海底管道砂袋堆疊防護效果數值模擬

于俊峰

勝利油田海洋采油廠，山東東營 257237

海底管道是海上油氣運輸最主要的方式之一，有著便捷、經濟和運輸量大等優點。海底管道處于海底復雜多變的危險環境中，其安全性和穩定性難以保證[1-2]。管道懸空是海底管道面臨的安全風險之一，為此提出了多種海底管道防護措施，其中拋填砂袋是海底管道懸空的主要治理措施。但堆疊的砂袋易出現倒塌和被海流沖走等問題，從而導致管道失效，例如，平湖油氣田海底輸油管道岱山登陸段雖定期進行砂包回填加固，但仍不能有效杜絕管道懸空，呈現“懸空-回填-沖刷-出露-懸空”的惡性循環[3-5]。因此，有必要研究如何避免砂袋被沖走。本文以渤海某海底管道懸空治理案例中砂袋堆疊形式為研究對象，運用Fluent軟件建立二維流場模型，分析不同形式砂袋堆疊周圍流場分布及變化規律，旨在通過優化砂袋堆疊的形式來降低砂袋被沖走的風險。

1 控制方程組的建立

假設海流流速恒定，基于κ-ε湍流模型的二維流場模型，渦黏性系數由湍動能κ和湍動能耗散率ε來確定，其流動方程為：

式中：ui、uj（i=1，2；j=1，2） 為流體速度，m/s；xi、xj（i=1，2；j=1，2） 為坐標系，x1、x2分別代表x、y坐標；t為時間，s；ρ為流體密度，kg/m3；p為靜壓，Pa；μ為流體運動黏性系數；μt為湍流黏性系數，μt=Cμκ2/ε （Cμ為常數，取0.09）；Gκ為中間變量，Gκ= μt（?ui/?xj+ ?uj/?xi）?ui/?xj；σκ、σε、C1ε、C2ε為常數，取 σκ=1.0、σε=1.3、C1ε=1.44、C2ε=1.92。

2 邊界條件及網格劃分

渤海某海底管道懸空治理案例采用砂袋堆疊堤壩形式保護海底管道。本文將該保護形式簡化為二維模型（見圖1），采用標準κ-ε湍流模型，并用更適合求解黏性底層和過渡層的低雷諾數κ-ε模型來模擬流體流動[6-10]。速度入口邊界參考渤海平均潮流速度，入口速度設置為0.5 m/s，海床面及砂袋表面壁面粗糙度設置為默認值0.5，為防止流體受到頂面壁面的摩擦作用而影響流場分布，頂面設定無摩擦壁面，即壁面粗糙度為0，出口設置為壓力出口邊界條件。利用ICEM軟件對計算區域進行網格劃分，采用適應性較好的非結構性網格，且為滿足數值計算精度與穩定性，網格的最大尺寸設為0.1 m。在海床面和砂袋表面區域進行邊界層劃分并加密，最終將劃分好的網格導入Fluent中進行計算。

圖1 砂袋堆疊二維模型示意

3 結果分析

3.1 砂袋堆疊傾角對流場的影響

選用渤海某海底管道懸空治理案例的砂袋堆疊形式為例（頂寬3 m、底寬12 m、高度1.5 m、傾角18.4°），當確定砂袋堆疊傾角、砂袋堆疊頂寬和砂袋堆疊高度的數值時，可以確定砂袋堆疊截面形式，從這三個方面來分析砂袋堆疊形式對流場的影響[11]。取砂袋堆疊頂寬為3 m、高度1.5 m，且保持頂寬、高度皆不變，傾角分別為14.0°、18.4°、23.2°、26.6°、45.0°，其底寬相應變化，依次為15、12、10、9、6 m，模擬計算不同堆疊傾角時（見圖2）砂袋堆疊周圍流場分布變化，分析砂袋堆疊傾角對流場的影響。

圖2 砂袋堆疊不同傾角模型示意

通過模擬計算砂袋堆疊前后壓力，得到壓力差隨水平高度分布情況（見圖3），并且得到在不同砂袋堆疊傾角情況下，其周圍流場壓力云圖和速度云圖隨砂袋堆疊傾角的變化情況（分別見圖4和圖5）。當砂袋堆疊傾角小于23.2°時，壓力差隨水平高度增加而增加，壓力和速度變化幅度小，砂袋堆疊后方流場較為穩定，且傾角越大砂袋堆疊前后壓力差就越大；當砂袋堆疊傾角大于23.2°時，壓力差隨水平高度增加呈現下降趨勢，砂袋堆疊后方會形成漩渦，傾角越大漩渦的直徑越大，壓力差越大，而速度流場會發生擾動，且傾角越大擾動程度越大，增加流場不穩定因素。為避免來流在砂袋堆疊后方形成漩渦，進而對海床形成二次沖刷，砂袋堆疊傾角應該小于26.6°。

圖3 砂袋堆疊前后壓力差隨水平高度分布

圖4 不同傾角下砂袋堆疊流場壓力云圖/Pa

圖5 不同傾角下砂袋堆疊流場速度云圖/（m·s-1）

3.2 砂袋堆疊頂寬對流場的影響

取砂袋堆疊傾角18.4°，堆疊高度1.5 m，且保持傾角、高度皆不變，頂寬分別為2、3、4、5、6m，其底寬相應變化，依次為11、12、13、14、15m，模擬計算不同堆疊頂寬時（見圖6）砂袋堆疊周圍流場分布變化，分析堆疊頂寬對流場的影響。

圖6 砂袋堆疊不同頂寬模型示意

模擬結果顯示，不同堆疊頂寬的壓力和速度云圖趨勢相同，且數值變化不大（見圖7），砂袋堆疊前后壓力差先隨著水平高度增大而增大，當接近頂端時由于流體受到阻礙少，壓力差隨水平高度增加而減小。最大砂袋堆疊前后壓力差出現在來流面靠近坡頂處，其所處高度約為砂袋堆疊高度的90%，隨頂端寬度增加而減小，最小壓力差出現在底端，隨著頂端寬度增加而增加。當頂寬大于3 m時，平均壓力差隨頂端寬度增加而下降，但壓力差下降很小，即頂端寬度對壓力差影響較?。划旐攲捫∮? m時，由于水流受到的砂袋堆疊阻擋作用變小，頂層砂袋受到的壓力差大幅度增加。

圖7 砂袋堆疊前后壓力差隨水平高度的變化曲線

3.3 砂袋堆疊高度對流場的影響

取砂袋堆疊頂寬為3 m，堆疊傾角18.4°，且保持頂寬、傾角皆不變，堆疊高度分別為1.00、1.25、1.50、1.75、2.00 m，建立如圖8所示的不同砂袋堆疊高度模型（其底寬相應變化，依次為9、10.5、12、13.5、15 m），模擬計算不同堆疊高度時砂袋堆疊周圍流場分布變化，分析砂袋堆疊高度對流場的影響。

圖8 砂袋堆疊不同高度模型示意

模擬結果顯示，砂袋堆疊周圍壓力和速度變化趨勢相同，但數值相差較大。砂袋堆疊前后壓力差隨水平高度變化曲線見圖9，砂袋堆疊前后平均壓力差會隨著堆疊高度而增長，砂袋堆疊高度會大幅度地增加壓力差。與原模型堆疊高度1.5 m時的平均壓力差77.58 Pa相比較，堆疊高度1 m時平均壓力差為64.51 Pa，下降了16.8%；堆疊高度2 m時平均壓力差為93.85 Pa，上升了21.0%：堆疊高度越高，壓力差增長越快。

圖9 砂袋堆疊前后壓力差隨水平高度的變化曲線

4 結論及建議

（1） 當砂袋堆疊傾角小于23.2°時，砂袋堆疊前后壓力差隨水平高度增加而增加，壓力和速度變化幅度小，砂袋堆疊后方流場較為穩定；當堆疊傾角大于23.2°時，壓力差隨水平高度增加而降低，而砂袋堆疊后方會形成漩渦，壓力漩渦的直徑隨傾角增大而增大。為避免砂袋堆疊周圍形成二次沖刷，砂袋堆疊傾角應小于26.6°?？傮w而言，壓力差隨堆疊傾角減小而減小，降低堆疊傾角可以降低被沖走的風險，但會增加用砂量。

（2）砂袋堆疊堤壩頂寬大于3 m時，頂寬對砂袋堆疊前后壓力差影響較小，頂寬小于3 m時，由于水流受到砂袋堆疊的阻擋作用變小，頂層砂袋受到的壓力差大幅度增加。減小堆疊頂端寬度可以減少用砂量，但頂寬過窄會使得壓力差急劇上升，可能導致頂層砂袋被沖走甚至發生倒塌。

（3）砂袋堆疊高度增加會大幅度地增加壓力差，且堆疊高度越高，壓力差增加速度越快。在保證完全掩埋海底管道的基礎上，降低砂袋堆疊高度，可以減少砂袋被沖走的風險，且能夠減少工程施工成本。