流动显示法用于海底管道淘空机理试验研究

李国珍，东朝丽，袁亚雷，董守平

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249） ①

流动显示法用于海底管道淘空机理试验研究

李国珍，东朝丽，袁亚雷，董守平

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249）①

随着海洋石油开发的快速发展，大量的海底管道被安装并投入运行。针对海底管道常见的淘空现象，采用染色液流场显示方法，试验研究海底管道从部分裸露到完全裸露后其周围流场的特征，揭示了海底管道淘空过程。

海底管道；流场；淘空

随着海洋石油开发的快速发展，油气的输送需要安装大量的海底管道。然而海底管道长时间在海流（波浪）、砂土以及管道多相流三者作用下，在海底管道周围可能出现冲刷掏空现象，使部分管道裸露或某段、某几段管道周围掏空，从而引起管道的悬空振动［1］。这改变了管线的受力状态，当悬空长度达到一定极限时，会引起管线断裂和疲劳破坏，造成巨大的经济损失。鉴于此，对海底管道冲刷掏空进行研究是完全必要的［2－5］。

1 试验方案

模拟试验在中国石油大学（北京）海洋力学试验室的海浪、流试验水槽中进行，水槽3面透明，由钢质框架嵌装10mm平板玻璃构成，全长14.5m（有效长度为13m），高1m，宽0.84m。试验装置如图1，水流在水槽下方水泵的驱动下沿下方管道按图示箭头方向流动，管道上安装的流量控制阀可以控制水槽中水的流速在0～0.40m／s。水槽尾部有滤波网，以防止水流在水槽尾部产生反射波，在试验水槽尾部还设有沉沙池，以拦截水流带来的泥沙。试验段在距水槽尾部约4～5m处，此段水流较稳定。

图1 试验装置

试验时，首先启动水泵，待到水槽中循环水流基本稳定时，便可向染色液管注入染色液，进行试验观察、拍照或录像，对管道周围海流的流动进行可视化模拟研究。模拟管道在沙槽的位置如图2。

图2 模拟管道在沙槽的位置

2 试验研究

试验采用染色液流场显示的方法，研究海底管道从部分裸露到完全裸露（管道悬空）后其周围流场的特征，分3种情况进行试验。

1） 管道裸露1／3周围的流场。

2） 管道裸露2／3周围的流场。

3） 管道完全裸露（悬空）周围的流场。

2.1 管道裸露1／3的流场

试验管直径d＝16mm，水深h＝160mm，流速v＝0.15m／s，管道裸露1／3流场如图3。染色液（墨水）从玻璃管流出后，其大部分绕过管道，在管道后面形成旋涡，管道后面靠近水槽底面的壁面附近形成一个“死区”，此区的泥沙不容易被带走。管道后面形成的旋涡中心距离管道轴线有一个直径的距离，并且旋涡在垂直方向上的尺寸略微小于其在水平方向上的尺寸，形成的旋涡比较贴近水槽底面。在水流流速低时，泥沙不会悬浮。当水流流速稍大时，出现的旋涡在水平与垂直两方向上的尺寸增大，而且形成的旋涡强度较大，旋涡脱落频率大。

图3 试验管裸露1／3流场

2.2 管道裸露2／3的流场

试验管直径d＝16mm，水深h＝160mm，流速v＝0.15m／s，管道裸露2／3流场如图4。从玻璃管注入的染色液的大部分绕过管道，在管道后面形成旋涡，旋涡脱流的位置大约是在管线后方90～135°范围内。而当水流速度较大时，水流脱流的位置要比水流流速小时更偏向管线的前方。管道后面靠近水槽底面的壁面附近形成的“死区”不太明显。管道后面形成的旋涡距离水槽底面距离变大，一部分泥沙可以被旋涡卷起而悬浮并随水流一起流动。旋涡中心距离管线有1～2倍管径的距离。试验过程中还发现，当水流流速较大时，形成的旋涡也较不稳定。

图4 试验管裸露2／3流场

2.3 管道完全裸露（悬空）的流场

分别针对不同悬空高度e（试验管与水槽底部之间的间隙）、水深h、流速v和管径d进行试验。

2.3.1 水深流速和管径一定悬空高度不同

水深h＝160mm，流速v＝0.15m／s，管径d＝16mm。

1） 悬空高度e＝6mm，e／d＝0.375时的流场如图5a。

2） 悬空高度e＝10mm，e／d＝0.625时的流场如图5b。

3） 悬空高度e＝40mm，e／d＝2.5时的流场如图5c。

图5 悬空高度不同的管道流场

由图5可以看出，在水深、流速、管径一定，悬空高度较小时，管线底部局部冲刷速度越大，造成管线的局部冲刷淘空也最厉害。水流绕流后在管线后方形成的旋涡比较接近床面，泥沙容易被卷起并被带到某一位置。随着冲刷的进行，当相对悬空高度较大（e／d＞1）时，冲刷基本上达到动态平衡，即泥沙的冲刷量近似等于淤积量。在管线后方形成了交替出现的旋涡，而且旋涡脱落的周期基本恒定。旋涡比较远离床面，此时泥沙不容易被旋涡卷起，冲刷程度相对来说变得较弱。

2.3.2 管径和悬空高度一定流速和水深不同

管径d＝16mm，悬空高度e＝40mm，e／d＝2.5。

1） 水深h＝160mm，流速v＝0.15m／s时的流场如图6a。

2） 水深h＝170mm，流速v＝0.14m／s时的流场如图6b。

图6 流速和水深不同的管道流场

对比图6a与图6b可以看出，2种情况下的Re与St数基本相当，在管道后方均有交替出现的旋涡脱落现象。水流流速较低时，绕流后形成的旋涡比较稳定规则，频率相对来说较小，形成涡街的长度较大，而且旋涡脱落的分离点比流速大时更偏向管道的后方，形成旋涡的强度相对较弱。

2.3.3 水深和流速一定悬空高度和管径不同

1） 水深h＝150mm，流速v＝0.16m／s，管径d＝35mm，悬空高度e＝35mm，e／d＝1时的流场如图7a。

2） 水深h＝150mm，流速v＝0.16m／s，管径d＝32mm，悬空高度e＝30mm，e／d＝0.938时的流场如图7b。

由图7可以看出，其他条件基本相同时，管径越大，形成旋涡就越大，则被卷起的泥沙量就越大。但是基本的流场特征是一致的，管线后方有交替旋涡脱落现象出现。另外管径越大，管线后方形成的涡街长度就越大。

图7 悬空高度和管径不同的管道流场

3 结论

1） 水流流速、水深、悬空高度和管径是影响海底管线的冲刷淘空的重要因素。

2） 水流流速大时，旋涡脱落位置较偏向管线的前方。

3） 当管线刚裸露时，管线后方几乎不形成旋涡脱落，水流只是绕流过管线，在管线后方2～3倍管径处形成旋涡。随着冲刷的进行，管线大部分裸露时，其后方已经形成明显的旋涡，此时水流只是从管线上方绕流过去，形成的旋涡能携带一小部分泥沙，但是不会把泥沙带到很远的位置。当管线出现淘空时，水流分为两部分绕流过管线，在管线后方有明显的交替旋涡脱落现象，泥沙就被从一个位置带到另一个位置。当冲刷深度达到一定的程度，就达到动态冲刷平衡阶段。

［1］ 谢丽婉.基于管土耦合的海底管跨涡激疲劳分析程序［J］.石油矿场机械，2011，40（2）：1－4.

［2］ 王 富.埕岛油田含水原油管线运行状况分析［J］.石油矿场机械，2010，39（4）：37－41.

［3］ 周延东.我国海底管道的发展状况与前景［J］.焊管，1998，21（4）：46－48.

［4］ 黄小光，韩忠英 .首次穿越失效方法用于评价海底管跨的可靠度［J］.石油矿场机械，2011，40（2）：6－10.

［5］ 杨树人，孙 勇，孙启冀，等 .海底无保温油气混输管道压降计算［J］.石油矿场机械，2011，40（7）：35－38.

Study of Scouring of Submarine Pipelines by Flow Visualizing

LI Guo－zhen，DONG Zhao－li，YUAN Ya－lei，DONG Shou－ping
（College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum（Beijing），Beijing102249，China）

With the rapid development of the ocean petroleum industry，a lot of submarine pipelines have been installed and put into action.In this paper，the flow characteristics around a submarine pipeline was studied from the pipe exposing partly to its scouring fully and the scouring process was investigated by flow visualization according to the scoring status of the submarine pipelines.

submarine pipeline；flow field；scouring

1001－3482（2012）01－0042－04

TE973.92

A

2011－06－14

李国珍（1976－），女，山东高唐人，讲师，博士，2003年毕业于中国石油大学（北京）机械设计及理论专业，现从事教学工作，E－mail：guozhenli76＠163.com。