海底管道裸露与悬跨维护方法研究*1

王忆非，亓发庆，徐国强，魏宏伟，阚长宾，任 军，边洪村

(1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2.中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

海底管道裸露与悬跨维护方法研究*1

王忆非1，亓发庆1，徐国强1，魏宏伟2，阚长宾2，任 军1，边洪村1

(1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2.中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

随着辽东湾浅海油气的开发，该海域海底管道的铺设增多。该区域受潮汐、河流等因素影响，海底管道可能出现裸露与悬跨现象，需要人为定期检测与维护。根据辽东湾海南8管道的检测结果，结合海底沉积物、水文等资料，分析了该海区冲刷机制和现今常用的海底管道裸露与悬跨的维护方法在该海域的适用性。

海底管道；冲刷；裸露与悬跨；维护方法

随着海上石油开发的进展，海底石油输送管道的铺设日益增多。海底管道多为埋设管道，但自然因素和一些人为因素都可能对海底的石油输送管道造成损害，引起管道裸露、悬跨、腐蚀等，进而危害海底管道的安全运行，造成经济和环境多方面的损失。因此对于海底石油输送管道的定期检测和管道出现裸露与悬跨后的维护方法研究非常重要。

依据辽东湾海南8人工岛海底管道检测资料和研究区潮流等资料，分析了管道裸露与悬跨的原因，对海南8及辽东湾北部海域海底管道维护方法进行了初步研究。

1 研究区概况

研究区位于渤海最北部，辽宁省营口市鲅鱼圈韭菜坨子至锦西市葫芦岛高角连线以北的辽东湾顶部海域，属于辽河油田浅海油气资源开发区(图1)。该区域修建了多个海上人工岛，也铺设了多条海底管道，海底管道防护方法的研究对本区域海洋石油开发有重要意义。

该区海底整体由北向南逐渐降低，除河口区外，浅海区域地形比较平坦，等深线基本与岸线平行。海底管道自海南8人工岛向东北双台子河口外的东、西两个潮汐通道处转向东由海南3采油区登陆。如图2所示，该区域除双台子河口外两个河流岔道水深较深外，周围均为近岸浅海平原。穿越西潮汐通道至海南8人工岛的浅滩地形由西向东微倾，地形平均相对高差为0.4 m，平均坡降0.1%，海底地形非常平坦。东、西潮汐通道之间为盖州滩北端潮滩，滩面北窄南宽，地形北低南高。东潮汐通道中间的浅滩呈驼峰状，滩面为北宽南窄，滩顶北高南低。海南8人工岛海底管道经过东潮汐通道的东、西两个支槽分别呈近南北向和北西向，其东支槽宽约310 m，边坡为东陡西缓，西支槽宽约500 m，边坡为西陡东缓；西潮汐通道呈北东向，边坡东陡西缓。

图1 研究区管道位置Fig.1 The location of the submarine pipelines in the study area

图2 海南8管道路由区地质特征图Fig.2 The geological characteristics of the Hainan 8 pipeline route area

双台子河输入的沉积物以粉砂和泥为主，受沿岸流和潮流的顶托作用影响，细粒沉积物扩散到远离河口的水下浅滩和浅海区，粗粒沉积物则主要集中在河口心滩。双台子河口区在汛期由径流携带大量泥沙运移至河口区淤积，非汛期滩槽则主要受潮流影响。该区域潮汐由渤海海峡传入的北黄海潮波系统，以不规则半日潮(M2和S2)和日潮波(K1和O1)为主。河口区属于强潮流区，大潮期间流速大于小潮期间流速，表层流速大于底层流速，涨潮流速大于落潮流速。由于河心滩的发展，双台子河口区形成了分汊水流，形成多股不同流路的涨潮流和落潮流，对滩槽的冲淤影响更为复杂[1-2]。该区域的潮流主流方向大致与沟槽方向一致，沟槽内水流流势明显强于浅滩区。

2 海南8管道检测结果

海南8至海南3采油区的海底管道已铺设数年，海底管道受到不同程度冲刷破坏，为维护管道确保安全运营，2012-05对其进行了管道检测。对比2004-06铺设管道前的测深资料，检测结果如图3所示：双台子河口东潮汐通道中间部分淤积形成浅滩，被分成2条沟槽，其中东支槽具有淤积趋势，西支槽则受到冲刷，约有270 m宽度范围的管道被冲刷裸露或悬空，冲刷深度2～3 m；西潮汐通道受到冲刷向东拓宽并加深，冲刷深度达2.8 m；检测出的裸露与悬跨区域已经抛填一次砂袋，但这些区域管道仍有大部分未被完全掩埋，出现二次裸露与悬跨。东、西潮汐通道之间的浅滩受到冲刷变窄。穿过西潮汐通道至海南8人工岛浅滩区域冲淤不明显，为海底相对稳定的地区。东潮汐通道存在管道位置在2004年海底之上的现象，是管道铺设前该区域海底就发生淤积所致。

图3 海南8海底管道埋深示意图Fig.3 A sketch map showing the buried depth of the pipelines in the Hainan 8 area

3 原因分析

海底管道裸露或者悬跨是由于海水冲刷和淤积的泥沙量不平衡的结果，当某一区域海水携砂力大于该区域的淤积的含沙量时，则发生冲刷现象，导致该处管道裸露甚至悬跨。结合海南8人工岛周边地质及环境因素，以下对海底管道产生裸露悬跨的原因进行初步分析。

海南8人工岛管道穿过双台子河口潮汐通道，其表面沉积物多为粉土、粉质黏土及粉砂细砂，平均粒径为0.49～6.77 mm，受水动力改造明显，易发生冲蚀。该区域水流受岸滩、河心滩及潮汐影响，涨潮时潮流较强，部分悬浮泥沙被运移到双台子河河口门以上河道区。而落潮时水流受水下地形和边界的影响，形成多股汊流，主流呈强流状态，浅滩区水流速度受阻，但潮汐通道的沟槽区水流速度较大，对流路上海床行成冲刷，泥沙向远离河口的方向运移[1-3]。双台子河的水道的改变使得处于潮汐通道区域的海底受到冲蚀，引起管道裸露与悬跨。抛填砂袋可以暂时掩埋裸露管道，但冲刷区水动力环境可能会冲刷淘走砂袋下方泥沙引起管道二次裸露，且水道变迁后未抛填砂袋区域就会受到冲蚀，于是造成研究区出现新的管道裸露与悬跨现象。双台子河径流与潮汐的相互作用是造成该区域管道裸露与悬跨的主要原因。

极端天气如寒潮和台风也会对海床造成一定影响。该区域寒潮一般出现在11月底至翌年3月底，以12月出现概率最高，寒潮造成的低潮位和持续偏北风从而引起定向浪和海流，这会降低海底表层沉积物的抗剪强度，使得泥沙被大量冲刷淘走，对海床稳定产生威胁。台风则主要发生在7、8月份，受其影响，海区可出现暴雨和风暴潮，威胁石油平台的安全运营并对岸滩、河心滩等地貌单元造成影响[4]。

4 管道裸露与悬跨维护方法

浅海海底管道发生裸露与悬跨时最常用的方法是抛填砂袋，该方法属于刚性保护技术，可以及时填充已被冲刷的海床，对管道进行掩埋，起到保护管道的效果，操作简便灵活。由于冲刷区的水动力环境可能引起二次冲刷，造成管道裸露或悬跨，所以该方法需要定期检测抛填砂袋区域的管道埋藏情况，来进行人工防护。海南8人工岛海底管道就应用过抛填砂袋进行维护，据2012-05最新检测结果，抛填砂袋区的管道又发生了裸露与悬跨现象(图4)。

图4 抛填砂袋后的裸露管道Fig.4 The exposed pipelines after filling seabed with sand pockets

为了满足日益增长的海底管道防护需要，管道的防冲刷方法也在不断发展。传统的抛填砂袋法结合仿生水草覆盖法、水下桩与仿生水草结合法等都在原有的单一的防护方式上进行了补充发展，更好的起到防止海床冲蚀、保护海底管道的作用。结合辽东湾地区的地质条件，对几个海底管道裸露与悬跨维护方法在该海域的适用性进行分析。

1)仿生水草和人工网垫是一种柔性保护措施，前者利用仿生水草降低流经海底管道区域的水流流速，降低水流对海床的冲蚀能力，来达到防止管道区域冲刷的目的；后者一般利用四周加设重物压住中间的防冲刷网垫来保护管道区不被冲刷[5]。海南8管道区经过的海域水深平均为-2～3 m，水深较浅，若采用仿生水草会造成过往渔船螺旋桨与水草产生勾挂，影响渔船行驶安全。同时，仿生水草法需要对已冲蚀区域先进行回填，整平后安装仿生水草，工作量大，成本比单一抛填砂袋法高。使用仿生水草法，确保仿生水草对周边环境无害，需在安装仿生水草区域设置警示标志，提醒过往渔船注意避让。人工网垫法试用于局部小范围冲刷且冲蚀深度较浅的区域比较适用，对于冲刷范围广且冲蚀深度较大的海域，网垫法同样需要先整平冲蚀区域然后在管道上加盖防冲刷网垫。

2)水下短柱支撑法也是可行的维护方法之一，该方法利用水下钢管短柱支撑固定裸露与悬跨的海底管道，减少管道受水流影响引起的水平方向和垂直方向的振动。每根短柱可以支撑一定长度的海底管道，即使海床冲蚀深度进一步加深也可以确保管道的运行安全。但该方法没有对管道进行掩埋处理，需要注意避免管道上方渔船抛锚等人为因素对管道造成损害。该方法运用于冲刷范围较小的海域简便可靠，并且即使悬跨管道长度加大，在一定范围内也能起到保护管道的作用。

3)加设鱼鳍式导流板的海底管道可以利用海域内海流实现管道自埋，从而减少管道振动，改善管道稳定性。例如2003-2004年韩国现代公司在杭州湾为中国石油化工集团埋设的装有导流板的海底管道，经检测证明自埋效果明显[6]。该技术主要利用导流板产生的涡流来冲刷管道底部的海床，形成冲刷坑之后利用管道自身重量和导流板的的控制力将管道埋入海床下，可以有效避免海床侵蚀造成的管道裸露与悬空，减少管道的维护工作，适合应用于潮流流速较大形成海床冲蚀的海域。该方法在应用时，若水流方向变化至与导流板平行，则无法发挥自埋作用；若表面沉积物性质变化较大，导致导流板自埋时涡流产生的冲刷坑不平衡也可能导致管道局部悬空[7]。海南8海底管道位于双台子河口区，冲刷区潮流方向主要与沟槽方向一致，变化很小，基本不会出现潮流方向与导流板方向平行的情况，且表层沉积物性质均衡，容易实现管道自埋，投入应用的话会降低管道路由区的检测防护工作量。但海南8人工岛的管道已经埋设多年，为裸露与悬跨区域的管道加设导流板工作量太大成本较高，施工难度大。

综上所述，海南8人工岛管道路由的裸露与悬跨维护方法可以沿用抛填砂袋法，定期在全区进行人工检测与维护。局部冲刷深度较浅区域可以结合人工网垫法来维护，渔船不能通行的海域推荐使用仿生水草法或水下短柱支撑法。

5 结 语

以辽河油田浅海油气资源开发区海南8人工岛的石油输送管道为例，经分析可知该区域管道裸露与悬跨主要由管道所在区域河水径流和潮流冲刷侵蚀海床所致，极端天气也会对管道安全造成一定影响。实践表明，抛填砂袋法应用广泛便捷，是目前辽东湾海域管道防护的主要手段，但该方法可能造成二次冲刷，结合人工网垫法、仿生水草法、水下短柱支撑法可以更好的进行管道维护。加设导流板对海底管道防裸露与悬跨效果良好，并且辽河油田浅海油气资源开发区内地质条件、潮流等因素适合导流板法的应用条件，建议在今后辽东湾海区新铺海底管道时考虑应用，可减少后期海底管道检测防护工作。海底管道的防护工作一定要结合当地水文气象、地质条件，分析不同防护手段的可行性和成本，选取适合的防护措施，并且定期进行检测。建议今后在辽东湾辽河油田浅海油气资源开发区进行海流观测以掌握当地的海流资料，来更好的进行海底管道的防护工作。

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[6]曹静.海底管道悬垮修正方法介绍[C]∥第十三届中国科协年会第13分会场-海洋工程装备发展论文集,2011.

[7]喻国良,陈琴琴,李艳红.海底管道防冲刷保护技术的发展现状与趋势[J].水利水电技术,2007,38(11):30-33.

MethodofScour-preventionforSubmarinePipelineFocusonHainan8Area

WANGYi-fei1，QIFa-qing1,WEIHong-wei2,KANChang-bin2,RENJun1,BIANHong-cun1

(1.FirstInstituteofOceanography,SOA,Qingdao 266061,China;2.LiaoheOilFieldBranchofPetroChina,Panjin 124010,China)

The exploitation of offshore oil in the Liaodong Bay gives rise to the need for massively laying of submarine pipelines.The pipelines may possibly be exposed or even suspended span due to the influences of tides and rivers in the bay,endangering the normal operation of petroleum industry and imperiling the environment.Therefore,the pipelines need to be detected and maintained regularly.Based on the testing results of submarine pipelines in the Hainan 8 area in the Liaodong Bay and combining with hydrological data and bottom sediments,the analyses of the scouring mechanism and the applicability of the approaches that have been currently and commonly used for maintaining the exposure and suspended span of the submarine pipelines are made for the area studied.

submarine pipelines； scouring； maintaining approach

2013-09-12

海南8海底管道调查

王忆非(1989-)，女，硕士研究生，主要从事海洋工程地质与勘查技术方面研究.E-mail:wangyifei3251@163.com(陈 靖 编辑)

P756.2

A

1002-3682(2014)01-0037-06