于春潔 吳 非 王麗勤

(中海油研究總院 北京 100028)

水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)沖刷模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析

于春潔 吳 非 王麗勤

(中海油研究總院 北京 100028)

于春潔,吳非,王麗勤.水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)沖刷模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析[J].中國(guó)海上油氣，2017,29(4)：145-151.

YU Chunjie,WU Fei,WANG Liqin.Test with a scour model and numerical simulation on the foundation of subsea production systems[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):145-151.

以南海某油田水下生產(chǎn)設(shè)施防沉板基礎(chǔ)為例，采用模型試驗(yàn)方法預(yù)測(cè)了水下生產(chǎn)設(shè)施防沉板基礎(chǔ)最大沖刷出現(xiàn)的部位與深度，并采用CFD軟件對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的泥砂沖淤演變過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，提出了沖刷防護(hù)措施。水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)實(shí)際沖刷深度介于模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬折減結(jié)果之間，設(shè)計(jì)時(shí)推薦使用模型試驗(yàn)值或者數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果的均值。本文研究結(jié)果對(duì)水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)；沖刷；模型試驗(yàn)；數(shù)值模擬；南海

沖刷是海流、波浪作用下引起的海底結(jié)構(gòu)物附近搬運(yùn)與挾帶泥砂的過(guò)程。不同的床質(zhì)具有不同的沖刷特性，一般可分為床面自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷3種情況[1]。海洋平臺(tái)基礎(chǔ)、橋墩等結(jié)構(gòu)物的沖刷主要是局部沖刷，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)物的存在會(huì)對(duì)水流產(chǎn)生局部阻礙與干擾，從而迫使水流在結(jié)構(gòu)物前緣雍水、繞流，流速與流向的劇烈變化引起渦流和較大的床面剪應(yīng)力，造成床面局部沖刷和高程的下降。

海底結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)沖刷的問(wèn)題最早是在20世紀(jì)60年代末由Palmer提出[2]，他現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)了波浪與水流聯(lián)合作用下單樁周?chē)５讻_刷坑的形成過(guò)程與沖刷速率，得出沖刷深度遵循對(duì)數(shù)規(guī)律的結(jié)論。20世紀(jì)70年代以后，隨著基礎(chǔ)沖刷問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在樁基、海洋重力式基礎(chǔ)沖刷動(dòng)力機(jī)制、沖刷過(guò)程、沖刷坑形態(tài)、沖刷深度計(jì)算以及不同底質(zhì)類(lèi)型對(duì)沖刷過(guò)程的影響等方面研究取得了一定的進(jìn)展[3-6]。

在海洋工程中，放置在海底的水下結(jié)構(gòu)物如重力錨、沉箱[7-9]、平臺(tái)基礎(chǔ)、水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)以及海底管線等對(duì)海底的流場(chǎng)產(chǎn)生了影響，復(fù)雜變化的流場(chǎng)對(duì)海底結(jié)構(gòu)物周?chē)哪嗌俺练e物產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)周?chē)鷽_淤變化[10-11]。如果基礎(chǔ)周?chē)a(chǎn)生的沖刷坑過(guò)深，使基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，將影響結(jié)構(gòu)的正常使用，甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)安全問(wèn)題并導(dǎo)致一系列的生產(chǎn)與環(huán)境問(wèn)題。相關(guān)部門(mén)對(duì)USGC (U.S.Geological survey)記錄的1958—1965年和1967—1975年之間發(fā)生在墨西哥灣的管線事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)管線周?chē)４裁娴臎_刷是造成事故的主要原因。因此，開(kāi)展水下結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)沖刷問(wèn)題研究十分必要，其研究成果將為海上油氣工程開(kāi)發(fā)和海底結(jié)構(gòu)物安全運(yùn)營(yíng)提供依據(jù)。本文主要針對(duì)南海某油田水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)進(jìn)行沖刷模型試驗(yàn)，研究水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)的沖刷問(wèn)題，并采用CFD軟件數(shù)值模擬水下生產(chǎn)系統(tǒng)的泥砂沖淤演變過(guò)程，以期對(duì)項(xiàng)目所在區(qū)域的施工和運(yùn)營(yíng)安全提供理論支持。

1 沖刷模型試驗(yàn)的建立

1.1 水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)及環(huán)境土壤條件

南海某油田將新建1套水下生產(chǎn)系統(tǒng)，其防沉板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示?；A(chǔ)框架尺度(長(zhǎng)×寬×高)為17.5 m ×18.0 m ×2.7 m，管匯質(zhì)量25 t，裙板入泥深度0.75 m，結(jié)構(gòu)總用鋼量230 t，所在海域水深140 m，浪、流主極值參數(shù)見(jiàn)表1，土壤參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 南海某油田水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖[12-13]Fig .1 Subsea production system foundation structure in- place figure in an oilfield of South China Sea[12-13]表1 南海某油田浪、流主極值Table 1 Main extreme of wave and current in an oilfield of South China Sea

參數(shù)數(shù)值重現(xiàn)期一年重現(xiàn)期百年最大波高/m14.220.0最大波周期/s11.413.6海床面上1m海流流速/(cm·s-1)63.780.0

表2 南海某油田土壤參數(shù)Table 2 Soil parameter in an oilfield of South China Sea

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地及設(shè)備

本次試驗(yàn)在長(zhǎng)60 m、寬3 m、最大水深1.5 m的波流水槽中進(jìn)行，配有不規(guī)則造波機(jī)和造流設(shè)備。試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由試驗(yàn)區(qū)域、儀器布置、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集等3部分構(gòu)成。為了測(cè)量在特定的工況下水下生產(chǎn)基礎(chǔ)模型結(jié)構(gòu)物周?chē)牧鲌?chǎng)以及沖刷地形的變化，采用了多普勒流速儀采集流速數(shù)據(jù)，波高儀采集波高的變化，全站儀測(cè)量沖淤地形的變化，并經(jīng)過(guò)流速采集軟件和波高采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 試驗(yàn)類(lèi)型選擇

模型試驗(yàn)類(lèi)型包括定床模型試驗(yàn)、動(dòng)床模型試驗(yàn)以及系列模型延伸法。定床模型試驗(yàn)只能用來(lái)了解泥砂運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象和發(fā)展趨勢(shì)，不可能給出定量的結(jié)果。由可動(dòng)的模型砂制成底床的模型為動(dòng)床模型，由于模型砂的運(yùn)動(dòng)很難與原型砂完全相似，因此動(dòng)床模型試驗(yàn)結(jié)果常有一定偏差，這種偏差與模型的大小有一定的聯(lián)系，當(dāng)模型大到與原型一樣時(shí)，則偏差為零。依據(jù)這一概念，可以同時(shí)制作比尺不同的系列模型，同時(shí)將原型看成是比尺為1的模型，這樣把由各種模型得出的結(jié)果順其趨勢(shì)延伸到原型，從而正確地得出沒(méi)有偏差的原型值來(lái)，這就是系列模型延伸法，這種方法被認(rèn)為是一種獲得定量結(jié)果的可靠方法。因此，本次試驗(yàn)采用系列模型延伸法作為模型試驗(yàn)方法。1.3.2 試驗(yàn)比尺設(shè)計(jì)

在海流和波浪運(yùn)動(dòng)中，慣性力和重力起著主導(dǎo)作用，所以波浪模型應(yīng)遵循重力相似或弗勞德相似準(zhǔn)則。在安裝水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)后，周?chē)牧鲌?chǎng)及波浪場(chǎng)由于結(jié)構(gòu)物的存在將發(fā)生變化，需要對(duì)結(jié)構(gòu)物周?chē)鲌?chǎng)的變化進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。圖2為結(jié)構(gòu)物周?chē)鲌?chǎng)變化范圍數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出，流場(chǎng)的變化范圍不超過(guò)0.5～1.0倍結(jié)構(gòu)物橫向尺寸。試驗(yàn)?zāi)M的范圍應(yīng)盡可能包括流場(chǎng)和波浪場(chǎng)的變化，模型的邊界應(yīng)在波流場(chǎng)發(fā)生變化的范圍之外，因此模型規(guī)模就是根據(jù)上述原則確定的。

受試驗(yàn)室水槽尺寸的限制，同時(shí)試驗(yàn)室的硬件條件難以實(shí)現(xiàn)過(guò)大的模型對(duì)應(yīng)的工況，所以本次沖刷物理模型試驗(yàn)采用的比尺為1∶20和1∶12?；A(chǔ)所在海床的表層土為松散粉砂質(zhì)細(xì)砂，其中值粒徑與實(shí)際海域的最大中值粒徑0.18 mm相接近。

圖2 結(jié)構(gòu)物周?chē)鲌?chǎng)變化范圍數(shù)值模擬結(jié)果Fig .2 Numerical simulation result of variation range of current flow around foundation

1.3.3 試驗(yàn)波浪參數(shù)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用規(guī)則波。波浪作用下的泥砂運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力過(guò)程，波浪和泥砂運(yùn)動(dòng)的各自相似條件很難同時(shí)滿足，試驗(yàn)中的主要作用力為重力，因而相似準(zhǔn)則遵循重力相似準(zhǔn)則。按照斯托克斯三階波的理論進(jìn)行編程，分別計(jì)算1∶20和1∶12 兩種模型比尺對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)室波浪與海流環(huán)境要素，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 南海某油田海底波浪水質(zhì)點(diǎn)最大水平運(yùn)動(dòng)速度Table 3 Maximum sea bottom wave water particle horizontal velocity in an oilfield of South China Sea

1.4 調(diào)試試驗(yàn)

為了達(dá)到表3所列的波浪在海床附近水質(zhì)點(diǎn)的最大水平速度，在水槽進(jìn)行濾波-調(diào)流試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用多普勒流速儀測(cè)量近底水流流速與沖刷試驗(yàn)區(qū)域近底波浪水質(zhì)點(diǎn)軌跡速度，從而確定試驗(yàn)所需的波流要素。在原始的水位、流速、波要素全部調(diào)整完畢后，再安置基礎(chǔ)模型。模型砂要經(jīng)水浸泡數(shù)日，直至模型砂達(dá)到自然密實(shí)狀態(tài)，再對(duì)模型砂床面進(jìn)行整平，使之與模型底面齊平。上述工作完成以后，即開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)。1.5 試驗(yàn)工況組合

每種模型試驗(yàn)工況分別為操作工況(即一年波一年流)和極端工況(即百年波百年流)，對(duì)于極端工況進(jìn)行了模型長(zhǎng)邊與水流流向?yàn)?°、45°兩種情況沖刷試驗(yàn)，共計(jì)6種試驗(yàn)組合工況，如表4所示。

表4 南海某油田水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)沖刷試驗(yàn)組合工況Table 4 Experimental combination condition in an oilfield of South China Sea

2 沖刷模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)步驟

1) 將制備好的砂樣抹平，加水至試驗(yàn)水深。

2) 將試驗(yàn)設(shè)計(jì)波要素輸入計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)造波和造流裝置，開(kāi)始進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。

3) 沖刷試驗(yàn)過(guò)程中采用水下攝像機(jī)觀測(cè)沖刷過(guò)程的發(fā)展，并且通過(guò)攝像機(jī)觀測(cè)沖刷坑是否達(dá)到?jīng)_刷平衡狀態(tài)。沖刷平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡，是指落入沖刷坑內(nèi)的泥砂與坑內(nèi)被水流帶走的泥砂相等的一種狀態(tài)。參考其他試驗(yàn)達(dá)到?jīng)_刷平衡時(shí)間，并且根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，得出沖刷進(jìn)行4～5 h便能達(dá)到?jīng)_刷平衡狀態(tài)；達(dá)到?jīng)_刷平衡后，沖刷深度將不會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大。

4) 待沖刷達(dá)到?jīng)_刷平衡狀態(tài)以后，為避免對(duì)沖刷的地形造成影響，將水緩緩地放掉。

5) 將基礎(chǔ)模型取出，用全站儀對(duì)沖刷后的地形進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量地形采用的是斷面法，根據(jù)所測(cè)量管匯的具體尺寸布置地形測(cè)量斷面，并得到?jīng)_刷試驗(yàn)的最終地形資料。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)全站儀測(cè)量得到的結(jié)構(gòu)物周?chē)植繘_刷深度數(shù)據(jù)，繪制A1、A2、A3工況下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物周?chē)叱套兓疽鈭D(圖3)。

圖3 A1、A2、A3工況下南海某油田水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)周?chē)叱套兓疽鈭DFig .3 Subsea production system foundation structure elevation variation figure on condition A1,A2,A3 in an oilfield of South China Sea

對(duì)于工況A1和A2,沖刷首先從結(jié)構(gòu)迎流面的2個(gè)尖角處發(fā)生，然后逐步向內(nèi)側(cè)發(fā)展?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)的迎流面出現(xiàn)嚴(yán)重的沖刷，2個(gè)尖角處沖刷坑最深，最大深度分別為3.5、4.9 cm。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)迎流面兩側(cè)，與迎流面約成45°角出現(xiàn)2條很明顯的沖刷坑，沖刷坑的寬度與結(jié)構(gòu)的高度相當(dāng)，沖刷深度范圍為2～4 cm。在形成的2條沖刷坑的內(nèi)側(cè)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成淤積區(qū)域，淤積厚度最高分別為3.6、5.2 cm。背流面開(kāi)口處出現(xiàn)1個(gè)沖刷坑，沖刷深度分別約為1.6、2.7 cm。工況A2開(kāi)口處以外范圍出現(xiàn)淤積，淤積厚度最高為1.7 cm，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)后部背流面的2個(gè)尖角略有沖刷產(chǎn)生，沖刷深度為0.3～2.8 cm。床面出現(xiàn)明顯的砂紋，波高約為2～3 cm，波長(zhǎng)約為7～12 cm。形成原因是水流流過(guò)基礎(chǔ)保護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，在開(kāi)口處流速較大，開(kāi)口處以外范圍略有淤積。

對(duì)于工況A3，迎流面尖角與側(cè)面的2個(gè)尖角處為沖刷最嚴(yán)重的區(qū)域，沖刷坑深度最深為3.3 cm，側(cè)面前角沖刷坑深度最深為4.2 cm，側(cè)面后角沖刷坑最深為2.7 cm?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)迎流面的2個(gè)側(cè)邊周?chē)忻黠@的沖刷，沖刷坑范圍為2～3 cm。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)背流面長(zhǎng)邊開(kāi)口處區(qū)域有沖刷坑產(chǎn)生，沖刷區(qū)域順流向發(fā)展，開(kāi)口處沖刷坑最深為2.7 cm。背流面短邊開(kāi)口處有沖刷坑，最深為2.3 cm，范圍為開(kāi)口范圍的大小?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊背流側(cè)有明顯的淤積現(xiàn)象，淤積最厚為3.1 cm。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)短邊背流面有淤積現(xiàn)象，順?biāo)鞣较虬l(fā)展，淤積厚度最高為3 cm。

對(duì)于沖刷模型試驗(yàn)，地形高程的測(cè)量點(diǎn)是根據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物周?chē)臎_淤形態(tài)進(jìn)行了加密，6個(gè)工況的最大沖刷深度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，最大沖刷深度均發(fā)生在迎流面尖角處。

表5 南海某油田水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)6組試驗(yàn)的最大沖刷深度Table 5 Maximum scour depth of 6 groups of experiments of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea

2.3 沖刷深度預(yù)測(cè)

根據(jù)文獻(xiàn)[3]得知沖刷深度符合對(duì)數(shù)規(guī)律，將A1、A2、A3工況下南海某油田水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)的物理模型沖刷試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成曲線(圖4)，進(jìn)行對(duì)數(shù)延伸得到水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)原型的沖刷深度數(shù)據(jù)。

圖4 A1、A2、A3工況下南海某油田水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)模型沖刷試驗(yàn)結(jié)果Fig .4 Model test results of scour on condition A1,A2,A3 of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea

根據(jù)1∶20和1∶12兩個(gè)比尺模型的物理模型沖刷數(shù)據(jù)，用延伸法將數(shù)據(jù)延長(zhǎng)至模型比尺為1的原型工況，可以得出： 一年波一年流水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)與水流平行即0°的工況下，實(shí)際結(jié)構(gòu)沖刷最大深度約為0.35 m，預(yù)測(cè)最大沖刷深度出現(xiàn)在迎流面的2個(gè)尖角部位；百年波百年流水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)與水流平行即0°的工況下，實(shí)際結(jié)構(gòu)沖刷最大深度約為0.43 m，預(yù)測(cè)最大沖刷深度出現(xiàn)在迎流面的2個(gè)尖角部位；百年波百年流水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)與水流成45°角的工況下，實(shí)際結(jié)構(gòu)沖刷最大深度約為0.38 m，預(yù)測(cè)最大沖刷深度出現(xiàn)在側(cè)面的尖角部位。

通過(guò)以上各工況的比較得出百年波百年流工況條件下最大沖刷深度約為0.43 m。根據(jù)物理模型沖刷試驗(yàn)的結(jié)果以及系列模型延伸法的結(jié)論，通過(guò)水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)與水流成45°角的工況和基礎(chǔ)與水流平行(即0°)工況比較，可以看出基礎(chǔ)與水流成45°角的沖刷區(qū)域相對(duì)較小，沖刷深度也相對(duì)較小。因此，基礎(chǔ)側(cè)面放置的方向可以與潮流流向成一定的角度，能夠減小沖刷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，從而提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 沖刷數(shù)值模擬分析

為了建立數(shù)值模擬的合理流程，得到CFD軟件相關(guān)模塊中重要參數(shù)的合適取值，選取水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在一年波一年流工況下采用1∶20比尺所進(jìn)行的模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 不同工況下的數(shù)值模擬

計(jì)算表明，風(fēng)與海流、波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)速度相比較小，可以忽略不計(jì)。操作工況選取一年波和一年流組合，極端工況選取百年波和百年流組合。計(jì)算結(jié)果表明，在一年波一年流工況下，海底水質(zhì)點(diǎn)的流速與海流流速相比非常小(<5%)，該工況下的波浪可以忽略。但在百年波百年流工況下，海底水質(zhì)點(diǎn)的速度不能忽略，需要考慮波浪的影響，因此簡(jiǎn)化后的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 南海某油田簡(jiǎn)化后的計(jì)算參數(shù)Table 6 Simplified calculation condition in an oilfield of South China Sea

3.2 不同工況下的基礎(chǔ)沖刷

通過(guò)模擬計(jì)算，一年波一年流工況下基礎(chǔ)沖刷發(fā)展情況如圖5所示。從圖5可以看出，一年波一年流工況下，背流面的初始沖坑在大流速作用下范圍不斷擴(kuò)大，沖刷非常嚴(yán)重，最大沖深甚至達(dá)到0.490 m，迎流面的預(yù)留口位置沖深約為0.475 m，尖角位置沖深約為0.470 m。

通過(guò)模擬計(jì)算，百年波百年流工況下基礎(chǔ)沖刷的發(fā)展情況如圖6所示，圖中T為百年一遇波浪周期。從圖6可以看出，百年波百年流的極端工況下，相對(duì)于重現(xiàn)期為一年的工況底部邊界層變薄，剪應(yīng)力增大，最終整個(gè)砂面被刮掉了5cm，而基礎(chǔ)預(yù)留口前后分別形成了深度為0.55、0.69 m的沖坑，在迎流面尖角處形成深度為0.60 m的沖坑。

圖5 南海某油田水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)沖刷數(shù)值模擬結(jié)果(一年波一年流)Fig .5 Numerical simulation results of scour of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea (wave and current of one year return period)

圖6 南海某油田水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)沖刷數(shù)值模擬結(jié)果(百年波百年流)Fig .6 Numerical simulation results of scour of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea (wave and current of one hundred year return period)

4 模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

南海某油田水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表7，可以看出，模型試驗(yàn)結(jié)果整體性偏小，分析認(rèn)為有2個(gè)方面的原因：①數(shù)值模擬在整體流速選擇上偏大，整體性偏大近20%；②模型試驗(yàn)選取的模型砂中值粒徑0.16 mm相對(duì)較小，理論沖刷量更大，結(jié)果也更趨于保守。

表7 南海某油田水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬 最大沖刷深度結(jié)果對(duì)比Table 7 Comparison results between model test and numerical simulation of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea

南海某油田水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)在操作工況、極端工況下的數(shù)模計(jì)算結(jié)果表明，由于基礎(chǔ)的高度相對(duì)水深較小，外形也并未垂直于水流方向，且順?biāo)较蜻€存在預(yù)留口，致使預(yù)留口位置的沖坑發(fā)展顯著，需要注意預(yù)留口附近以及迎流面尖角處沖刷。考慮到上述的2個(gè)原因，認(rèn)為實(shí)際沖刷深度介于模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬折減結(jié)果之間，可以考慮取二者均值或者選取較保守值。

通過(guò)以上分析，建議采取必要的沖刷防護(hù)措施：①在基礎(chǔ)周?chē)?個(gè)尖角拋石防護(hù)，防止或減小尖角部位的沖刷，從而減少?zèng)_刷坑的發(fā)展；②優(yōu)化基礎(chǔ)保護(hù)結(jié)構(gòu)的外形，將4個(gè)尖角設(shè)計(jì)為圓形或流線形，增大圓角的彎曲半徑，從而減小4個(gè)尖角處的流速，降低沖刷深度。

5 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)南海某油田水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)沖刷進(jìn)行模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬， 研究了防沉板式水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)的沖刷分布和沖刷深度，并提出了沖刷防護(hù)措施。結(jié)果表明，水下生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)實(shí)際沖刷深度介于模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬折減結(jié)果之間，設(shè)計(jì)時(shí)推薦使用模型試驗(yàn)值或者數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果的均值。由于目前模型試驗(yàn)中使用的砂子中值粒徑與實(shí)際海域中的最大中值粒徑0.18 mm相接近，而波浪和結(jié)構(gòu)物按照相似原理進(jìn)行了模型比尺的縮小，因此模型試驗(yàn)具有一定的近似性，建議今后進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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(編輯：葉秋敏)

Test with a scour model and numerical simulation on the foundation of subsea production systems

YU Chunjie WU Fei WANG Liqin

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Taking the mudmat foundation of the subsea production systems in an oilfield in South China Sea for an example, the location and depth of maximum scour on the mudmat foundation were predicted using model test method.Numerical simulation of the sediment transport and deposition evolution was performed with the CFD software, and the scour protection measures were proposed.The actual scour depth of the mudmat foundation is between the two values of the model test result and numerical simulation discount result; and the model test result or the average of the two values is recommended for project design.The results of this study will provide a basis for the design of the mudmat foundation of subsea production systems.

subsea production system foundation; scour; model test; numerical simulation; South China Sea

于春潔，女，碩士，高級(jí)工程師,主要從事海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及海上油氣田設(shè)計(jì)項(xiàng)目管理工作。地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院海油大廈B座(郵編：100028)。E-mail：yuchj@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)04-0145-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.019

TU47

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