周子鵬,鐘文軍,周美珍,孫國(guó)民,王樂芹,胡春紅

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

基于FLUENT的海底結(jié)構(gòu)沖刷啟動(dòng)評(píng)估法在印尼海底管道工程中的應(yīng)用

周子鵬,鐘文軍,周美珍,孫國(guó)民,王樂芹,胡春紅

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

針對(duì)由于海底管道支撐結(jié)構(gòu)底部被沖刷掏空而導(dǎo)致的海底管道失效等問題，研究了海底結(jié)構(gòu)物沖刷原理，以沖刷理論分析為基礎(chǔ)獲得了海床沖刷啟動(dòng)流速。采用FLUENT有限元軟件建立海管支撐結(jié)構(gòu)及周圍海域的二維紊流模型，真實(shí)地模擬了海床上增加支撐結(jié)構(gòu)后的海流變化趨勢(shì)，獲得了增加海底結(jié)構(gòu)物后的海床表面流速，通過與海床沖刷啟動(dòng)流速比對(duì)來評(píng)估沖刷情況。該評(píng)估法在印尼爪哇海域海底管道工程成功應(yīng)用，是一種實(shí)用可靠的沖刷啟動(dòng)評(píng)估方法，對(duì)國(guó)內(nèi)外海域海底結(jié)構(gòu)的沖刷啟動(dòng)評(píng)估工作有借鑒意義。

海底管道；FLUENT軟件；海底支撐結(jié)構(gòu)；沖刷啟動(dòng)；沖刷評(píng)估；數(shù)值模擬

0 引 言

海底管道是海上油田生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。維護(hù)海底管道的安全是保證安全生產(chǎn)和保護(hù)海洋環(huán)境的重要環(huán)節(jié)。近年來，海底管道建設(shè)數(shù)量急劇增加，海底管道相互交叉跨越逐漸常態(tài)化，因此支撐結(jié)構(gòu)成為了海底管道跨越工程設(shè)計(jì)的必要組成部分。但由于海底支撐結(jié)構(gòu)的存在，改變了海底臨界區(qū)域的波流狀況，可能造成支撐結(jié)構(gòu)底部發(fā)生沖刷或者局部土壤掏空等問題，從而導(dǎo)致支撐失穩(wěn)側(cè)傾或下沉，引起海底管道突發(fā)性破壞，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞[1-3]。如果能夠評(píng)估支撐結(jié)構(gòu)附近是否發(fā)生沖刷，將對(duì)海底管線的建設(shè)和海管支撐結(jié)構(gòu)的防護(hù)有相當(dāng)大的工程經(jīng)濟(jì)價(jià)值和學(xué)術(shù)意義。

基于海底結(jié)構(gòu)物沖刷評(píng)估研究現(xiàn)狀，本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，采用理論分析與有限元數(shù)值模擬對(duì)比法，對(duì)海底結(jié)構(gòu)物沖刷風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。首先采用理論分析法對(duì)海底沖刷啟動(dòng)流速進(jìn)行計(jì)算分析，然后使用FLUENT有限元軟件在二維空間內(nèi)研究了放置于海床上的海底結(jié)構(gòu)物附近的海底流場(chǎng)，并與理論分析結(jié)果相對(duì)比，從而判定沖刷是否啟動(dòng)。該沖刷啟動(dòng)評(píng)估方法的應(yīng)用，成功解決了海底支撐結(jié)構(gòu)的沖刷預(yù)測(cè)難題，可為工程方案的確定和實(shí)施提供技術(shù)依據(jù)。

1 海底結(jié)構(gòu)沖刷啟動(dòng)評(píng)估技術(shù)

海底沖刷現(xiàn)象是由于波浪和水流作用造成的海底結(jié)構(gòu)物底部及其附近海床的泥沙運(yùn)動(dòng)。根據(jù)海洋沖刷動(dòng)力學(xué)原理分析，海底沖刷的形成，主要是由于結(jié)構(gòu)物安裝在海底之后，打破了原有水下流場(chǎng)的平衡，引起局部水流速度加快，使正常流動(dòng)的水流形成一定的壓力梯度并構(gòu)成對(duì)海底的剪切力，導(dǎo)致海床表面的沉積物被帶走。因此，海底結(jié)構(gòu)物周邊的海底流速是決定沖刷啟動(dòng)與否的關(guān)鍵要素。

馬良等[1,4]總結(jié)了無粘性土不沖刷允許流速,一旦超過相應(yīng)流速,海床成為動(dòng)床,置于海床表面的結(jié)構(gòu)物底部可能由于海床沖刷而掏空。因此，本文將使用支撐結(jié)構(gòu)物周邊的海底流速作為沖刷啟動(dòng)的判據(jù)，首先對(duì)支撐結(jié)構(gòu)物周圍的流速進(jìn)行理論計(jì)算分析，獲得海床的啟動(dòng)流速。然后使用FLUENT二維有限元軟件進(jìn)行海管支撐結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬并通過模擬分析獲得結(jié)構(gòu)物周圍的流速，最后將二者進(jìn)行比較，從而判斷支撐結(jié)構(gòu)物周圍是否將發(fā)生沖刷，對(duì)整體的情況進(jìn)行評(píng)估。

1.1 沖刷啟動(dòng)流速理論

Bai等[4]依據(jù)擴(kuò)展的Shields曲線建立了沖刷啟動(dòng)流速計(jì)算模型。在二維支撐結(jié)構(gòu)物底部的二維啟動(dòng)流速計(jì)算方程為

(1)

式中：uc為啟動(dòng)流速,m/s;hc為海流距海床高度,m;τc為泥沙起動(dòng)拖曳力,N;ρw為海水密度,kg/m3;νw為海流粘性系數(shù),cm2/s。

泥沙起動(dòng)拖曳力[5]可以通過下式獲得：

τc=1 000×0.062×108Δε(γs-γw)d50,

(2)

式中：γs為海床土壤特征比重；γw為海水特征比重；Δε為海床土壤孔隙度，表達(dá)式為

(3)

式中：e0為海床土壤空隙比；d50為海床土壤中粒徑,mm。

1.2 FLUENT軟件的有限元模型原理

FLUENT 軟件是目前市場(chǎng)上最流行的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件?？梢赃x擇穩(wěn)態(tài)計(jì)算器和非穩(wěn)態(tài)計(jì)算器求解。非穩(wěn)態(tài)計(jì)算器可以用于分析包含時(shí)間軸的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，穩(wěn)態(tài)計(jì)算器可用于計(jì)算穩(wěn)態(tài)的流速或者是基于時(shí)間統(tǒng)計(jì)的平均流速。

在數(shù)值模擬中，選用FLUENT中的k-ε紊流模型來模擬海底支撐結(jié)構(gòu)周圍的沖刷情況。k-ε紊流模型被廣泛用于模擬分析天然氣和液體等流體。為了更好地模擬海底沖刷狀況，模型建立時(shí)需要使用一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，如動(dòng)渦流黏滯度等[6]。

在紊流模型中，動(dòng)渦流黏滯度可以使用下式計(jì)算獲得：

(4)

式中：k為紊流動(dòng)能；ε為紊流動(dòng)能折減值；cμ為標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型系數(shù)。

紊流動(dòng)能可以通過下式計(jì)算獲得：

(5)

(6)

式中:Gk是名義流速梯度引起的紊流動(dòng)能增量，可以通過Boussinesq近似法得出[7]。

2 沖刷啟動(dòng)評(píng)估法在印尼海底管道工程項(xiàng)目中的應(yīng)用

A海管是印尼爪哇海域海上氣田開發(fā)工程的核心海底管道，該氣田初步處理后的天然氣通過A海底管道輸送至陸地終端。在A海管設(shè)計(jì)建設(shè)過程中，需要跨越另一條已存在的海底管道。在海管跨越工程方案中采用了6個(gè)混凝土支撐和2個(gè)水泥墊塊對(duì)A海管進(jìn)行支撐，所有支撐結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱布置方式安放在已建管道兩邊。圖1為海底管道跨越支撐方案布置圖。

混凝土支撐采用底板加垂向支撐形式，主要是考慮底板可以增加支撐與海床的接觸面積，從而達(dá)到增強(qiáng)支撐穩(wěn)定性和減少海床面紊流的效果。圖2為混凝土支撐三維典型圖。表1為海底管道支撐結(jié)構(gòu)的詳細(xì)尺寸。

圖1 海底管道跨越支撐方案布置圖Fig.1 Schematic of subsea pipeline crossing support scheme

圖2 混凝土支撐三維典型圖Fig.2 Typical three-dimensional graph of the concrete support

表1 海底管道支撐結(jié)構(gòu)詳細(xì)尺寸Table 1 Dimensions of subsea pipeline crossing support m

2.1 沖刷啟動(dòng)流速理論計(jì)算

通過對(duì)印尼爪哇海域的工程地質(zhì)調(diào)查，可以獲得海床地質(zhì)詳細(xì)數(shù)據(jù)(見表2)。地質(zhì)資料表明，印尼爪哇海域土壤較為松軟，需要對(duì)海底結(jié)構(gòu)周邊是否會(huì)發(fā)生沖刷進(jìn)行評(píng)估以保證工程方案的可行性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)1.1節(jié)的沖刷啟動(dòng)流速理論，計(jì)算獲得該海域海底沖刷啟動(dòng)流速為1.26 m/s，即放置海管支撐后的海底海流速度一旦超過1.26 m/s，沖刷將會(huì)發(fā)生。

表2 海床地質(zhì)詳細(xì)數(shù)據(jù)Table 2 Geotechnical data of crossing point

2.2 FLUENT軟件有限元數(shù)值模擬分析

依據(jù)工程方案中的海管支撐布置和支撐尺寸，使用FLUENT軟件來進(jìn)行二維有限元數(shù)值模擬分析。為了更好地分辨海底管道支撐附近的流場(chǎng)，采用了非均分網(wǎng)格劃分形式。整個(gè)海管跨越支撐周圍海域的計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 海管跨越支撐周圍海域網(wǎng)格示意圖Fig.3 Meshing of the sea area surrounding subsea pipeline crossing support

將在Gambit中畫好的海管跨越支撐海域網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT軟件中，選擇二維k-ε紊流模型非穩(wěn)態(tài)求解器來模擬海底支撐結(jié)構(gòu)周圍的沖刷情況。模型主要參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 FLUENT模型主要參數(shù)設(shè)置Table 3 Main parameters in the FLUENT model

通過有限元計(jì)算模擬，獲得了海管支撐附近海流狀態(tài)的二維海流分布圖,如圖4所示。從圖4可以看出，海管支墩放置在海床上之后，海床表面一定高度范圍內(nèi)的海流速度出現(xiàn)了增加，支撐高度越高，其周圍海流速度越大。隨著支撐高度的降低，左右兩邊最矮的海管支撐周圍海流速度逐漸減小。

圖4 海管支撐周圍海域二維海流速度分布圖Fig.4 Two-dimensional distribution of current velocity of the sea area surrounding subsea pipeline crossing support

為了更直觀地觀察海管支撐周圍海域海床表面的流速，在FLUENT軟件中生成了距離海床高度為0.1 m、0.15 m和0.2 m處的最大流速，可以得出距離海床高度為0.2 m以下的海底最大海流流速為0.852 m/s。詳細(xì)的流速情況如圖5所示。

圖5 距離海床高度為0.1 m、0.15 m 和0.2 m處的最大流速圖Fig.5 Maximum current velocities at the heights from the seabed of 0.1 m, 0.15 m, and 0.2 m

2.3 海底支撐結(jié)構(gòu)沖刷啟動(dòng)評(píng)估結(jié)果

基于前面的理論計(jì)算和數(shù)值模擬，分別獲得了該項(xiàng)目海域海底沖刷啟動(dòng)流速(1.26 m/s)和放置海管支撐后的海底最大海流速度(0.852 m/s)。通過比較可知，該跨越支撐放置于海底后不會(huì)引起底部沖刷。目前該工程方案已獲得挪威船級(jí)社(新加坡)的認(rèn)證，是可行可靠的工程方案。

3 結(jié) 語(yǔ)

海床沖刷是海底管道支撐結(jié)構(gòu)失效中最為復(fù)雜也最為常見的方式。對(duì)海床沖刷發(fā)生與否進(jìn)行合理的評(píng)估可以為工程開發(fā)和施工提進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，保證海底管道運(yùn)行期內(nèi)的安全穩(wěn)定。本文提出的“理論計(jì)算結(jié)合二維有限元數(shù)值模擬”海底流速比對(duì)評(píng)估法，首先采用國(guó)際先進(jìn)且相對(duì)較為保守的理論計(jì)算分析獲得沖刷啟動(dòng)流速，然后再利用有限元數(shù)值模擬法較為準(zhǔn)確地還原了海底流場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)并獲得了實(shí)際海底流速，同時(shí)具備了理論分析的保守性和數(shù)值模擬的真實(shí)性。在印尼海底管道工程項(xiàng)目中的應(yīng)用效果表明，該方法解決了海底支撐結(jié)構(gòu)的沖刷啟動(dòng)預(yù)測(cè)難題，而且簡(jiǎn)單實(shí)用、結(jié)果可靠，對(duì)具有類似工程方案或海底地質(zhì)條件的海上油氣田開發(fā)項(xiàng)目具有一定的借鑒意義。目前階段，結(jié)合印尼本地海域工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，該沖刷啟動(dòng)評(píng)估法采用二維有限元數(shù)值模擬已能夠滿足工程開發(fā)需求。在未來的工程或者科研項(xiàng)目中，可以嘗試使用三維有限元數(shù)值模擬來進(jìn)一步完善本方法。同時(shí)需要注意的是三維有限元數(shù)值模擬工作量較大，也將需要更多的資源和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用于完善模擬分析。

[1] 馬良．海底油氣管道工程[M]．北京：海洋出版社，1987.

[2] 吳鈺驊, 金偉良, 毛根海, 等．海底輸油管道底砂床沖刷機(jī)理研究[J]．海洋工程，2006, 24(4)：43．

[3] 孫寧松, 孫永福, 宋玉鵬．海洋平臺(tái)樁基沖刷及影響因素分析[J]. 海岸工程，2004, 23(4)：38．

[4] Bai Y, Ng C, Shen H, et al．Rheological properties and incipient motion of cohesive sediment in the Haihe Estuary of China[J]. China Ocean Engineering, 2002, 16(4) :483-498

[5] 錢寧, 萬(wàn)兆惠．泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)[M] . 北京: 科學(xué)出版社，2003.

[6] 孫建偉, 耿紅, 孫昭晨．海底管道周圍局部沖刷數(shù)值模擬分析[J]. 海洋技術(shù)，2010, 29(1)：51.

[7] 黃瑩, 佘昌蓮, 嚴(yán)仁軍．海洋平臺(tái)樁基的沖刷機(jī)理[J]. 船海工程，2006 (5)：85.

ApplicationofSubseaStructureScouringIncipientAssessmentBasedonFLUENTinIndonesiaSubseaPipelineProject

ZHOU Zi-peng, ZHONG Wen-jun, ZHOU Mei-zhen, SUN Guo-min, WANG Le-qin, HU Chun-hong

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Many subsea pipelines have been failed during their service period caused by scouring of pipeline support structure. When a submarine pipeline or submarine structure is laid on a sediment bed, and is subject to a current, the pressure difference between the upstream and the downstream of the pipeline or the structure may induce a scour underneath the pipe and submarine structure. According to this problem, the subsea pipeline support structure scouring assessment is studied to forecast the scouring occurrence. Firstly, the sediment incipient velocity is calculated based on scouring theoretical analysis, and then a two-dimensional geometry model is built in FLUENT software, and the actual seabed current velocity is obtained based on numerical simulation by FLUENT software. Through the comparison between these two velocities, the scouring occurrence could be assessed. This method is validated in Indonesia subsea pipeline project.

subsea pipeline; FLUENT software; subsea support structure; scouring incipience; scouring assessment; numerical simulation

P742

A

2095-7297(2015)01-0045-05

2015-01-15

周子鵬(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事海底管道工程設(shè)計(jì)方面的研究。