海底管道裸露與懸跨維護方法研究*1

王憶非，亓發(fā)慶，徐國強，魏宏偉，闞長賓，任 軍，邊洪村

(1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

海底管道裸露與懸跨維護方法研究*1

王憶非1，亓發(fā)慶1，徐國強1，魏宏偉2，闞長賓2，任 軍1，邊洪村1

(1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

隨著遼東灣淺海油氣的開發(fā)，該海域海底管道的鋪設增多。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，需要人為定期檢測與維護。根據(jù)遼東灣海南8管道的檢測結(jié)果，結(jié)合海底沉積物、水文等資料，分析了該海區(qū)沖刷機制和現(xiàn)今常用的海底管道裸露與懸跨的維護方法在該海域的適用性。

海底管道；沖刷；裸露與懸跨；維護方法

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

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，對海南8及遼東灣北部海域海底管道維護方法進行了初步研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于渤海最北部，遼寧省營口市鲅魚圈韭菜坨子至錦西市葫蘆島高角連線以北的遼東灣頂部海域，屬于遼河油田淺海油氣資源開發(fā)區(qū)(圖1)。該區(qū)域修建了多個海上人工島，也鋪設了多條海底管道，海底管道防護方法的研究對本區(qū)域海洋石油開發(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，等深線基本與岸線平行。海底管道自海南8人工島向東北雙臺子河口外的東、西兩個潮汐通道處轉(zhuǎn)向東由海南3采油區(qū)登陸。如圖2所示，該區(qū)域除雙臺子河口外兩個河流岔道水深較深外，周圍均為近岸淺海平原。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)過東潮汐通道的東、西兩個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，細粒沉積物擴散到遠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。雙臺子河口區(qū)在汛期由徑流攜帶大量泥沙運移至河口區(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，對灘槽的沖淤影響更為復雜[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)水流流勢明顯強于淺灘區(qū)。

2 海南8管道檢測結(jié)果

海南8至海南3采油區(qū)的海底管道已鋪設數(shù)年，海底管道受到不同程度沖刷破壞，為維護管道確保安全運營，2012-05對其進行了管道檢測。對比2004-06鋪設管道前的測深資料，檢測結(jié)果如圖3所示：雙臺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，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2.8 m；檢測出的裸露與懸跨區(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，當某一區(qū)域海水攜砂力大于該區(qū)域的淤積的含沙量時，則發(fā)生沖刷現(xiàn)象，導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，以下對海底管道產(chǎn)生裸露懸跨的原因進行初步分析。

海南8人工島管道穿過雙臺子河口潮汐通道，其表面沉積物多為粉土、粉質(zhì)黏土及粉砂細砂，平均粒徑為0.49～6.77 mm，受水動力改造明顯，易發(fā)生沖蝕。該區(qū)域水流受岸灘、河心灘及潮汐影響，漲潮時潮流較強，部分懸浮泥沙被運移到雙臺子河河口門以上河道區(qū)。而落潮時水流受水下地形和邊界的影響，形成多股汊流，主流呈強流狀態(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，對流路上海床行成沖刷，泥沙向遠離河口的方向運移[1-3]。雙臺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。拋填砂袋可以暫時掩埋裸露管道，但沖刷區(qū)水動力環(huán)境可能會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風也會對海床造成一定影響。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)偏北風從而引起定向浪和海流，這會降低海底表層沉積物的抗剪強度，使得泥沙被大量沖刷淘走，對海床穩(wěn)定產(chǎn)生威脅。臺風則主要發(fā)生在7、8月份，受其影響，海區(qū)可出現(xiàn)暴雨和風暴潮，威脅石油平臺的安全運營并對岸灘、河心灘等地貌單元造成影響[4]。

4 管道裸露與懸跨維護方法

淺海海底管道發(fā)生裸露與懸跨時最常用的方法是拋填砂袋，該方法屬于剛性保護技術，可以及時填充已被沖刷的海床，對管道進行掩埋，起到保護管道的效果，操作簡便靈活。由于沖刷區(qū)的水動力環(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拋填砂袋區(qū)域的管道埋藏情況，來進行人工防護。海南8人工島海底管道就應用過拋填砂袋進行維護，據(jù)2012-05最新檢測結(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

為了滿足日益增長的海底管道防護需要，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方式上進行了補充發(fā)展，更好的起到防止海床沖蝕、保護海底管道的作用。結(jié)合遼東灣地區(qū)的地質(zhì)條件，對幾個海底管道裸露與懸跨維護方法在該海域的適用性進行分析。

1)仿生水草和人工網(wǎng)墊是一種柔性保護措施，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，降低水流對海床的沖蝕能力，來達到防止管道區(qū)域沖刷的目的；后者一般利用四周加設重物壓住中間的防沖刷網(wǎng)墊來保護管道區(qū)不被沖刷[5]。海南8管道區(qū)經(jīng)過的海域水深平均為-2～3 m，水深較淺，若采用仿生水草會造成過往漁船螺旋槳與水草產(chǎn)生勾掛，影響漁船行駛安全。同時，仿生水草法需要對已沖蝕區(qū)域先進行回填，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，確保仿生水草對周邊環(huán)境無害，需在安裝仿生水草區(qū)域設置警示標志，提醒過往漁船注意避讓。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。每根短柱可以支撐一定長度的海底管道，即使海床沖蝕深度進一步加深也可以確保管道的運行安全。但該方法沒有對管道進行掩埋處理，需要注意避免管道上方漁船拋錨等人為因素對管道造成損害。該方法運用于沖刷范圍較小的海域簡便可靠，并且即使懸跨管道長度加大，在一定范圍內(nèi)也能起到保護管道的作用。

3)加設魚鰭式導流板的海底管道可以利用海域內(nèi)海流實現(xiàn)管道自埋，從而減少管道振動，改善管道穩(wěn)定性。例如2003-2004年韓國現(xiàn)代公司在杭州灣為中國石油化工集團埋設的裝有導流板的海底管道，經(jīng)檢測證明自埋效果明顯[6]。該技術主要利用導流板產(chǎn)生的渦流來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，減少管道的維護工作，適合應用于潮流流速較大形成海床沖蝕的海域。該方法在應用時，若水流方向變化至與導流板平行，則無法發(fā)揮自埋作用；若表面沉積物性質(zhì)變化較大，導致導流板自埋時渦流產(chǎn)生的沖刷坑不平衡也可能導致管道局部懸空[7]。海南8海底管道位于雙臺子河口區(qū)，沖刷區(qū)潮流方向主要與溝槽方向一致，變化很小，基本不會出現(xiàn)潮流方向與導流板方向平行的情況，且表層沉積物性質(zhì)均衡，容易實現(xiàn)管道自埋，投入應用的話會降低管道路由區(qū)的檢測防護工作量。但海南8人工島的管道已經(jīng)埋設多年，為裸露與懸跨區(qū)域的管道加設導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方法可以沿用拋填砂袋法，定期在全區(qū)進行人工檢測與維護。局部沖刷深度較淺區(qū)域可以結(jié)合人工網(wǎng)墊法來維護，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

以遼河油田淺海油氣資源開發(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，極端天氣也會對管道安全造成一定影響。實踐表明，拋填砂袋法應用廣泛便捷，是目前遼東灣海域管道防護的主要手段，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行管道維護。加設導流板對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發(fā)區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件、潮流等因素適合導流板法的應用條件，建議在今后遼東灣海區(qū)新鋪海底管道時考慮應用，可減少后期海底管道檢測防護工作。海底管道的防護工作一定要結(jié)合當?shù)厮臍庀?、地質(zhì)條件，分析不同防護手段的可行性和成本，選取適合的防護措施，并且定期進行檢測。建議今后在遼東灣遼河油田淺海油氣資源開發(fā)區(qū)進行海流觀測以掌握當?shù)氐暮Ａ髻Y料，來更好的進行海底管道的防護工作。

[1]陳娟,趙環(huán)宇,于冰,等.雙臺子河口分汊水流特征及心灘演變[J].科技創(chuàng)新導報,2008,(7):84-86.

[2]徐東浩,李軍,趙京濤,等.遼東灣表層沉積物粒度分布特征及其地質(zhì)意義[J].海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì),2012,32(5):35-42.

[3]徐國強,亓發(fā)慶,闞長賓,等.淺海海底管道探測技術探討[J].海岸工程,2013,32(2):20-29.

[4]黃潘陽,劉杜娟,季有俊,等.冊子島-鎮(zhèn)海海底原油管道沖刷穩(wěn)定性研究[J].海岸工程,2013,32(2):30-35.

[5]巴建彬.海底管道懸空成因及防治措施[J].中國新技術新產(chǎn)品,2013,(02)：64-65.

[6]曹靜.海底管道懸垮修正方法介紹[C]∥第十三屆中國科協(xié)年會第13分會場-海洋工程裝備發(fā)展論文集,2011.

[7]喻國良,陳琴琴,李艷紅.海底管道防沖刷保護技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].水利水電技術,2007,38(11):30-33.

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)與勘查技術方面研究.E-mail:wangyifei3251@163.com(陳 靖 編輯)

P756.2

A

1002-3682(2014)01-0037-06