基于FLUENT的海底結(jié)構(gòu)沖刷啟動評估法在印尼海底管道工程中的應用

周子鵬,鐘文軍,周美珍,孫國民,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)沖刷啟動評估法在印尼海底管道工程中的應用

周子鵬,鐘文軍,周美珍,孫國民,王樂芹,胡春紅

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

針對由于海底管道支撐結(jié)構(gòu)底部被沖刷掏空而導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獲得了海床沖刷啟動流速。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，真實地模擬了海床上增加支撐結(jié)構(gòu)后的海流變化趨勢，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流速比對來評估沖刷情況。該評估法在印尼爪哇海域海底管道工程成功應用，是一種實用可靠的沖刷啟動評估方法，對國內(nèi)外海域海底結(jié)構(gòu)的沖刷啟動評估工作有借鑒意義。

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

0 引 言

海底管道是海上油田生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。維護海底管道的安全是保證安全生產(chǎn)和保護海洋環(huán)境的重要環(huán)節(jié)。近年來，海底管道建設數(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計的必要組成部分。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)濟損失和環(huán)境破壞[1-3]。如果能夠評估支撐結(jié)構(gòu)附近是否發(fā)生沖刷，將對海底管線的建設和海管支撐結(jié)構(gòu)的防護有相當大的工程經(jīng)濟價值和學術(shù)意義。

基于海底結(jié)構(gòu)物沖刷評估研究現(xiàn)狀，本文結(jié)合實際工程項目，采用理論分析與有限元數(shù)值模擬對比法，對海底結(jié)構(gòu)物沖刷風險進行了評估。首先采用理論分析法對海底沖刷啟動流速進行計算分析，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，并與理論分析結(jié)果相對比，從而判定沖刷是否啟動。該沖刷啟動評估方法的應用，成功解決了海底支撐結(jié)構(gòu)的沖刷預測難題，可為工程方案的確定和實施提供技術(shù)依據(jù)。

1 海底結(jié)構(gòu)沖刷啟動評估技術(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動。根據(jù)海洋沖刷動力學原理分析，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的平衡，引起局部水流速度加快，使正常流動的水流形成一定的壓力梯度并構(gòu)成對海底的剪切力，導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與否的關鍵要素。

馬良等[1,4]總結(jié)了無粘性土不沖刷允許流速,一旦超過相應流速,海床成為動床,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的判據(jù)，首先對支撐結(jié)構(gòu)物周圍的流速進行理論計算分析，獲得海床的啟動流速。然后使用FLUENT二維有限元軟件進行海管支撐結(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，對整體的情況進行評估。

1.1 沖刷啟動流速理論

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

(1)

式中：uc為啟動流速,m/s;hc為海流距海床高度,m;τc為泥沙起動拖曳力,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 軟件是目前市場上最流行的計算流體動力學軟件?？梢赃x擇穩(wěn)態(tài)計算器和非穩(wěn)態(tài)計算器求解。非穩(wěn)態(tài)計算器可以用于分析包含時間軸的動態(tài)模擬計算，穩(wěn)態(tài)計算器可用于計算穩(wěn)態(tài)的流速或者是基于時間統(tǒng)計的平均流速。

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，模型建立時需要使用一些經(jīng)驗參數(shù)，如動渦流黏滯度等[6]。

在紊流模型中，動渦流黏滯度可以使用下式計算獲得：

(4)

式中：k為紊流動能；ε為紊流動能折減值；cμ為標準k-ε紊流模型系數(shù)。

紊流動能可以通過下式計算獲得：

(5)

(6)

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

2 沖刷啟動評估法在印尼海底管道工程項目中的應用

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海管設計建設過程中，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個混凝土支撐和2個水泥墊塊對A海管進行支撐，所有支撐結(jié)構(gòu)采用對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，從而達到增強支撐穩(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)詳細尺寸Table 1 Dimensions of subsea pipeline crossing support m

2.1 沖刷啟動流速理論計算

通過對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，需要對海底結(jié)構(gòu)周邊是否會發(fā)生沖刷進行評估以保證工程方案的可行性、可靠性和經(jīng)濟性。

根據(jù)1.1節(jié)的沖刷啟動流速理論，計算獲得該海域海底沖刷啟動流速為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，沖刷將會發(fā)生。

表2 海床地質(zhì)詳細數(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，采用了非均分網(wǎng)格劃分形式。整個海管跨越支撐周圍海域的計算網(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)設置見表3。

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

通過有限元計算模擬，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)沖刷啟動評估結(jié)果

基于前面的理論計算和數(shù)值模擬，分別獲得了該項目海域海底沖刷啟動流速(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引起底部沖刷。目前該工程方案已獲得挪威船級社(新加坡)的認證，是可行可靠的工程方案。

3 結(jié) 語

海床沖刷是海底管道支撐結(jié)構(gòu)失效中最為復雜也最為常見的方式。對海床沖刷發(fā)生與否進行合理的評估可以為工程開發(fā)和施工提進行風險預警，保證海底管道運行期內(nèi)的安全穩(wěn)定。本文提出的“理論計算結(jié)合二維有限元數(shù)值模擬”海底流速比對評估法，首先采用國際先進且相對較為保守的理論計算分析獲得沖刷啟動流速，然后再利用有限元數(shù)值模擬法較為準確地還原了海底流場的運行狀態(tài)并獲得了實際海底流速，同時具備了理論分析的保守性和數(shù)值模擬的真實性。在印尼海底管道工程項目中的應用效果表明，該方法解決了海底支撐結(jié)構(gòu)的沖刷啟動預測難題，而且簡單實用、結(jié)果可靠，對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，該沖刷啟動評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目中，可以嘗試使用三維有限元數(shù)值模擬來進一步完善本方法。同時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, 萬兆惠．泥沙運動力學[M] . 北京: 科學出版社，2003.

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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計方面的研究。