CN108317340A - 一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置及方法，保护装置包括高压喷嘴排、行走小车系统、自动判断和控制系统、电力系统；高压喷嘴排由支撑架、转向轴、水泵和高压喷嘴组成，支撑架的顶部通过转向轴等间距的排列连接高压喷嘴；行走小车系统由行走小车、行走小车支架、车轮、步进电机和传动装置组成；自动判断和控制系统由自动控制开关、超声测距仪和内置控制芯片组成；电力系统由电源和导线组成，为高压喷嘴排、行走小车系统以及自动判断和控制系统提供能量。本发明对各种海床地质条件、水流条件有着良好的适应性，对各种海床地质条件和水流条件都可以起到良好的保护效果。

Description

一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置及方法

技术领域

本发明属于海底管道建设与运行技术领域，具体涉及一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置及方法。

背景技术

海底管线是用于海底输送油气资源的重要设施，其正常运行是海上油气田安全生产的重要保证，其结构安全是海洋油气资源开发的重要课题。裸露铺设于海床上的管线往往会改变海床底部的局部流场结构，产生三维涡流及水流紊动增强等现象，这样的水动力结构进一步驱动管线附近海床泥沙的运动，尤其是在砂质和粉砂质海床上，强烈的泥沙运动将在管线周围快速形成局部冲刷坑。沿管线不均匀分布的冲刷坑形成后，管线发生悬跨。当悬跨长度超过规定最大长度后，海底管线在自重作用下将发生显著弯曲而失效，另外，在水流作用下，悬跨段海底管线后方将形成交替脱落的漩涡结构，当脱涡频率与管线结构固有频率接近时，将发生共振，形成管线的涡激振动，引起海底管线的疲劳损伤。在海洋石油工程中，因海底管线局部冲刷引发的管线结构破坏时有发生，既对工程本身造成损失，又给周围海域带来溢油等环境污染。因此，开发新型的、实用的海底管理冲刷防护技术具有非常重要的工程意义和应用价值。

目前，海底管线的主要保护技术有挖槽、碎石覆盖、管线自埋、导流等方式。其中，挖槽是指管线敷设前在海床上开挖明槽，一般深1m左右，然后将管线置于槽中，以防止局部冲刷和涡激振动。由于水下开挖需要高强度人、机作业，挖槽费用一般非常高，且仅适用于较浅的海域；碎石覆盖指管线敷设后利用碎石等大颗粒材料覆盖在管道上方，形成保护，防止局部冲刷。这种方法需要大量的碎石材料，且水下作业困难，往往仅适用于短距离的局部管段；管线自埋则利用水流对管线附近泥沙的掏刷，形成管道的自然掩埋，这种方式在管线敷设时不需任何防护，节省建设成本，在很多海域大量采用。然而这种方法使用的前提条件是当地海床土质以及水流条件能够形成有效的自埋，实际上，在我国很多海域，海床的土质并不能满足形成自埋的条件；导流就是在管道上面安装导流装置来引导水流方向，通过改变局部水流结构减少冲刷，但这种方法的效果不是很明显，而且导流装置一般都不是柔性的，容易对海底生物造成伤害。受海洋油气资源开发的推动，近年来不断有新型的管线冲刷防护技术出现，例如利用“人工草”、“仿生海藻”等防护管线周围的海床、在管道上安装柔性浮帘截沙促淤、在管道下方铺设不透水板，以减少因管道两侧渗流力而产生的管涌型冲刷等。这些方法体现了人们从各个方面对海底管线局部冲刷问题进行探索的有效尝试，但由于实际海洋工程受应用效果、建设成本、施工技术水平等条件限制，这些方法目前并未能广泛应用于海洋油气资源开发中，新型的、更加实用的管线冲刷防护技术函待开发。另一方面，不同的管线冲刷防护技术往往适用于特定的海床地质条件、水流条件、以及当地原材料供给条件等。另外，这些方案还有一个共同的特点，就是被动地对海底管道进行防护，试图通过控制局部水流强度减少冲刷，对不同泥沙特性、水流条件的适用性较差，且在实施过程中需要沿整个管线长度进行布设，建造和运行维护成本较高。实际工程应用需要我们提出更多新型的、高效且低成本的管线冲刷悬跨防护技术方案。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置及方法，解决因海底管线局部冲刷引起悬跨以及管线破坏的问题，为海底管道的建设及正常运行提供技术支持。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置，包括高压喷嘴排、行走小车系统、自动判断和控制系统、电力系统；所述高压喷嘴排由支撑架、转向轴、水泵和高压喷嘴组成，所述高压喷嘴排将由于海底管道冲刷所形成的冲刷坑跨肩冲走，由此改变海底管道的悬跨状态，以保护海底管线；所述支撑架的顶部通过转向轴等间距的排列连接所述高压喷嘴，所述转向轴可接受自动判断和控制系统的命令实现高压喷嘴的转向，所述水泵为高压喷嘴排提供高压水流；

所述行走小车系统由行走小车、行走小车支架、车轮、步进电机和传动装置组成，行走小车系统用于带动所述高压喷嘴排沿管道纵向移动，以实现保护装置的正常工作，行走动力由步进电机提供，并通过传动装置传递给车轮，使车轮在安装在管线外壁的轨道上低速行走；

所述自动判断和控制系统由自动控制开关、超声测距仪和内置控制芯片组成，其中，自动控制开关通过接收控制芯片发出的控制信号，以控制高压喷嘴排的强度和时间以及行走小车的运动；超声测距仪用于测量距管道中心线左右侧管道底部与海底之间的距离，即管道悬空高度，并将数据传递至控制芯片，控制芯片可控制自动控制开关的开和闭；

所述电力系统由电源和导线组成，为高压喷嘴排、行走小车系统以及自动判断和控制系统提供能量。

进一步的，所述水泵通过水泵内的叶轮的旋转驱动水流，叶轮功率为0.1kW-10kW，可提供3m/s以上的流速，以冲刷海床泥沙。

进一步的，对于较浅水海域(水深小于50m)的管线，可通过船上电缆为该装置提供电力；对于深水区域管线，可在该模块附加自发电装置，例如利用涡激振动进行海流发电等，保证该装置的正常运行。

一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护方法，包括以下步骤：

1)启动装置，控制芯片工作，超声测距仪开启，进行地形测量，同时行走小车系统开始沿管道移动；

2)超声测距仪不断反馈地形信息给自动判断和控制系统，由控制芯片判别当前地形是否需要进行泥沙冲刷工作；

3)需要冲刷时，控制芯片发出指令，行走小车系统停止前进，高压喷嘴的控制开关闭合，对该地泥沙进行冲刷；

4)超声测距仪不断反馈地形信息给自动判断和控制系统，控制芯片发出指令，控制高压喷嘴的水流强度、转向轴的转动以及行走小车的前后移动；

5)冲刷工作完成，控制芯片发出指令，高压喷嘴的控制开关开启，行走小车的控制开关闭合，行走小车继续带动高压喷嘴排沿管道外壁轨道前进；

6)行走小车行进至保护装置的范围端点时，控制芯片发出指令，小车停止；在一小时后开始往反方向移动，同时超声测距仪继续进行地形测量；

7)周期性重复步骤2)-6)，完成对管线所有断面监测以及冲刷工作，以避免管道处于悬跨状态。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.具有较好的保护效果：本发明改变了传统方案中只进行防护的做法，相反，是采用促进冲刷的方法来改变海底管线的受力状态，避免了管线悬跨可能带来的问题。

2.适应性好：本发明对各种海床地质条件、水流条件有着良好的适应性，对各种海床地质条件和水流条件都可以起到良好的保护效果。

3.从根本上解决问题：随着冲刷的不断进行，管道的整体高程会越来越低，不均匀局部冲刷发生的可能性越来越小，避免了进一步的冲刷，从另外一个思路上解决了海底管线冲刷的难题。

附图说明

图1是本发明保护装置的结构示意图。

图2是海底管线保护装置示意图。

附图标记：1-控制芯片；2-电源；3-步进电机；4-车轮；5-传动装置；6-行走小车支架；7-支撑架；8-转向轴；9-高压喷嘴；10-超声测距仪；11-管道外壁；12-水沙界面；13-水泵；14-小车轨道；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1和图2所示，本发明保护一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置，海底管线一般设置在水沙界面12上，该保护装置改变传统海底管线防护方案中通过减弱水流抑制冲刷发生的思路，相反，利用高压喷嘴主动冲刷由于海底管道不均匀局部冲刷所形成的冲刷坑跨间部位，实现沿管线长度方向的沿程均匀冲刷，从而避免管线发生悬跨。

整套保护装置共由四部分组成：高压喷嘴排、行走小车系统、自动判断和控制系统、电力系统。各部分组成和功能为：①高压喷嘴排：由支撑架7、转向轴8、水泵13和高压喷嘴9组成，其功能是利用一系列有序排列的高压喷嘴9，将由于海底管道冲刷所形成的冲刷坑跨肩冲走，由此改变海底管道的悬跨状态，起到保护海底管线的作用。其中，转向轴8采用360°无死角转向，可以按照控制软件的命令进行各个角度的冲刷，提高高压喷嘴的冲刷质量和效率。支撑架7起整体支撑喷嘴排的作用，转向轴8可以接收控制系统的命令实现高压喷嘴9的转向，水泵13的作用是为喷嘴排提供高压水流，水泵13可采用简单的叶轮旋转驱动水流，根据不同管道直径和泥沙特性，叶轮功率一般为0.1kW-10kW，提供高达3m/s以上的流速，能够冲刷大部分海床泥沙；②行走小车系统：由行走小车、行走小车支架6、车轮4、步进电机3和传动装置5组成，其功能是为整套海底管道的保护装置提供安装支架，并带动高压喷嘴排沿管道纵向移动，以实现保护装置的正常工作。行走动力由步进电机3提供，并通过传动装置5传递给车轮4，使得车轮4在安装在管线外壁的小车轨道14上低速行走，由于海底管线一般较长，每套保护系统设置固定的维护范围，按一定时间间隔在该范围周期性巡航工作。③自动判断和控制系统：由自动控制开关、超声测距仪10、内置的控制芯片1和相应的控制逻辑软件组成。其中，自动控制开关的作用是接收控制芯片1发出的控制信号，来控制高压喷嘴排的强度和时间以及行走小车的运动；超声测距仪10用于测量出距管道中心线左右侧管道底部与海底之间的距离，即管道悬空高度，并将数据提交给控制芯片1，控制芯片采用PLC型可编程控制芯片，控制芯片软件分析当前位置管道附近海底地形，并判断保护装置是否需要开启高压喷嘴9进行冲刷，以及冲刷完成后或不需要冲刷时小车的行走方向，控制自动控制开关的开/闭。④电力系统：由电源2和导线组成，其功能是为高压喷嘴排、行走小车系统以及自动判断和控制系统提供能量。对于较浅水海域(水深小于50m)的管线，可通过船上电缆为该装置提供电力；对于深水区域管线，可在该模块附加自发电装置，例如利用涡激振动进行海流发电等，保证该装置的正常运行；由于海底水流的不稳定性，涡激振动发电机可以在水流较强时发电，在水流较弱时放电，为此保护装置提供稳定的电源。

优选的，由于该保护装置在水下工作，所有部件的金属都使用耐腐蚀、不易生锈的材料，导线要做好防水，以免与水接触造成整套装置的损坏。

使用该系统之后，整个海底管道防悬跨的保护装置可以由内置控制芯片自动控制，其具体实现流程为：

1.装置启动，控制芯片工作，超声测距仪开启，进行地形测量，同时行走小车系统开始沿管道移动；

2.超声测距仪不断反馈地形信息给判断系统，由控制芯片判别当前地形需不需要进行泥沙冲刷工作；

3.需要冲刷时，控制芯片发出指令，小车系统停止前进，高压喷嘴控制开关闭合，对该地泥沙进行冲刷；

4.超声测距仪不断反馈地形信息给判断系统，控制芯片发出指令，控制高压喷嘴的水流强度、转向轴的转动以及小车的前后移动；

5.冲刷工作完成，控制芯片发出指令，高压喷嘴控制开关开启，行走小车控制开关闭合，小车继续带动高压水排沿管道外壁11轨道前进；

6.小车行进到该套保护系统的范围端点时，控制芯片发出指令，小车停止；在一定时间间隔后开始往反方向移动，同时超声测距仪继续地形测量；

7.周期性重复步骤2-6，完成对管线所有断面监测以及冲刷工作，从而避免管道处于悬跨状态可能带来的不利因素。

考虑到后期可能有部分管道被掩埋的问题，需要调整好每套保护装置的维护范围，尽量避开被掩埋的部分管道；必要时，由专业人员潜到水下，调整现有保护装置的位置，以便更好地起到保护海底管道的作用。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置，其特征在于，包括高压喷嘴排、行走小车系统、自动判断和控制系统、电力系统；所述高压喷嘴排由支撑架、转向轴、水泵和高压喷嘴组成，所述高压喷嘴排将由于海底管道冲刷所形成的冲刷坑跨肩冲走，由此改变海底管道的悬跨状态，以保护海底管线；所述支撑架的顶部通过转向轴等间距的排列连接所述高压喷嘴，所述转向轴可接受自动判断和控制系统的命令实现高压喷嘴的转向，所述水泵为高压喷嘴排提供高压水流；

所述行走小车系统由行走小车、行走小车支架、车轮、步进电机和传动装置组成，行走小车系统用于带动所述高压喷嘴排沿管道纵向移动，以实现保护装置的正常工作，行走动力由步进电机提供，并通过传动装置传递给车轮，使车轮在安装在管线外壁的轨道上低速行走；

所述自动判断和控制系统由自动控制开关、超声测距仪和内置控制芯片组成，其中，自动控制开关通过接收控制芯片发出的控制信号，以控制高压喷嘴排的强度和时间以及行走小车的运动；超声测距仪用于测量距管道中心线左右侧管道底部与海底之间的距离，即管道悬空高度，并将数据传递至控制芯片，控制芯片可控制自动控制开关的开和闭；

所述电力系统由电源和导线组成，为高压喷嘴排、行走小车系统以及自动判断和控制系统提供能量。

2.根据权利要求1所述一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置，其特征在于，所述水泵通过水泵内的叶轮的旋转驱动水流，叶轮功率为0.1kW-10kW，可提供3m/s以上的流速，以冲刷海床泥沙。

3.根据权利要求1所述一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置，其特征在于，所述电力系统内还设置有自发电装置。

4.根据权利要求3所述一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置，其特征在于，所述自发电装置为涡激振动发电机。

5.一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护方法，基于权利要求1所述促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置，其特征在于，包括以下步骤：

1)启动装置，控制芯片工作，超声测距仪开启，进行地形测量，同时行走小车系统开始沿管道移动；

2)超声测距仪不断反馈地形信息给自动判断和控制系统，由控制芯片判别当前地形是否需要进行泥沙冲刷工作；

3)需要冲刷时，控制芯片发出指令，行走小车系统停止前进，高压喷嘴的控制开关闭合，对该地泥沙进行冲刷；

4)超声测距仪不断反馈地形信息给自动判断和控制系统，控制芯片发出指令，控制高压喷嘴的水流强度、转向轴的转动以及行走小车的前后移动；

5)冲刷工作完成，控制芯片发出指令，高压喷嘴的控制开关开启，行走小车的控制开关闭合，行走小车继续带动高压喷嘴排沿管道外壁轨道前进；

6)行走小车行进至保护装置的范围端点时，控制芯片发出指令，小车停止；在一小时后开始往反方向移动，同时超声测距仪继续进行地形测量；

7)周期性重复步骤2)-6)，完成对管线所有断面监测以及冲刷工作，以避免管道处于悬跨状态。