海底管線肩部三維沖刷的研究

研究了鋪設(shè)在海床上的管道在水流作用下的三維沖刷問題。現(xiàn)有的工作大都局限于繞海底管道周圍的二維沖刷現(xiàn)象，研究沖坑中部垂直于管線的截面內(nèi)的流場、泥沙運(yùn)動和床面變化，而且都只是孤立地研究沖刷起動的條件或者沖刷發(fā)展的過程。本項(xiàng)目通過理論分析、模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了多種三維的管線沖刷問題，特別研究了沖坑沿管線方向的擴(kuò)展、有限長度管線的沖刷和振動管線附近的沖刷，并同時(shí)考慮了作用在泥沙顆粒上的床面剪應(yīng)力和沙體中水力梯度所誘發(fā)的滲透力、建立了模擬沖刷發(fā)生和發(fā)展全過程的數(shù)學(xué)模型。在計(jì)算中既采用了傳統(tǒng)的基于網(wǎng)格的數(shù)值計(jì)算方法，又采用了現(xiàn)代的無網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)。通過大量的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，總結(jié)、歸納了沖刷在不同流動、床沙和管線參數(shù)組合下的發(fā)展變化規(guī)律，包括管線在振動情況下的三維沖刷。本研究豐富了近壁圓柱繞流的研究內(nèi)容，完善了描述局部泥沙運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，揭示了管線三維沖刷的機(jī)理。特別是在管道沖刷模擬中，開發(fā)了可以同時(shí)使用兩套粒子的物質(zhì)點(diǎn)算法，分別模擬水體和土體的運(yùn)動。水體的運(yùn)動包括床面上的自由水的流動和土體中的滲流流動，而土體包括沙床和做推移質(zhì)和懸移質(zhì)運(yùn)動的泥沙。通過分析床面上土顆粒在水流剪應(yīng)力和土體中滲流力聯(lián)合作用下的運(yùn)動，初步建立了水流-結(jié)構(gòu)物-床面強(qiáng)耦合系統(tǒng)的分析方法，促進(jìn)了工程水力學(xué)和工程泥沙學(xué)科的發(fā)展。 2100433B

鋪設(shè)在海底的管線干擾了局部的水流運(yùn)動，經(jīng)常導(dǎo)致管線底部的泥沙被沖走、使得管線出現(xiàn)局部懸跨而對管線的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重隱患?，F(xiàn)有的工作大都局限于繞海底管線的二維沖刷現(xiàn)象，研究沖坑中部垂直于管線的截面內(nèi)的流場、泥沙運(yùn)動和床面變化，而且都只是孤立地研究沖刷起動的條件或者沖刷發(fā)展的過程。本項(xiàng)目將通過理論分析、模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究三維的管線沖刷問題，特別要研究沖坑在端部沿管線方向的擴(kuò)展機(jī)理，并將同時(shí)考慮作用在泥沙顆粒上的床面剪應(yīng)力和沙體中水力梯度所誘發(fā)的滲透力、建立模擬沖刷發(fā)生和發(fā)展全過程的數(shù)學(xué)模型。最后，通過大量的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，總結(jié)、歸納三維沖刷在不同流動和管線參數(shù)組合下的一般規(guī)律，包括管線在振動情況下的三維沖刷。本研究將豐富近壁圓柱繞流的研究內(nèi)容，完善描述局部泥沙運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，揭示管線三維沖刷的機(jī)理。這將填補(bǔ)目前關(guān)于管線三維沖刷研究的空白，為海洋能源的開發(fā)提供技術(shù)支持。

海底管線的埋設(shè) 為防止海流沖刷、保證管線的穩(wěn)定、船舶拋錨和漁船捕魚對管線造成的損害，需將管線埋入泥面以下三倍管徑或2m深處。常用的方法是用騎在管子上的水下挖溝機(jī)以高壓水沖開管線下的泥土，靠管子自重下入溝內(nèi)，再用高壓水沖泥回填埋上。有時(shí)就靠海流沖刷自然埋填。2100433B

海底管線投產(chǎn)后不受水深、地形條件限制，可連續(xù)輸送油氣，效率高。海底管線使用技術(shù)條件與陸地上相同。由于修理困難,在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮原油性質(zhì),并根據(jù)管線周圍的氣象、海況、地形、地質(zhì)等資料，合理選擇管線的走向、規(guī)格和結(jié)構(gòu)，以確保安全使用。

海底管線的鋪設(shè)方法 有三種：①海底拖曳法。管線在陸上預(yù)制后下水,沿管線布置一定數(shù)量的浮筒,使管線浮離海底，再用絞車或拖船把管線拖到鋪設(shè)位置。此法適用于鋪設(shè)淺海短管線及穿越狹窄水道的管線。如北海一些油田用這種方法鋪設(shè)平臺與平臺間的管線。②漂浮法。管子先在陸地焊成許多長管串，用浮筒拖到海上鋪設(shè)位置，用駁船接長后撤掉浮筒，使管線下沉到預(yù)定位置。優(yōu)點(diǎn)是拖力小,設(shè)備簡單。但受氣候影響太大，而且一旦開始工作就無法中斷，只能用于鋪設(shè)工期短、規(guī)模小的管線。③鋪管船鋪設(shè)。船上設(shè)有錨泊系統(tǒng)、焊接站、探傷站、張緊器及托管架等設(shè)備。鋪管時(shí)船按鋪設(shè)線路就位并拋錨定位。預(yù)制好的管段在船上接長后從托管架上進(jìn)入水中，鋪管船靠錨泊系統(tǒng)逐步前移，焊完一段前進(jìn)一段。這是目前通行的鋪管方法。截至1982年止世界上約有70艘鋪管船，最大鋪管水深可達(dá)200m，能鋪直徑1120mm的管子。