海底管道懸空防護與治理措施淺談

王艷斌

摘 要：由于海床的不穩定性，海底管道易出現不同程度的懸空現象，為了從根源上解決問題，有關部門針對懸空路段， 分別采用人工海草、沉排、碎石回填等不同的防護措施。結果表明， 人工海草確實具有明顯的降低流速和促進泥沙淤積的功能， 但潛水員水下作業工作量較大， 不宜在水深大于 40m 的海域進行， 應避開拖網捕撈海域。水泥沉排在水下較穩定，可有效保護海底管線免受外來損害， 但是回淤促淤緩慢。當海床承載力足夠時， 采用碎石回填辦法進行海管的維護比較有效， 沖刷坑填埋充實， 可廣泛用于修正懸空。

關鍵詞：海底管道；埋藏狀態；懸空治理措施；防護效果

中圖分類號：P756.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）15-0107-01

海底管道是海上油田生產系統的重要組成部分，由于管道所處海床的不穩定性，在某些海域將會出現不同程度的管道懸空，給海管的安全運營造成威脅。治理管道懸空的方法有水泥漿袋支撐、砂袋支撐、挖溝、拋石、固定支撐、仿生水草、繞流板等方法，采用專業拋石船將碎石沿管道路由覆蓋于管道上方，對懸空和裸露管道形成支撐和覆蓋，從而達到治理懸空的目的。

1 海底管道埋藏狀態的識別

挪威船級社《海底管道系統規范》（DNV2000）規定易受損傷的管道部分以及受海底條件變化影響較大部分（如管道的支撐和埋設段）通常每年都要進行檢測，其他部分至少在5a內檢測一次。如果遇到地震、大風暴或遭受嚴重的機械損傷，還應進行特殊檢測。在海底管道運行期間，通過對管體與海床相對位置的定期檢測可以弄清管體埋深情況，是否有局部懸空及海床沖淤變化趨勢，能夠及時發現管道危險，它是現今保證海底管道在役期間安全運行的有效手段。海底管道路由調查主要通過采用高分辨海底聲學設備如精密測深（多波束）、側掃聲納、管線儀等，并進行相關的驗潮、聲速測量、DGPS定位等完成，通過綜合地球物理調查可獲得管線區海底精確的水深、地形和地貌，查明全管線的現狀如是否出露、懸空以及埋深情況等，給出裸露區的準確位置、走向、長度和懸空高度及跨距；查看有無人為破壞痕跡；查明管線區的地質災害如有無嚴重沖刷、淺層氣等災害性地質因素；對海底管線安全現狀進行評價，為海底管線的安全生產、維護提供科學依據。在通過多波束和側掃聲納來獲取調查海區地形地貌信息的同時，主要利用海底管線儀測量來調查海底管線的埋藏和出露情況，必要時結合潛水員探摸、ROV等確認。其基本原理是：儀器探頭發出高頻聲波脈沖信號，形成球面波，當碰到海底管線時，發生反射。在垂直于管線的方向上，連續接受反射波并記錄下來，在記錄剖面上，會形成一個規則的開口向下的拋物線狀記錄，拋物線的頂點即為管線的頂部。利用這種特性，很容易把海底管線與周圍海底沉積物區分開來，并獲得海底管線相對于海底的埋深和出露高度。對海底管線儀剖面記錄圖譜上出現管線反射特征——拋物線狀結構的頂點位置與海底垂向距離進行測量，得出管線坐標與管線埋深數據表。管線的埋深與水深數據結合，編繪出管線埋深剖面圖。

2 防護原理

波浪、水流會引起海底結構物底部及其附近海床的泥沙運動，即海底沖刷現象。根據海洋沖刷動力學分析，海底結構物周圍產生沖刷現象的原因主要是：海洋結構物安裝在海底后，打破了原有水下流場的平衡，引起局部水流速度加快，使水流形成一定的壓力梯度并構成對海底的剪切力，另外，海洋結構物的出現還改變了水流的方向使之產生湍流和漩渦，更加速了沖刷作用。對于海底管道而言，沖刷會導致管道外露甚至出現一定長度的懸空，若懸空管道長時間保持此狀態而沒有增加支撐和固定，將受海流沖擊而產生連續性振動，極易造成管道應力疲勞，冬季時浮冰對懸空管段可能產生直接撞擊而導致管道彎曲、位移、破損或斷裂。

3 海底管道懸空治理措施

3.1 仿生草防護

仿生草是采用耐海水浸泡的新型高分子材料加工而成，且符合海洋抗沖刷流體力學原理，從作用機理來看，當仿生草及其安裝基墊被牢固地錨固在海底需要防止或控制沖刷的預定位置之后，海底水流經過這一片仿生水草時，由于受到仿生草的柔性黏滯阻尼作用，流速得到降低，減緩了水流對海床的沖刷作用，同時，由于流速的降低和仿生水草的阻礙，促使水流中夾帶的泥沙在重力作用下不斷地沉積到仿生水草安裝基墊上，逐漸形成被仿生草加強了的海底沙洲，從而抑制了海底結構物附近海床的沖刷。仿生草防護多用于水深量較淺，含沙量較高的水域。由于人工海草安裝所在海域屬于傳統的漁獵場所，大量的拖網捕魚船只在此拖網捕魚、捕蝦，對安裝種植的人工海草具有致命的、毀滅性的破壞，人工海草已丟失，已不能起到保護海管的作用。根據國土資源部2004年公布的《海底電纜管道保護規定》，禁止在海底電纜管道保護區范圍內（沿海寬闊海域、海灣等狹窄海域、海港區內等分別為海底電纜管道兩側各500，100，50m）從事挖砂、鉆探、拋錨、底拖捕撈、張網、養殖或其他可能破壞海底原油輸送管線的作業，將有利于保護人工海草，有利于海底管道懸空的治理工作。總之，人工海草的緩流促淤功能是不容忽視的，但該方法潛水員水下作業工作量較大，不宜在水深大于40m的海域進行，而且為防止人工海草的丟失，應避開拖網捕撈海域，這樣更有利于海底管道懸空的治理。

3.2 局部拋石治理管道

懸空的機理與沙袋支撐、水泥漿袋支撐機理類似，但其具有自身獨特的優點：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，石堆整體沉降后包裹在管道周邊的石子能自由滑落并繼續支撐，因此局部拋石石堆對環境的抵抗性更強、支撐效果更長久。局部拋石治理管道懸空理論在國內外研究較少，缺乏可靠的理論參考。由此，以某在役海底管道為研究對象，采用縮尺方法設計室內試驗方案，為局部拋石治理管道懸空問題提供參考依據。某海底管道長期坐落于海床，承受著海流、內波及波浪等各種環境載荷作用：當水深超過40m時，海流起主導作用；當水深小于40m時，波浪起主導作用；內波作用的大小，主要取決于內波與海底管道的距離。因此，試驗的環境參數為等效流速，以下考察局部拋石石堆在各流速沖擊下的穩定性。為了綜合考慮上述3種環境參數對海底管道的影響，結合試驗條件，根據波流轉換公式，將內波與波浪變換成流，得到綜合環境作用下的等效流速。治理海管附近沖刷，進而減少或消除管道懸空的方法主要有以下幾種類型：（1）用沙袋、鋼筋籠、灰漿氣囊袋、水下短樁、升高枕或機械裝置等支撐管道；（2）回填被掏空的海床；（3）在管道上壓載保護性沉床；（4）固定管道；（5）柔性保護措施，如人工海草、人工網墊、阻流板等。也可采用復合方法來治理海管懸空。

4 結語

鋪設于管線上的水泥沉排在水下較穩定，可有效保護海底管線免受外來損害，但其自身重量和回淤促淤緩慢是不可忽視的弱點。經過礫石回填處理的海床穩定、平坦，管線兩側沖刷坑填埋充實，當海床的承載力足以支撐傾倒材料時，可廣泛修正海管懸空。

參考文獻

[1]蔣習民，陳同彥.仿生水草治理海底管道懸空情況探查及改進措施[J].石油工程建設，2013，05：15-18+7.

[2]趙益民，胡光海，董立峰，周其坤.埕島油田海底管道懸空治理和檢測[J].海岸工程，2012，02：14-20.

[3]王煜博.BZ34-1至友誼號海底管道的安全評價技術研究[D].西南石油大學，2015.

[4]劉錦昆.淺海海底管道懸空段防護技術研究及應用[D].中國石油大學（華東），2014.

[5]文世鵬.埕島油田海底主登陸管道檢測與安全評價[D].中國海洋大學，2014.

[6]劉國強，張樂民.關于改進仿生水草海底管道懸空治理效果的探討[J].工程質量，2014，10：38-41.endprint