海底管线肩部三维冲刷的研究

研究了铺设在海床上的管道在水流作用下的三维冲刷问题。现有的工作大都局限于绕海底管道周围的二维冲刷现象，研究冲坑中部垂直于管线的截面内的流场、泥沙运动和床面变化，而且都只是孤立地研究冲刷起动的条件或者冲刷发展的过程。本项目通过理论分析、模型实验和数值模拟，研究了多种三维的管线冲刷问题，特别研究了冲坑沿管线方向的扩展、有限长度管线的冲刷和振动管线附近的冲刷，并同时考虑了作用在泥沙颗粒上的床面剪应力和沙体中水力梯度所诱发的渗透力、建立了模拟冲刷发生和发展全过程的数学模型。在计算中既采用了传统的基于网格的数值计算方法，又采用了现代的无网格计算技术。通过大量的数值实验，总结、归纳了冲刷在不同流动、床沙和管线参数组合下的发展变化规律，包括管线在振动情况下的三维冲刷。本研究丰富了近壁圆柱绕流的研究内容，完善了描述局部泥沙运动的数学模型，揭示了管线三维冲刷的机理。特别是在管道冲刷模拟中，开发了可以同时使用两套粒子的物质点算法，分别模拟水体和土体的运动。水体的运动包括床面上的自由水的流动和土体中的渗流流动，而土体包括沙床和做推移质和悬移质运动的泥沙。通过分析床面上土颗粒在水流剪应力和土体中渗流力联合作用下的运动，初步建立了水流-结构物-床面强耦合系统的分析方法，促进了工程水力学和工程泥沙学科的发展。 2100433B

铺设在海底的管线干扰了局部的水流运动，经常导致管线底部的泥沙被冲走、使得管线出现局部悬跨而对管线的安全运行造成严重隐患。现有的工作大都局限于绕海底管线的二维冲刷现象，研究冲坑中部垂直于管线的截面内的流场、泥沙运动和床面变化，而且都只是孤立地研究冲刷起动的条件或者冲刷发展的过程。本项目将通过理论分析、模型实验和数值模拟，研究三维的管线冲刷问题，特别要研究冲坑在端部沿管线方向的扩展机理，并将同时考虑作用在泥沙颗粒上的床面剪应力和沙体中水力梯度所诱发的渗透力、建立模拟冲刷发生和发展全过程的数学模型。最后，通过大量的数值实验，总结、归纳三维冲刷在不同流动和管线参数组合下的一般规律，包括管线在振动情况下的三维冲刷。本研究将丰富近壁圆柱绕流的研究内容，完善描述局部泥沙运动的数学模型，揭示管线三维冲刷的机理。这将填补目前关于管线三维冲刷研究的空白，为海洋能源的开发提供技术支持。

海底管线的埋设 为防止海流冲刷、保证管线的稳定、船舶抛锚和渔船捕鱼对管线造成的损害，需将管线埋入泥面以下三倍管径或2m深处。常用的方法是用骑在管子上的水下挖沟机以高压水冲开管线下的泥土，靠管子自重下入沟内，再用高压水冲泥回填埋上。有时就靠海流冲刷自然埋填。2100433B

海底管线投产后不受水深、地形条件限制，可连续输送油气，效率高。海底管线使用技术条件与陆地上相同。由于修理困难,在设计时要考虑原油性质,并根据管线周围的气象、海况、地形、地质等资料，合理选择管线的走向、规格和结构，以确保安全使用。

海底管线的铺设方法 有三种：①海底拖曳法。管线在陆上预制后下水,沿管线布置一定数量的浮筒,使管线浮离海底，再用绞车或拖船把管线拖到铺设位置。此法适用于铺设浅海短管线及穿越狭窄水道的管线。如北海一些油田用这种方法铺设平台与平台间的管线。②漂浮法。管子先在陆地焊成许多长管串，用浮筒拖到海上铺设位置，用驳船接长后撤掉浮筒，使管线下沉到预定位置。优点是拖力小,设备简单。但受气候影响太大，而且一旦开始工作就无法中断，只能用于铺设工期短、规模小的管线。③铺管船铺设。船上设有锚泊系统、焊接站、探伤站、张紧器及托管架等设备。铺管时船按铺设线路就位并抛锚定位。预制好的管段在船上接长后从托管架上进入水中，铺管船靠锚泊系统逐步前移，焊完一段前进一段。这是目前通行的铺管方法。截至1982年止世界上约有70艘铺管船，最大铺管水深可达200m，能铺直径1120mm的管子。