王憶非，亓發(fā)慶，徐國(guó)強(qiáng)，魏宏偉，闞長(zhǎng)賓，任 軍，邊洪村

(1.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤(pán)錦 124010)

海底管道裸露與懸跨維護(hù)方法研究*1

王憶非1，亓發(fā)慶1，徐國(guó)強(qiáng)1，魏宏偉2，闞長(zhǎng)賓2，任 軍1，邊洪村1

(1.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤(pán)錦 124010)

隨著遼東灣淺海油氣的開(kāi)發(fā)，該海域海底管道的鋪設(shè)增多。該區(qū)域受潮汐、河流等因素影響，海底管道可能出現(xiàn)裸露與懸跨現(xiàn)象，需要人為定期檢測(cè)與維護(hù)。根據(jù)遼東灣海南8管道的檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合海底沉積物、水文等資料，分析了該海區(qū)沖刷機(jī)制和現(xiàn)今常用的海底管道裸露與懸跨的維護(hù)方法在該海域的適用性。

海底管道；沖刷；裸露與懸跨；維護(hù)方法

隨著海上石油開(kāi)發(fā)的進(jìn)展，海底石油輸送管道的鋪設(shè)日益增多。海底管道多為埋設(shè)管道，但自然因素和一些人為因素都可能對(duì)海底的石油輸送管道造成損害，引起管道裸露、懸跨、腐蝕等，進(jìn)而危害海底管道的安全運(yùn)行，造成經(jīng)濟(jì)和環(huán)境多方面的損失。因此對(duì)于海底石油輸送管道的定期檢測(cè)和管道出現(xiàn)裸露與懸跨后的維護(hù)方法研究非常重要。

依據(jù)遼東灣海南8人工島海底管道檢測(cè)資料和研究區(qū)潮流等資料，分析了管道裸露與懸跨的原因，對(duì)海南8及遼東灣北部海域海底管道維護(hù)方法進(jìn)行了初步研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于渤海最北部，遼寧省營(yíng)口市鲅魚(yú)圈韭菜坨子至錦西市葫蘆島高角連線(xiàn)以北的遼東灣頂部海域，屬于遼河油田淺海油氣資源開(kāi)發(fā)區(qū)(圖1)。該區(qū)域修建了多個(gè)海上人工島，也鋪設(shè)了多條海底管道，海底管道防護(hù)方法的研究對(duì)本區(qū)域海洋石油開(kāi)發(fā)有重要意義。

該區(qū)海底整體由北向南逐漸降低，除河口區(qū)外，淺海區(qū)域地形比較平坦，等深線(xiàn)基本與岸線(xiàn)平行。海底管道自海南8人工島向東北雙臺(tái)子河口外的東、西兩個(gè)潮汐通道處轉(zhuǎn)向東由海南3采油區(qū)登陸。如圖2所示，該區(qū)域除雙臺(tái)子河口外兩個(gè)河流岔道水深較深外，周?chē)鶠榻稖\海平原。穿越西潮汐通道至海南8人工島的淺灘地形由西向東微傾，地形平均相對(duì)高差為0.4 m，平均坡降0.1%，海底地形非常平坦。東、西潮汐通道之間為蓋州灘北端潮灘，灘面北窄南寬，地形北低南高。東潮汐通道中間的淺灘呈駝峰狀，灘面為北寬南窄，灘頂北高南低。海南8人工島海底管道經(jīng)過(guò)東潮汐通道的東、西兩個(gè)支槽分別呈近南北向和北西向，其東支槽寬約310 m，邊坡為東陡西緩，西支槽寬約500 m，邊坡為西陡東緩；西潮汐通道呈北東向，邊坡東陡西緩。

圖1 研究區(qū)管道位置Fig.1 The location of the submarine pipelines in the study area

圖2 海南8管道路由區(qū)地質(zhì)特征圖Fig.2 The geological characteristics of the Hainan 8 pipeline route area

雙臺(tái)子河輸入的沉積物以粉砂和泥為主，受沿岸流和潮流的頂托作用影響，細(xì)粒沉積物擴(kuò)散到遠(yuǎn)離河口的水下淺灘和淺海區(qū)，粗粒沉積物則主要集中在河口心灘。雙臺(tái)子河口區(qū)在汛期由徑流攜帶大量泥沙運(yùn)移至河口區(qū)淤積，非汛期灘槽則主要受潮流影響。該區(qū)域潮汐由渤海海峽傳入的北黃海潮波系統(tǒng)，以不規(guī)則半日潮(M2和S2)和日潮波(K1和O1)為主。河口區(qū)屬于強(qiáng)潮流區(qū)，大潮期間流速大于小潮期間流速，表層流速大于底層流速，漲潮流速大于落潮流速。由于河心灘的發(fā)展，雙臺(tái)子河口區(qū)形成了分汊水流，形成多股不同流路的漲潮流和落潮流，對(duì)灘槽的沖淤影響更為復(fù)雜[1-2]。該區(qū)域的潮流主流方向大致與溝槽方向一致，溝槽內(nèi)水流流勢(shì)明顯強(qiáng)于淺灘區(qū)。

2 海南8管道檢測(cè)結(jié)果

海南8至海南3采油區(qū)的海底管道已鋪設(shè)數(shù)年，海底管道受到不同程度沖刷破壞，為維護(hù)管道確保安全運(yùn)營(yíng)，2012-05對(duì)其進(jìn)行了管道檢測(cè)。對(duì)比2004-06鋪設(shè)管道前的測(cè)深資料，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示：雙臺(tái)子河口東潮汐通道中間部分淤積形成淺灘，被分成2條溝槽，其中東支槽具有淤積趨勢(shì)，西支槽則受到?jīng)_刷，約有270 m寬度范圍的管道被沖刷裸露或懸空，沖刷深度2～3 m；西潮汐通道受到?jīng)_刷向東拓寬并加深，沖刷深度達(dá)2.8 m；檢測(cè)出的裸露與懸跨區(qū)域已經(jīng)拋填一次砂袋，但這些區(qū)域管道仍有大部分未被完全掩埋，出現(xiàn)二次裸露與懸跨。東、西潮汐通道之間的淺灘受到?jīng)_刷變窄。穿過(guò)西潮汐通道至海南8人工島淺灘區(qū)域沖淤不明顯，為海底相對(duì)穩(wěn)定的地區(qū)。東潮汐通道存在管道位置在2004年海底之上的現(xiàn)象，是管道鋪設(shè)前該區(qū)域海底就發(fā)生淤積所致。

圖3 海南8海底管道埋深示意圖Fig.3 A sketch map showing the buried depth of the pipelines in the Hainan 8 area

3 原因分析

海底管道裸露或者懸跨是由于海水沖刷和淤積的泥沙量不平衡的結(jié)果，當(dāng)某一區(qū)域海水?dāng)y砂力大于該區(qū)域的淤積的含沙量時(shí)，則發(fā)生沖刷現(xiàn)象，導(dǎo)致該處管道裸露甚至懸跨。結(jié)合海南8人工島周邊地質(zhì)及環(huán)境因素，以下對(duì)海底管道產(chǎn)生裸露懸跨的原因進(jìn)行初步分析。

海南8人工島管道穿過(guò)雙臺(tái)子河口潮汐通道，其表面沉積物多為粉土、粉質(zhì)黏土及粉砂細(xì)砂，平均粒徑為0.49～6.77 mm，受水動(dòng)力改造明顯，易發(fā)生沖蝕。該區(qū)域水流受岸灘、河心灘及潮汐影響，漲潮時(shí)潮流較強(qiáng)，部分懸浮泥沙被運(yùn)移到雙臺(tái)子河河口門(mén)以上河道區(qū)。而落潮時(shí)水流受水下地形和邊界的影響，形成多股汊流，主流呈強(qiáng)流狀態(tài)，淺灘區(qū)水流速度受阻，但潮汐通道的溝槽區(qū)水流速度較大，對(duì)流路上海床行成沖刷，泥沙向遠(yuǎn)離河口的方向運(yùn)移[1-3]。雙臺(tái)子河的水道的改變使得處于潮汐通道區(qū)域的海底受到?jīng)_蝕，引起管道裸露與懸跨。拋填砂袋可以暫時(shí)掩埋裸露管道，但沖刷區(qū)水動(dòng)力環(huán)境可能會(huì)沖刷淘走砂袋下方泥沙引起管道二次裸露，且水道變遷后未拋填砂袋區(qū)域就會(huì)受到?jīng)_蝕，于是造成研究區(qū)出現(xiàn)新的管道裸露與懸跨現(xiàn)象。雙臺(tái)子河徑流與潮汐的相互作用是造成該區(qū)域管道裸露與懸跨的主要原因。

極端天氣如寒潮和臺(tái)風(fēng)也會(huì)對(duì)海床造成一定影響。該區(qū)域寒潮一般出現(xiàn)在11月底至翌年3月底，以12月出現(xiàn)概率最高，寒潮造成的低潮位和持續(xù)偏北風(fēng)從而引起定向浪和海流，這會(huì)降低海底表層沉積物的抗剪強(qiáng)度，使得泥沙被大量沖刷淘走，對(duì)海床穩(wěn)定產(chǎn)生威脅。臺(tái)風(fēng)則主要發(fā)生在7、8月份，受其影響，海區(qū)可出現(xiàn)暴雨和風(fēng)暴潮，威脅石油平臺(tái)的安全運(yùn)營(yíng)并對(duì)岸灘、河心灘等地貌單元造成影響[4]。

4 管道裸露與懸跨維護(hù)方法

淺海海底管道發(fā)生裸露與懸跨時(shí)最常用的方法是拋填砂袋，該方法屬于剛性保護(hù)技術(shù)，可以及時(shí)填充已被沖刷的海床，對(duì)管道進(jìn)行掩埋，起到保護(hù)管道的效果，操作簡(jiǎn)便靈活。由于沖刷區(qū)的水動(dòng)力環(huán)境可能引起二次沖刷，造成管道裸露或懸跨，所以該方法需要定期檢測(cè)拋填砂袋區(qū)域的管道埋藏情況，來(lái)進(jìn)行人工防護(hù)。海南8人工島海底管道就應(yīng)用過(guò)拋填砂袋進(jìn)行維護(hù)，據(jù)2012-05最新檢測(cè)結(jié)果，拋填砂袋區(qū)的管道又發(fā)生了裸露與懸跨現(xiàn)象(圖4)。

圖4 拋填砂袋后的裸露管道Fig.4 The exposed pipelines after filling seabed with sand pockets

為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的海底管道防護(hù)需要，管道的防沖刷方法也在不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的拋填砂袋法結(jié)合仿生水草覆蓋法、水下樁與仿生水草結(jié)合法等都在原有的單一的防護(hù)方式上進(jìn)行了補(bǔ)充發(fā)展，更好的起到防止海床沖蝕、保護(hù)海底管道的作用。結(jié)合遼東灣地區(qū)的地質(zhì)條件，對(duì)幾個(gè)海底管道裸露與懸跨維護(hù)方法在該海域的適用性進(jìn)行分析。

1)仿生水草和人工網(wǎng)墊是一種柔性保護(hù)措施，前者利用仿生水草降低流經(jīng)海底管道區(qū)域的水流流速，降低水流對(duì)海床的沖蝕能力，來(lái)達(dá)到防止管道區(qū)域沖刷的目的；后者一般利用四周加設(shè)重物壓住中間的防沖刷網(wǎng)墊來(lái)保護(hù)管道區(qū)不被沖刷[5]。海南8管道區(qū)經(jīng)過(guò)的海域水深平均為-2～3 m，水深較淺，若采用仿生水草會(huì)造成過(guò)往漁船螺旋槳與水草產(chǎn)生勾掛，影響漁船行駛安全。同時(shí)，仿生水草法需要對(duì)已沖蝕區(qū)域先進(jìn)行回填，整平后安裝仿生水草，工作量大，成本比單一拋填砂袋法高。使用仿生水草法，確保仿生水草對(duì)周邊環(huán)境無(wú)害，需在安裝仿生水草區(qū)域設(shè)置警示標(biāo)志，提醒過(guò)往漁船注意避讓。人工網(wǎng)墊法試用于局部小范圍沖刷且沖蝕深度較淺的區(qū)域比較適用，對(duì)于沖刷范圍廣且沖蝕深度較大的海域，網(wǎng)墊法同樣需要先整平?jīng)_蝕區(qū)域然后在管道上加蓋防沖刷網(wǎng)墊。

2)水下短柱支撐法也是可行的維護(hù)方法之一，該方法利用水下鋼管短柱支撐固定裸露與懸跨的海底管道，減少管道受水流影響引起的水平方向和垂直方向的振動(dòng)。每根短柱可以支撐一定長(zhǎng)度的海底管道，即使海床沖蝕深度進(jìn)一步加深也可以確保管道的運(yùn)行安全。但該方法沒(méi)有對(duì)管道進(jìn)行掩埋處理，需要注意避免管道上方漁船拋錨等人為因素對(duì)管道造成損害。該方法運(yùn)用于沖刷范圍較小的海域簡(jiǎn)便可靠，并且即使懸跨管道長(zhǎng)度加大，在一定范圍內(nèi)也能起到保護(hù)管道的作用。

3)加設(shè)魚(yú)鰭式導(dǎo)流板的海底管道可以利用海域內(nèi)海流實(shí)現(xiàn)管道自埋，從而減少管道振動(dòng)，改善管道穩(wěn)定性。例如2003-2004年韓國(guó)現(xiàn)代公司在杭州灣為中國(guó)石油化工集團(tuán)埋設(shè)的裝有導(dǎo)流板的海底管道，經(jīng)檢測(cè)證明自埋效果明顯[6]。該技術(shù)主要利用導(dǎo)流板產(chǎn)生的渦流來(lái)沖刷管道底部的海床，形成沖刷坑之后利用管道自身重量和導(dǎo)流板的的控制力將管道埋入海床下，可以有效避免海床侵蝕造成的管道裸露與懸空，減少管道的維護(hù)工作，適合應(yīng)用于潮流流速較大形成海床沖蝕的海域。該方法在應(yīng)用時(shí)，若水流方向變化至與導(dǎo)流板平行，則無(wú)法發(fā)揮自埋作用；若表面沉積物性質(zhì)變化較大，導(dǎo)致導(dǎo)流板自埋時(shí)渦流產(chǎn)生的沖刷坑不平衡也可能導(dǎo)致管道局部懸空[7]。海南8海底管道位于雙臺(tái)子河口區(qū)，沖刷區(qū)潮流方向主要與溝槽方向一致，變化很小，基本不會(huì)出現(xiàn)潮流方向與導(dǎo)流板方向平行的情況，且表層沉積物性質(zhì)均衡，容易實(shí)現(xiàn)管道自埋，投入應(yīng)用的話(huà)會(huì)降低管道路由區(qū)的檢測(cè)防護(hù)工作量。但海南8人工島的管道已經(jīng)埋設(shè)多年，為裸露與懸跨區(qū)域的管道加設(shè)導(dǎo)流板工作量太大成本較高，施工難度大。

綜上所述，海南8人工島管道路由的裸露與懸跨維護(hù)方法可以沿用拋填砂袋法，定期在全區(qū)進(jìn)行人工檢測(cè)與維護(hù)。局部沖刷深度較淺區(qū)域可以結(jié)合人工網(wǎng)墊法來(lái)維護(hù)，漁船不能通行的海域推薦使用仿生水草法或水下短柱支撐法。

5 結(jié) 語(yǔ)

以遼河油田淺海油氣資源開(kāi)發(fā)區(qū)海南8人工島的石油輸送管道為例，經(jīng)分析可知該區(qū)域管道裸露與懸跨主要由管道所在區(qū)域河水徑流和潮流沖刷侵蝕海床所致，極端天氣也會(huì)對(duì)管道安全造成一定影響。實(shí)踐表明，拋填砂袋法應(yīng)用廣泛便捷，是目前遼東灣海域管道防護(hù)的主要手段，但該方法可能造成二次沖刷，結(jié)合人工網(wǎng)墊法、仿生水草法、水下短柱支撐法可以更好的進(jìn)行管道維護(hù)。加設(shè)導(dǎo)流板對(duì)海底管道防裸露與懸跨效果良好，并且遼河油田淺海油氣資源開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件、潮流等因素適合導(dǎo)流板法的應(yīng)用條件，建議在今后遼東灣海區(qū)新鋪海底管道時(shí)考慮應(yīng)用，可減少后期海底管道檢測(cè)防護(hù)工作。海底管道的防護(hù)工作一定要結(jié)合當(dāng)?shù)厮臍庀?、地質(zhì)條件，分析不同防護(hù)手段的可行性和成本，選取適合的防護(hù)措施，并且定期進(jìn)行檢測(cè)。建議今后在遼東灣遼河油田淺海油氣資源開(kāi)發(fā)區(qū)進(jìn)行海流觀測(cè)以掌握當(dāng)?shù)氐暮Ａ髻Y料，來(lái)更好的進(jìn)行海底管道的防護(hù)工作。

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MethodofScour-preventionforSubmarinePipelineFocusonHainan8Area

WANGYi-fei1，QIFa-qing1,WEIHong-wei2,KANChang-bin2,RENJun1,BIANHong-cun1

(1.FirstInstituteofOceanography,SOA,Qingdao 266061,China;2.LiaoheOilFieldBranchofPetroChina,Panjin 124010,China)

The exploitation of offshore oil in the Liaodong Bay gives rise to the need for massively laying of submarine pipelines.The pipelines may possibly be exposed or even suspended span due to the influences of tides and rivers in the bay,endangering the normal operation of petroleum industry and imperiling the environment.Therefore,the pipelines need to be detected and maintained regularly.Based on the testing results of submarine pipelines in the Hainan 8 area in the Liaodong Bay and combining with hydrological data and bottom sediments,the analyses of the scouring mechanism and the applicability of the approaches that have been currently and commonly used for maintaining the exposure and suspended span of the submarine pipelines are made for the area studied.

submarine pipelines； scouring； maintaining approach

2013-09-12

海南8海底管道調(diào)查

王憶非(1989-)，女，碩士研究生，主要從事海洋工程地質(zhì)與勘查技術(shù)方面研究.E-mail:wangyifei3251@163.com(陳 靖 編輯)

P756.2

A

1002-3682(2014)01-0037-06