海底管道悬空防护与治理措施浅谈

王艳斌

摘 要：由于海床的不稳定性，海底管道易出现不同程度的悬空现象，为了从根源上解决问题，有关部门针对悬空路段， 分别采用人工海草、沉排、碎石回填等不同的防护措施。结果表明， 人工海草确实具有明显的降低流速和促进泥沙淤积的功能， 但潜水员水下作业工作量较大， 不宜在水深大于 40m 的海域进行， 应避开拖网捕捞海域。水泥沉排在水下较稳定，可有效保护海底管线免受外来损害， 但是回淤促淤缓慢。当海床承载力足够时， 采用碎石回填办法进行海管的维护比较有效， 冲刷坑填埋充实， 可广泛用于修正悬空。

关键词：海底管道；埋藏状态；悬空治理措施；防护效果

中图分类号：P756.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）15-0107-01

海底管道是海上油田生产系统的重要组成部分，由于管道所处海床的不稳定性，在某些海域将会出现不同程度的管道悬空，给海管的安全运营造成威胁。治理管道悬空的方法有水泥浆袋支撑、砂袋支撑、挖沟、抛石、固定支撑、仿生水草、绕流板等方法，采用专业抛石船将碎石沿管道路由覆盖于管道上方，对悬空和裸露管道形成支撑和覆盖，从而达到治理悬空的目的。

1 海底管道埋藏状态的识别

挪威船级社《海底管道系统规范》（DNV2000）规定易受损伤的管道部分以及受海底条件变化影响较大部分（如管道的支撑和埋设段）通常每年都要进行检测，其他部分至少在5a内检测一次。如果遇到地震、大风暴或遭受严重的机械损伤，还应进行特殊检测。在海底管道运行期间，通过对管体与海床相对位置的定期检测可以弄清管体埋深情况，是否有局部悬空及海床冲淤变化趋势，能够及时发现管道危险，它是现今保证海底管道在役期间安全运行的有效手段。海底管道路由调查主要通过采用高分辨海底声学设备如精密测深（多波束）、侧扫声纳、管线仪等，并进行相关的验潮、声速测量、DGPS定位等完成，通过综合地球物理调查可获得管线区海底精确的水深、地形和地貌，查明全管线的现状如是否出露、悬空以及埋深情况等，给出裸露区的准确位置、走向、长度和悬空高度及跨距；查看有无人为破坏痕迹；查明管线区的地质灾害如有无严重冲刷、浅层气等灾害性地质因素；对海底管线安全现状进行评价，为海底管线的安全生产、维护提供科学依据。在通过多波束和侧扫声纳来获取调查海区地形地貌信息的同时，主要利用海底管线仪测量来调查海底管线的埋藏和出露情况，必要时结合潜水员探摸、ROV等确认。其基本原理是：仪器探头发出高频声波脉冲信号，形成球面波，当碰到海底管线时，发生反射。在垂直于管线的方向上，连续接受反射波并记录下来，在记录剖面上，会形成一个规则的开口向下的抛物线状记录，抛物线的顶点即为管线的顶部。利用这种特性，很容易把海底管线与周围海底沉积物区分开来，并获得海底管线相对于海底的埋深和出露高度。对海底管线仪剖面记录图谱上出现管线反射特征——抛物线状结构的顶点位置与海底垂向距离进行测量，得出管线坐标与管线埋深数据表。管线的埋深与水深数据结合，编绘出管线埋深剖面图。

2 防护原理

波浪、水流会引起海底结构物底部及其附近海床的泥沙运动，即海底冲刷现象。根据海洋冲刷动力学分析，海底结构物周围产生冲刷现象的原因主要是：海洋结构物安装在海底后，打破了原有水下流场的平衡，引起局部水流速度加快，使水流形成一定的压力梯度并构成对海底的剪切力，另外，海洋结构物的出现还改变了水流的方向使之产生湍流和漩涡，更加速了冲刷作用。对于海底管道而言，冲刷会导致管道外露甚至出現一定长度的悬空，若悬空管道长时间保持此状态而没有增加支撑和固定，将受海流冲击而产生连续性振动，极易造成管道应力疲劳，冬季时浮冰对悬空管段可能产生直接撞击而导致管道弯曲、位移、破损或断裂。

3 海底管道悬空治理措施

3.1 仿生草防护

仿生草是采用耐海水浸泡的新型高分子材料加工而成，且符合海洋抗冲刷流体力学原理，从作用机理来看，当仿生草及其安装基垫被牢固地锚固在海底需要防止或控制冲刷的预定位置之后，海底水流经过这一片仿生水草时，由于受到仿生草的柔性黏滞阻尼作用，流速得到降低，减缓了水流对海床的冲刷作用，同时，由于流速的降低和仿生水草的阻碍，促使水流中夹带的泥沙在重力作用下不断地沉积到仿生水草安装基垫上，逐渐形成被仿生草加强了的海底沙洲，从而抑制了海底结构物附近海床的冲刷。仿生草防护多用于水深量较浅，含沙量较高的水域。由于人工海草安装所在海域属于传统的渔猎场所，大量的拖网捕鱼船只在此拖网捕鱼、捕虾，对安装种植的人工海草具有致命的、毁灭性的破坏，人工海草已丢失，已不能起到保护海管的作用。根据国土资源部2004年公布的《海底电缆管道保护规定》，禁止在海底电缆管道保护区范围内（沿海宽阔海域、海湾等狭窄海域、海港区内等分别为海底电缆管道两侧各500，100，50m）从事挖砂、钻探、抛锚、底拖捕捞、张网、养殖或其他可能破坏海底原油输送管线的作业，将有利于保护人工海草，有利于海底管道悬空的治理工作。总之，人工海草的缓流促淤功能是不容忽视的，但该方法潜水员水下作业工作量较大，不宜在水深大于40m的海域进行，而且为防止人工海草的丢失，应避开拖网捕捞海域，这样更有利于海底管道悬空的治理。

3.2 局部抛石治理管道

悬空的机理与沙袋支撑、水泥浆袋支撑机理类似，但其具有自身独特的优点：在石堆局部失效后，石堆上方石子在重力作用下能自然填充，石堆整体沉降后包裹在管道周边的石子能自由滑落并继续支撑，因此局部抛石石堆对环境的抵抗性更强、支撑效果更长久。局部抛石治理管道悬空理论在国内外研究较少，缺乏可靠的理论参考。由此，以某在役海底管道为研究对象，采用缩尺方法设计室内试验方案，为局部抛石治理管道悬空问题提供参考依据。某海底管道长期坐落于海床，承受着海流、内波及波浪等各种环境载荷作用：当水深超过40m时，海流起主导作用；当水深小于40m时，波浪起主导作用；内波作用的大小，主要取决于内波与海底管道的距离。因此，试验的环境参数为等效流速，以下考察局部抛石石堆在各流速冲击下的稳定性。为了综合考虑上述3种环境参数对海底管道的影响，结合试验条件，根据波流转换公式，将内波与波浪变换成流，得到综合环境作用下的等效流速。治理海管附近冲刷，进而减少或消除管道悬空的方法主要有以下几种类型：（1）用沙袋、钢筋笼、灰浆气囊袋、水下短桩、升高枕或机械装置等支撑管道；（2）回填被掏空的海床；（3）在管道上压载保护性沉床；（4）固定管道；（5）柔性保护措施，如人工海草、人工网垫、阻流板等。也可采用复合方法来治理海管悬空。

4 结语

铺设于管线上的水泥沉排在水下较稳定，可有效保护海底管线免受外来损害，但其自身重量和回淤促淤缓慢是不可忽视的弱点。经过砾石回填处理的海床稳定、平坦，管线两侧冲刷坑填埋充实，当海床的承载力足以支撑倾倒材料时，可广泛修正海管悬空。

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