海洋石油工程股份有限公司,天津 300451
中图分类号: P742
文献标识码: A
文章编号: 2095-7297(2015)01-0045-05
收稿日期: 2015-01-15
网络出版日期: 2015-02-20
版权声明: 2015 海洋工程装备与技术编辑部 版权所有
作者简介:
作者简介:周子鹏(1983--),男,硕士,工程师,主要从事海底管道工程设计方面的研究.
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摘要
针对由于海底管道支撑结构底部被冲刷掏空而导致的海底管道失效等问题,研究了海底结构物冲刷原理,以冲刷理论分析为基础获得了海床冲刷启动流速.采用FLUENT有限元软件建立海管支撑结构及周围海域的二维紊流模型,真实地模拟了海床上增加支撑结构后的海流变化趋势,获得了增加海底结构物后的海床表面流速,通过与海床冲刷启动流速比对来评估冲刷情况.该评估法在印尼爪哇海域海底管道工程成功应用,是一种实用可靠的冲刷启动评估方法,对国内外海域海底结构的冲刷启动评估工作有借鉴意义.
关键词：
Abstract
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.
Keywords：
海底管道是海上油田生产系统中的一个重要组成部分.维护海底管道的安全是保证安全生产和保护海洋环境的重要环节.近年来,海底管道建设数量急剧增加,海底管道相互交叉跨越逐渐常态化,因此支撑结构成为了海底管道跨越工程设计的必要组成部分.但由于海底支撑结构的存在,改变了海底临界区域的波流状况,可能造成支撑结构底部发生冲刷或者局部土壤掏空等问题,从而导致支撑失稳侧倾或下沉,引起海底管道突发性破坏,造成重大的经济损失和环境破坏[1-3].如果能够评估支撑结构附近是否发生冲刷,将对海底管线的建设和海管支撑结构的防护有相当大的工程经济价值和学术意义.
基于海底结构物冲刷评估研究现状,本文结合实际工程项目,采用理论分析与有限元数值模拟对比法,对海底结构物冲刷风险进行了评估.首先采用理论分析法对海底冲刷启动流速进行计算分析,然后使用FLUENT有限元软件在二维空间内研究了放置于海床上的海底结构物附近的海底流场,并与理论分析结果相对比,从而判定冲刷是否启动.该冲刷启动评估方法的应用,成功解决了海底支撑结构的冲刷预测难题,可为工程方案的确定和实施提供技术依据.
海底冲刷现象是由于波浪和水流作用造成的海底结构物底部及其附近海床的泥沙运动.根据海洋冲刷动力学原理分析,海底冲刷的形成,主要是由于结构物安装在海底之后,打破了原有水下流场的平衡,引起局部水流速度加快,使正常流动的水流形成一定的压力梯度并构成对海底的剪切力,导致海床表面的沉积物被带走.因此,海底结构物周边的海底流速是决定冲刷启动与否的关键要素.
马良等[1,4]总结了无粘性土不冲刷允许流速,一旦超过相应流速,海床成为动床,置于海床表面的结构物底部可能由于海床冲刷而掏空.因此,本文将使用支撑结构物周边的海底流速作为冲刷启动的判据,首先对支撑结构物周围的流速进行理论计算分析,获得海床的启动流速.然后使用FLUENT二维有限元软件进行海管支撑结构的数值模拟并通过模拟分析获得结构物周围的流速,最后将二者进行比较,从而判断支撑结构物周围是否将发生冲刷,对整体的情况进行评估.
Bai等[4]依据扩展的Shields曲线建立了冲刷启动流速计算模型.在二维支撑结构物底部的二维启动流速计算方程为
uc=5.75
式中:uc为启动流速,m/s;hc为海流距海床高度,m;τc为泥沙起动拖曳力,N;ρw为海水密度,kg/m3;νw为海流粘性系数,cm2/s.
泥沙起动拖曳力[5]可以通过下式获得:
τc=1000×0.062×108Δε(γs-γw)d50,(2)
式中:γs为海床土壤特征比重;γw为海水特征比重;Δε为海床土壤孔隙度,表达式为
Δε=0.245-0.222lgd50-
式中:e0为海床土壤空隙比;d50为海床土壤中粒径,mm.
FLUENT 软件是目前市场上最流行的计算流体动力学软件.可以选择稳态计算器和非稳态计算器求解.非稳态计算器可以用于分析包含时间轴的动态模拟计算,稳态计算器可用于计算稳态的流速或者是基于时间统计的平均流速.
在数值模拟中,选用FLUENT中的k-ε紊流模型来模拟海底支撑结构周围的冲刷情况.k-ε紊流模型被广泛用于模拟分析天然气和液体等流体.为了更好地模拟海底冲刷状况,模型建立时需要使用一些经验参数,如动涡流黏滞度等[6].
在紊流模型中,动涡流黏滞度可以使用下式计算获得:
μt=cμρ
式中:k为紊流动能;ε为紊流动能折减值;cμ为标准k-ε紊流模型系数.
紊流动能可以通过下式计算获得:
ρ
ρ
式中:Gk是名义流速梯度引起的紊流动能增量,可以通过Boussinesq近似法得出[7].
A海管是印尼爪哇海域海上气田开发工程的核心海底管道,该气田初步处理后的天然气通过A海底管道输送至陆地终端.在A海管设计建设过程中,需要跨越另一条已存在的海底管道.在海管跨越工程方案中采用了6个混凝土支撑和2个水泥垫块对A海管进行支撑,所有支撑结构采用对称布置方式安放在已建管道两边.图1为海底管道跨越支撑方案布置图.
混凝土支撑采用底板加垂向支撑形式,主要是考虑底板可以增加支撑与海床的接触面积,从而达到增强支撑稳定性和减少海床面紊流的效果.图2为混凝土支撑三维典型图.表1为海底管道支撑结构的详细尺寸.
表1 海底管道支撑结构详细尺寸
Table 1 Dimensions of subsea pipeline crossing support (m)
| 海底管道 支撑结构 | 支撑结构 底板尺寸 | 支撑结构 高度 |
|---|---|---|
| 混凝土支撑(3和4) | 3×14 | 1.5 |
| 混凝土支撑(2和5) | 3×9 | 1.2 |
| 混凝土支撑(1和6) | 3×6 | 0.6 |
| 水泥垫块 | 5.2×2.05 | 0.18 |
通过对印尼爪哇海域的工程地质调查,可以获得海床地质详细数据(见表2).地质资料表明,印尼爪哇海域土壤较为松软,需要对海底结构周边是否会发生冲刷进行评估以保证工程方案的可行性,可靠性和经济性.
表2 海床地质详细数据
Table 2 Geotechnical data of crossing point
| 海床地质信息 | 参数值 |
|---|---|
| 水深/m | 30 |
| 中粒径值/mm | 0.001 |
| 海床土壤空隙比 | 4.23 |
| 海流粘性系数/(cm2·s-1) | 0.01 |
| 海床土壤特征比重 | 2.39 |
| 海水密度/(g·cm-3) | 1.033 |
根据1.1节的冲刷启动流速理论,计算获得该海域海底冲刷启动流速为1.26 m/s,即放置海管支撑后的海底海流速度一旦超过1.26 m/s,冲刷将会发生.
依据工程方案中的海管支撑布置和支撑尺寸,使用FLUENT软件来进行二维有限元数值模拟分析.为了更好地分辨海底管道支撑附近的流场,采用了非均分网格划分形式.整个海管跨越支撑周围海域的计算网格如图3所示.
图3 海管跨越支撑周围海域网格示意图
Fig.3 Meshing of the sea area surrounding subsea pipeline crossing support
将在Gambit中画好的海管跨越支撑海域网格导入FLUENT软件中,选择二维k-ε紊流模型非稳态求解器来模拟海底支撑结构周围的冲刷情况.模型主要参数设置见表3.
表3 FLUENT模型主要参数设置
Table 3 Main parameters in the FLUENT model
| 模型 定义 | 左边界 类型 | 右边界 类型 | 顶界面 类型 | 其他边界 类型 | 材料 定义 | 重力 定义 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| k-ε | Velocity inlet | Outflow | Symmetry | Wall | Water-liquid | Gravitational acceleration |
通过有限元计算模拟,获得了海管支撑附近海流状态的二维海流分布图,如图4所示.从图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围内的海流速度出现了增加,支撑高度越高,其周围海流速度越大.随着支撑高度的降低,左右两边最矮的海管支撑周围海流速度逐渐减小.
图4 海管支撑周围海域二维海流速度分布图
Fig.4 Two-dimensional distribution of current velocity of the sea area surrounding subsea pipeline crossing support
为了更直观地观察海管支撑周围海域海床表面的流速,在FLUENT软件中生成了距离海床高度为0.1 m,0.15 m和0.2 m处的最大流速,可以得出距离海床高度为0.2 m以下的海底最大海流流速为0.852 m/s.详细的流速情况如图5所示.
图5 距离海床高度为0.1 m,0.15 m 和0.2 m处的最大流速图
Fig.5 Maximum current velocities at the heights from the seabed of 0.1 m, 0.15 m, and 0.2 m
基于前面的理论计算和数值模拟,分别获得了该项目海域海底冲刷启动流速(1.26 m/s)和放置海管支撑后的海底最大海流速度(0.852 m/s).通过比较可知,该跨越支撑放置于海底后不会引起底部冲刷.目前该工程方案已获得挪威船级社(新加坡)的认证,是可行可靠的工程方案.
海床冲刷是海底管道支撑结构失效中最为复杂也最为常见的方式.对海床冲刷发生与否进行合理的评估可以为工程开发和施工提进行风险预警,保证海底管道运行期内的安全稳定.本文提出的"理论计算结合二维有限元数值模拟"海底流速比对评估法,首先采用国际先进且相对较为保守的理论计算分析获得冲刷启动流速,然后再利用有限元数值模拟法较为准确地还原了海底流场的运行状态并获得了实际海底流速,同时具备了理论分析的保守性和数值模拟的真实性.在印尼海底管道工程项目中的应用效果表明,该方法解决了海底支撑结构的冲刷启动预测难题,而且简单实用,结果可靠,对具有类似工程方案或海底地质条件的海上油气田开发项目具有一定的借鉴意义.目前阶段,结合印尼本地海域工程开发经验,该冲刷启动评估法采用二维有限元数值模拟已能够满足工程开发需求.在未来的工程或者科研项目中,可以尝试使用三维有限元数值模拟来进一步完善本方法.同时需要注意的是三维有限元数值模拟工作量较大,也将需要更多的资源和基础数据用于完善模拟分析.
The authors have declared that no competing interests exist.
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海底输油管道底砂床冲刷机理研究 [J].DOI:10.3969/j.issn.1005-9865.2006.04.008 URL 摘要
设计了海底输油管道水槽冲刷试验模型，研究了海底输油管道与砂床处于不同相对位置情况下床砂 起动流速的变化，采用理想流体映射定理对其进行了理沧分析，探讨起动流速变化规律。结合有限元数值模拟对试验进行细化分析，研究了海底管道底砂床砂粒起动 的产生机理，根据研究结果将冲刷过程划分为五个阶段。阐明了海底管道暴露冲刷的危害性和实时监测的重要性。
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海洋平台桩基冲刷及影响因素分析 [J].DOI:10.3969/j.issn.1002-3682.2004.04.006 URL [本文引用: 1] 摘要
海洋平台修建后桩柱周围局部水动力条件变化会导致不同程度的桩基冲刷 ,进而影响平台稳定性。介绍了桩基冲刷研究现状及现阶段存在问题 ,论述了桩基冲刷发展过程以及产生冲刷坑的影响因素
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Rheological properties and incipient motion of cohesive sediment in the Haihe Estuary of China [J].DOI:10.3321/j.issn:0890-5487.2002.04.005 URL [本文引用: 2] 摘要
The Haihe cohesive sediment, which is typical in China, is studied systematically for its basic physical and incipientmotion properties. Following the requirements of dredging works in the Haihe Estuary, cohesive sediment samples weretaken from three locations. Laboratory experiments were conducted to determine the rheological properties of these sam-ples and to examine the incipient motion of the cohesive sediment. It is found that the cohesive sediment has an obviousyield stress τb, which increases with the mud density in a manner of an exponential function, and so does the viscosityparameter η. The cohesive sediment behaves like a Bingham fluid when its density is below 1.38 ~ 1.40 g/cm3, andwhen denser than these values, it may become a power-law fluid. The incipient motion experiment also revealed that theincipient velocity of the cohesive sediment increases with the density in an exponential manner. Therefore, the incipientmotion is primarily related to the density, which is different from the case for non-cohesive sediment in which the incipi-ent motion is correlated with the diameter of sand particles instead. The incipient motion occurs in two different ways de-pending on the concentration of mud in the bottom. For sufficiently fine particles and a concentration lower than1.20 g/cm3, the cohesive sediment appears as fluidized mud, and the incipient motion is in the form of instability of aninternal wave. For a higher concentration, the cohesive sediment appears as general quasi-solid-mud, and the incipientmotion can be described by a series of extended Shields curves each with a different porosity for newly deposited alluvial mud.
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海底管道周围局部冲刷数值模拟分析 [J].DOI:10.3969/j.issn.1003-2029.2010.01.011 URL [本文引用: 1] 摘要
通过建立一个垂直二维紊流模型来模拟管道周围流场,建立泥沙冲刷模型来模拟海床底面变化。其中,冲刷模型同时包括悬移质输沙和推移质输沙。海床底面变化通过计算底面泥沙总输运平衡关系得到。并进行多组冲刷数值实验,分析泥沙冲刷过程,总结出一套冲刷平衡深度经验公式。
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海洋平台桩基的冲刷机理 [J].
从桩基周围的水流结构和此水流条件下泥沙的运动来叙述桩基冲刷的过程,总结平台桩基冲刷的机理及影响冲刷坑位置与大小的因素,综合前人的研究,认为海洋平台周围水流状态对桩基的冲刷研究有待进一步深入.
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