馬坤明，胡春紅，張英，王昌

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

近年來，隨著我國海洋油氣開發(fā)進(jìn)軍南海和海外，逐步走向深水水域，海底管路路由面臨著越來越復(fù)雜的海床地質(zhì)條件。以南海某氣田海底管道項(xiàng)目為例（見圖1），其海底管道路由存在海床極度崎嶇不平和地質(zhì)狀況復(fù)雜多變等困難，給海底管道的設(shè)計(jì)和鋪設(shè)等帶來極大挑戰(zhàn)。因此，開展復(fù)雜地質(zhì)條件下的海底管道失效機(jī)理和工程防護(hù)措施研究顯得尤為重要，在保證海底管道安全性，優(yōu)化路由，降低成本等方面具有重要意義。

圖1 南海某氣田海底管道項(xiàng)目海底管道路由三維地形圖

1 海底管道在沖刷等條件下的懸跨破壞機(jī)理及防護(hù)措施研究

由于海床沖刷、淘蝕作用以及海床表面凹凸不平的復(fù)雜地貌的存在，當(dāng)海底管道鋪設(shè)到海床表面時(shí)，經(jīng)常會(huì)不可避免地形成不同長度的自由懸跨情況，懸跨的形成對(duì)管道有兩種不利影響[1,2]：

（1）由于管道自重及波浪、流此類環(huán)境荷載等因素會(huì)使懸跨段管道產(chǎn)生過大的彎矩，可能直接造成管道被破壞。

（2）當(dāng)海水流經(jīng)懸跨管道時(shí)，在一定流速條件下，懸跨管道兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)漩渦，并以一定的頻率交替泄放，從而在結(jié)構(gòu)表面形成周期荷載，使得懸跨管道在順流方向及橫流方向上發(fā)生振動(dòng)，即渦激振動(dòng)，很可能對(duì)海底管道造成疲勞損傷乃至破壞。

結(jié)合以上兩方面原因，可以分析得出管道的臨界懸跨長度。海底管道臨界懸跨主要由靜態(tài)懸跨和渦流激振懸跨決定。根據(jù)規(guī)范DNV-OS-F101[4]荷載組合效應(yīng)公式，當(dāng)UC=1（臨界狀態(tài)）時(shí)，即可分析得出管道所允許的臨界靜態(tài)懸跨。海底管道渦激振動(dòng)懸跨分析一般采用DNVGL-RP-F105規(guī)范[5]中的分析方法，該規(guī)范規(guī)定了順流向和橫流向渦激振動(dòng)以及直接波浪作用下自由懸跨管道極端極限狀態(tài)和疲勞極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

對(duì)于在建、擬建或已建成的海底管道，其主要做法是根據(jù)路由勘查結(jié)果，盡量使管道路由避開易于發(fā)生管道懸跨的區(qū)域。如果管道路由無法避免懸跨，那么可以采用海床預(yù)處理和海床后處理措施來減緩懸跨，從而抑制海底管道產(chǎn)生渦激振動(dòng)現(xiàn)象。

海床預(yù)處理方法有：疏浚挖掘法；加設(shè)倒流板法。

海床后處理方法有：沙袋回填法；拋石回填法；壓塊覆蓋保護(hù)法；鋼樁穩(wěn)定法；挖溝深埋法；“仿生草+混凝土軟體排”防護(hù)法。

對(duì)于沙袋回填法，建議沙袋填充保護(hù)截面結(jié)構(gòu)形式為正梯形。沙袋應(yīng)盡量小一些，不能用太大的沙袋，使用小尺寸的沙袋能夠使沙袋間的間隙變小，進(jìn)而減少渦流，有利于保持沙袋的穩(wěn)定性；建議人工（潛水員）擺放進(jìn)行精細(xì)施工，沙袋擺放位置準(zhǔn)確、整齊，盡量做平整，不干擾水流；管道兩側(cè)的沙袋保護(hù)范圍盡量寬一些。關(guān)于沙子的種類建議以海沙為主，也可選擇河沙或人工沙。沙子的粒徑以0.35-0.5mm的中沙為主。若海沙中含有害物質(zhì)，則有害物質(zhì)含量應(yīng)滿足GB 14684-2011《建設(shè)用砂》的要求。關(guān)于沙袋的包裝袋材料可選取環(huán)保編織袋。編織袋需要具備一定的耐海水腐蝕能力。

對(duì)于“仿生草+混凝土軟體排”防護(hù)法，可以有效地滯緩海流流速，抑制海流對(duì)海床的沖蝕，可固土固砂，具有較好的海底管道懸跨防治效果。仿生草坪，主要有以下三種：高草密集度為308顆/片；尤加利草密度為247顆/片；尤加利草均為308顆/片。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，人工草坪的高度越高，密集度越大，則固沙促淤效果越好，建議選擇高密度的尤加利草作為工程使用的草坪。

2 海底管道在復(fù)雜海床地形條件下的屈曲破壞機(jī)理及防護(hù)措施研究

海底管道總體屈曲，是指海底管道從總體上發(fā)生了歐拉（Euler）屈曲或者壓桿屈曲。根據(jù)屈曲發(fā)生發(fā)展的方向，總體屈曲一般可分為兩種：側(cè)向屈曲和隆起屈曲。側(cè)向屈曲是一種發(fā)生在水平面內(nèi)的管道總體變形行為（見圖2）；隆起屈曲，是一種發(fā)生在豎直內(nèi)的管道總體變形行為（見圖3）。

圖2 側(cè)向屈曲示意圖

圖3 隆起屈曲示意圖

總體屈曲變形可對(duì)海底管道的完整性造成嚴(yán)重后果。側(cè)向屈曲，其對(duì)海底管道可能造成的危害包括局部屈曲、疲勞破壞和棘輪效應(yīng)等[3]。而當(dāng)隆起屈曲發(fā)生時(shí)，原本被埋設(shè)的海底管道將裸露于海床之上，一方面，裸露的海底管道增加了其被破壞的風(fēng)險(xiǎn)，如位于航道或漁業(yè)活動(dòng)頻繁的區(qū)域；另一方面，隆起屈曲變形本身也可能直接危害到海底管道的完整性。

海底管道側(cè)向屈曲和隆起屈曲分析步驟、分析方法和分析手段見表1。

表1 海底管道屈曲分析步驟、分析方法、分析手段總結(jié)表

當(dāng)側(cè)向屈曲變形不可接受時(shí)，需要采取相關(guān)措施抑制或控制側(cè)向屈曲。目前，抑制和控制側(cè)向屈曲發(fā)生和發(fā)展的常見措施主要包括以下兩類：

第一類：抑制側(cè)向屈曲發(fā)生

常見措施有：挖溝；埋設(shè)；拋石；增加管線配重；利用海底管道殘余鋪設(shè)張力。

第二類：控制側(cè)向屈曲發(fā)展

常見措施有：設(shè)置側(cè)向屈曲觸發(fā)裝置，如Sleeper等；減小管線配重；設(shè)置浮力塊。

當(dāng)分析表明隆起屈曲可能發(fā)生時(shí)，需要采取相關(guān)措施抑制隆起屈曲的發(fā)生。抑制隆起屈曲發(fā)生的常見措施主要有：

拋石，最有效的方式是只在海底管道路由上存在隆起的位置拋石；增加埋設(shè)深度；利用海底管道殘余鋪設(shè)張力。

3 海底管道在海床斷層作用下的破壞機(jī)理和防護(hù)措施研究

在海洋地震多發(fā)區(qū)域，海底通常存在一處或多處斷層。這些斷層往往規(guī)模不等，小的不足一米，大的數(shù)千米，但都破壞了海床的連續(xù)性和完整性。當(dāng)海底管道不可避免地需要跨越斷層時(shí)，給海底管道的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)營和維護(hù)等方面帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

斷層是因?yàn)榈貧み\(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力或張力超過了巖層本身的強(qiáng)度后對(duì)巖層產(chǎn)生破壞作用而形成的。通常，將巖層斷裂錯(cuò)開的面稱為斷層面，將斷層面兩側(cè)的巖塊稱為斷盤，其中位于斷層面之上的稱為上盤，位于斷層面之下的稱為下盤。斷層面與地表的交線成為斷層線。斷層的構(gòu)成如圖4所示。

圖4 斷層的構(gòu)成

一般依據(jù)位移性質(zhì)可將斷層分為正斷層、逆斷層和平移斷層三類[4]。斷層在很多情況下呈現(xiàn)出上述某兩種運(yùn)動(dòng)的組合形式，如平移斷層和正斷層的組合運(yùn)動(dòng)形式。

對(duì)處于地震多發(fā)區(qū)域的海洋油氣田而言，由于海底通常存在一處或多處斷層，特別當(dāng)斷層分布規(guī)模較大時(shí)，企圖使海底管道路由完全避開這些斷層幾乎是不可能的。因此，在認(rèn)識(shí)斷層危害的基礎(chǔ)上，允許海底管道跨越斷層并通過設(shè)計(jì)分析以確保海底管道完整性顯然是一種更為可行的解決方法。一般認(rèn)為，斷層對(duì)海底管道的主要危害包括：

（1）致使海底管道懸跨過大，超出允許范圍。一方面，斷層處海床極度不平，海底管道跨越斷層時(shí)可能出現(xiàn)過大懸跨（參見圖5）；另一方面，斷層運(yùn)動(dòng)會(huì)引起懸跨變化，導(dǎo)致原本滿足要求的懸跨超出允許范圍。

圖5 海底管道跨越斷層示意圖

（2）海底管道強(qiáng)度和疲勞破壞。地震發(fā)生時(shí)，斷層處的海底管道可能在地震波、環(huán)境條件和土壤液化等因素的綜合作用下發(fā)生強(qiáng)度或疲勞方面的破壞。

（3）誘發(fā)海底管道整體屈曲。由于斷層的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起海底管道軸向力和局部形態(tài)發(fā)生變化，因此可能誘發(fā)海底管道發(fā)生整體屈曲。

當(dāng)斷層對(duì)海底管道的危害超出規(guī)范要求時(shí)，需要采取有效措施來降低危害以確保海底管道的完整性。常見的主要措施包括海床處理和設(shè)置支墩，其中支墩的設(shè)計(jì)需要特別注意其在環(huán)境條件、斷層運(yùn)動(dòng)和地震作用下的傾覆穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)海底管道在不平坦海床、海床沖刷、海床斷層等復(fù)雜地質(zhì)條件下的海底管道失效機(jī)理和防護(hù)措施進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）提出了應(yīng)對(duì)懸跨破壞的海床預(yù)處理和后處理措施，尤其針對(duì)“沙袋回填法”給出了推薦截面形式為正梯形，并對(duì)沙袋擺放、沙的種類以及沙袋包裝等方面提出建議。針對(duì)“仿生草+混凝土軟體排”防護(hù)法，提出對(duì)仿生草的選擇建議。

（2）總結(jié)出了屈曲分析的分析步驟、分析方法、分析手段，并提出了應(yīng)對(duì)總體屈曲破壞的防護(hù)措施。針對(duì)側(cè)向屈曲提出抑制側(cè)向屈曲發(fā)生和控制側(cè)向屈曲發(fā)展的措施，尤其可通過設(shè)置側(cè)向屈曲觸發(fā)裝置，如Sleeper等來控制屈曲發(fā)展，以節(jié)省工程成本；針對(duì)隆起屈曲，提出抑制隆起屈曲采用拋石、挖溝深埋等措施。

（3）提出了應(yīng)對(duì)由于海床斷層導(dǎo)致海管破壞的防護(hù)措施。主要包括海床處理和設(shè)置支墩，其中支墩的設(shè)計(jì)需要特別注意其在環(huán)境條件、斷層運(yùn)動(dòng)和地震作用下的傾覆穩(wěn)定性。