仿生水草在海底管道悬空防护中的应用

＊孟山雅

（中海油能源发展采办共享中心 天津 300452）

前言

海底管道的位置一般较为复杂，常常因为非法取沙、冲刷、渔网冲击、钩拉等因素使海底管道出现悬空、裸漏的问题，对海底管道的运行安全性产生影响，使海底油气发生严重的泄露问题，影响整个海洋的生态环境，需要花费大量的施工成本对海底管道进行维修。传统的吹砂填坑的措施任务量较大、工作效率较低，根本无法彻底解决海底管道的安全问题，因此，需要采用仿生水草的措施抵御海底复杂环境的冲刷、淤积现象，为海底管道悬空防护提供科学有效的治理方案。

1.海底管道悬空产生的原因及危害

(1)冲刷现象

海底管道附近的构筑物和附近的海床会由于波浪、水流的存在从而引起泥沙运动，从而使原有的流场发生变化，海流速度不断加快，从而形成漩涡和湍流，从而产生海底冲刷现象，使泥沙水力输移的平衡状态被打破，局部水流速度不断加快的同时，从水流中产生的压力梯度会对海底形成一种剪切力。如果海床泥沙的速度远低于水流速度，海底的泥沙将会被急速变化的水流带走，最终在海底管道处形成悬空危害，或者在海底构筑物附近产生一些凹坑。对于海底管道而言，冲刷现象会导致管道出现悬空危害，长久的状态下，会使悬空管道因为没有支撑点从而受海流的冲击作用引发不间断的振动，引起管道产生应力疲劳危害，更有甚者，冬天形成的浮冰会撞击悬空管道，从而引起管道变形、断裂等问题。

(2)海底地形变化

海底环境较为复杂，深处的海底地形呈现不规则、起伏的特点，从而引起海底管道的安全风险问题。由于海底沙坡、沙脊的变化使地形发生位移，由于沙坡和沙脊经常受到沉积物粒度和水动力条件的影响，这种影响使得地形产生较大的变化，使铺设的管道出现悬空的危害，因此，需要远离这两处位置进行管道的铺设。海底管道的安全性还会受到海床侵蚀现象的影响，由于海床的范围较大，根据相关数据表明，海域出现海床侵蚀是普遍存在的现象，一般侵蚀的深度在较小的范围内，如：雁滩侵蚀的深度为4.7cm，从而使海底管道出现全面或者局部悬空的危害。在管道安装过程中，还会因为施工技术带来的安全问题，从而对管道产生直接影响的热应力，使管道发生局部变形的危害。

(3)管道悬空产生的危害

海底管道由于复杂的海洋生态环境而产生的悬空危害，使海底管道造成的应力疲劳引发严重的安全风险问题。海底管道悬空会由于海底的局部管段脱离海床表面，主要是由于海床位移变化、沙坡沙脊的运动使海底发生冲刷现象。施工队伍需要严格按照施工标准，对安装的管道进行设计，如果设计的管道长度超出范围，就会使海底管道在海流冲击的影响下提高管道内部的应力值，使海底管道出现变形的危害。在相应的条件下，震动频率和管道的振动频率产生共振，管道会由于一定的振动作用出现破裂现象，严重影响生产活动；破裂的输油管道也会泄露原油，对海底生态环境产生严重的破坏，在后期的修补维护过程中，需要投入较大的维修成本，造成相关企业的经济损失。

2.仿生水草防护作用机理

仿真水草技术应用于海底管道悬空防护过程中，通过模拟建立海底水草环境，海草本身具有的降流促淤作用能够解决管道附近的冲刷现象，当海底的水流经过铺设的仿生水草时，由于仿生水草本身的柔性粘性滞阻尼的影响，使水流本身的速度慢慢变小，携带的流沙会停留在仿生水草上。仿生草技术一般由低于海水密度的较为先进的高分子材料进行加工，在基垫上设置仿生水草，根据海洋抗冲刷流体力学原理，在管道两端位置的海床上安装锚固装置。在管道附近形成海底沙洲，从而对管道产生一种掩埋性的保护作用，仿生水草的存在会进一步加强防御冲刷现象的作用，为保护管道的安全性创造有利的条件。针对流速较快、含泥沙量较大的海域，一般采用仿生水草技术，可以降低施工成本，施工工艺也较为简单，能够在较短的时间内，提高仿生水草带的制造效率。

仿生水草铺设的总体效果较好，但会有一些水草被冲走，仿生水草的使用寿命一般超过25年。如果不在海底建立全新的海底构筑物，就不会再次发生冲刷现象，防止冲刷带来的危害进一步扩大，避免对海底管道的安全性和可靠性产生影响。水下作业任务量繁重，作业环境一般位于海底环境，不能应用于传统的较浅的海域。

3.仿生水草应用于海底管道的悬空防护效果

(1)仿生水草的适用环境

在治理海底管道的悬空危害时，对海底环境进行实地勘察，根据相关资料分析不同的海底环境，一般将海区内的岩土层分为4层，分别为淤泥质粉质粘土、粉砂、黏质粉土和粉砂，各层的承载力的许可值为60kPa、130kPa、150kPa、180kPa；某些地区的海域海流速度频率彼此较为接近，海流速度一般分为涨潮流均速、落潮流均速，通常涨潮流速度大于落潮流，但时间往往低于落潮流；或者一些海域含沙量较多，具有广阔的滩涂，在海底淤积大量泥沙的海域，会由于快速的海流速度携带大量流沙进入内海；或者处于0°～45°范围的由人力引起的迎水面坡度，上述的环境一般适用于采用仿生水草技术，解决海床、沙脊沙坡的冲刷现象。

(2)仿生水草应用试验

根据相关的勘察数据可知，在海底管道上选择发生裸漏、悬空现象的区域开展仿生水草试验，选取的区域一般较为严重，根据相应的施工要求铺设仿生水草，但在铺设之前，需要用沙袋回填法进行处理，并保证回填的高度必须始终超过管顶0.1m，堆放的沙袋和斜坡迎水面之间的角度设置为30°。仿生水草铺设的宽度一般为10m，并采用锚固装置的方式并保证水草铺设的闭合度，在管道两端铺设沙袋、高强织布的方式进行悬空防护，有效防止海流速度对海底管道的二次冲刷。

(3)仿生水草的悬空防护效果

开展完仿生水草应用试验后，需要对仿生水草的悬空防护效果进行检验。有关研究所需要安排课题组在不同的年份对海底管道仿生水草铺设的海域进行多次多波束探测，使用侧扫声呐和海底管线仪剖面开展测量工作，根据研究调查可知，前几次的测量情况发现海底管道出现较为严重的出露情况，超出大半以上的海底管道已经露出海底表层。根据海底管道的埋藏现状可知，研究所早年设计出两种不同规格的仿生水草，并在海底管道的悬空管段周围铺设仿生水草，后续阶段，需要安排专业的潜水人员对仿生水草的状态进行检测。如果经过检测的结果得知，仿生水草没有被破坏，则其本身具有的降流促淤的功能可以有效防止冲刷现象。

一般来说，长度越高的仿生水草的防护效果越好，铺设的仿生水草会吸附海流携带的泥沙，在长时间的使用状态下，大多数海草会出现倒伏、掩埋的现象，但遗留的海草仍可以产生降低海流速度的效果。在海底管道上铺设仿真水草，相比于铺设在海底管道的周围，一般直接接触管道会产生更好的效果。一般仿真海草铺设的海域属于捕鱼猎场，大量的渔船会往来到该区域，捕鱼网会对管道上铺设的仿真水草产生严重的破坏，无法保证仿真水草对海底管道的悬空防护效果。为了使得仿真水草具有更好的效果，需要在管道上铺设仿生防冲刷保护系统，防止海底管道遭到严重的破坏，并出台相应的政策禁止在管道保护区域进行相关的生产活动，禁止相关人员在此处开展养殖活动、钻探挖砂、底拖捕捞等行为，防止对仿生水草的破坏，有利于更好地治理海底管道悬空效果。

但是，根据相关研究可知，仿生水草并不能彻底解决管道悬空问题，针对部分裸漏现象的管道，涡流作用增加海床上的剪切力，使桩脚处产生较大的冲刷现象，一般管线和潮流的方向在40°以下时，仿生水草所产生的降流促淤效果最好。

4.结束语

综上所述，海底管道由于长期处于较为复杂的环境中，受到各种因素的影响，从而产生悬空、裸漏的现象。施工单位需要根据相关调查资料开展海底管道悬空防护，根据海底管道不同的海底环境进行仿生水草铺设，通过其降流促淤的功能避免海底管道受到海流冲刷的影响，提高海底管道的防护效果。