海底管線肩部三維沖刷的研究結(jié)題摘要

研究了鋪設在海床上的管道在水流作用下的三維沖刷問題?，F(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。本項目通過理論分析、模型實驗和數(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展、有限長度管線的沖刷和振動管線附近的沖刷，并同時考慮了作用在泥沙顆粒上的床面剪應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)學模型。在計算中既采用了傳統(tǒng)的基于網(wǎng)格的數(shù)值計算方法，又采用了現(xiàn)代的無網(wǎng)格計算技術。通過大量的數(shù)值實驗，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動的數(shù)學模型，揭示了管線三維沖刷的機理。特別是在管道沖刷模擬中，開發(fā)了可以同時使用兩套粒子的物質(zhì)點算法，分別模擬水體和土體的運動。水體的運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)運動的泥沙。通過分析床面上土顆粒在水流剪應力和土體中滲流力聯(lián)合作用下的運動，初步建立了水流-結(jié)構物-床面強耦合系統(tǒng)的分析方法，促進了工程水力學和工程泥沙學科的發(fā)展。 2100433B

鋪設在海底的管線干擾了局部的水流運動，經(jīng)常導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行造成嚴重隱患?，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。本項目將通過理論分析、模型實驗和數(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展機理，并將同時考慮作用在泥沙顆粒上的床面剪應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)學模型。最后，通過大量的數(shù)值實驗，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動的數(shù)學模型，揭示管線三維沖刷的機理。這將填補目前關于管線三維沖刷研究的空白，為海洋能源的開發(fā)提供技術支持。

海底管線的埋設 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。海底管線使用技術條件與陸地上相同。由于修理困難,在設計時要考慮原油性質(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，以確保安全使用。

海底管線的鋪設方法 有三種：①海底拖曳法。管線在陸上預制后下水,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位置。此法適用于鋪設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位置，用駁船接長后撤掉浮筒，使管線下沉到預定位置。優(yōu)點是拖力小,設備簡單。但受氣候影響太大，而且一旦開始工作就無法中斷，只能用于鋪設工期短、規(guī)模小的管線。③鋪管船鋪設。船上設有錨泊系統(tǒng)、焊接站、探傷站、張緊器及托管架等設備。鋪管時船按鋪設線路就位并拋錨定位。預制好的管段在船上接長后從托管架上進入水中，鋪管船靠錨泊系統(tǒng)逐步前移，焊完一段前進一段。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200m，能鋪直徑1120mm的管子。