土体失稳引起滑坡体滑动,会对海底管道产生拖曳作用。基于计算流体动力学方法(CFD)建立海底滑坡体对管道作用的评估模型,采用H-B模型描述块状滑坡体并与试验比较验证,分析不同海床倾斜度滑坡对管道的作用并拟合表达式;研究了海底管道在滑坡作用下的力学响应,并采用极限状态方法开展海底滑坡作用下管道结构极限安全分析,探讨了管道埋地状态时的极限安全界限,建立滑坡作用下管道结构安全分析方法。研究表明:滑坡对管道作用力与海床倾角呈现正相关,而覆土层厚度对作用力影响较小;随着不排水抗剪强度的减小,允许的滑坡宽度和速度均增加,表明土体不排水抗剪强度与引起的拖曳力呈正相关;滑坡土体宽度对极限安全速度影响较大。     

波浪作用下孔隙海床-管线动力相互作用分析

波浪作用下海床中的孔隙水压力与有效应力是影响海底管线稳定性的主要因素。然而,在目前的海床响应分析中一般将管线假定为刚性,并不能合理地考虑海床与管线之间的相互作用效应,同时也没有考虑土体和管线加速度对海床动力响应的惯性影响,从而无法确定由此所引起的管线内应力。为此考虑管线的柔性,分别采用饱和孔隙介质的Biot动力固结理论和弹性动力学理论列出了海床与管线的控制方程,进而采用摩擦接触理论考虑海床与管线之间的相互作用效应,基于有限元方法建立了海床-管线相互作用的计算模型及其数值算法。通过变动参数对比计算讨论了管线几何尺寸、海床土性参数对波浪所引起的管线周围海床孔隙水压力和管线内应力的影响。     

海底管线局部冲刷机理研究综述

局部冲刷造成的悬空是海底管线失效的最大诱发因素。对均流及波浪作用下铺设在海床表面管线的局部冲刷起动机理、临界条件以及2D局部冲刷机理、流—管—土耦合机理和3D局部冲刷机理等做了分析和总结。     

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。