CN110440056B - 一种具有蜂窝孔结构的海底管线及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有蜂窝孔结构的海底管线及其设计方法，属于海底管线设计与生产技术领域。该海底管线包括5层结构，从内至外依次为钢管、防腐绝缘层、保温层、套管、混凝土防护层，混凝土防护层外表面均匀设置蜂窝孔洞结构，蜂窝孔洞结构为圆形凹孔。圆形凹孔的直径大于管线直径的十五分之一，小于管线直径，深度m小于管线直径的十二分之一，且每延米海底管线均匀分布1000至20000个圆形凹孔。通过深度比DR与面积比AR两个参数对四个指标进行优选设计，四个指标的优化组合可决定海底管线的减阻效果。本发明提供的海底管线能够大幅减轻了海底管线所受的冲击力，且制造成本低、安装方便、便于工程实际与科学研究应用，适用于深海区海底管线的自我防护。
Description
技术领域
本发明属于海底管线设计与生产技术领域，涉及穿越海底滑坡、海底沙波、强海流区油气管线的新型防护技术，具体涉及一种具有蜂窝孔结构的海底管线及其设计方法，以减轻对运营期管线的威胁，尤其适用于深海区海底管线的自我防护。
背景技术
海底管线系统包括输油管道、输气管道、输水管道、油气混输管道、油水混输管道、油气水混输管道、通讯光缆、电缆与市政管线等，是海上油气资源开发、国际通信、资源共享等领域中不可或缺的重要部分。其中，具有输送连续、输送量大、高效率、低成本等诸多优点的海底管线，是输送流体介质的主要方式，更是海洋油气工程的生命线。然而，海洋油气开发工程却十分脆弱，理论基础与技术发展均严重滞后于工程实践。在能源需求日益加剧的背景下，海洋能源开发已加快步入深水区，且超远输运(大于1000km)、超深海域(大于2000m)以及超大直径(大于1m)的海底管线成为发展的趋势，这导致海底管线铺设与维护的难度越来越大，所面临危险越来越严重。因此，保障海底管线的安全运营，是海洋工程中一直面临的严峻挑战。
美国的MMS(Minerals Management Service)统计表明，1967-1987年间墨西哥湾海底管线失效事故达到平均每年35例，随着海底管线的大规模铺设，管线失效的情况将更加触目惊心。通过对USGC(U.S.Geological Survey)记录的1967-1975年间墨西哥湾海底管道事故进行分析，发现海床运动(海底滑坡)是引起海底管道失效的主要原因之一。作为最常见的海洋地质灾害，海底滑坡在极缓的海床都会发生。失稳的滑坡体在长距离运移过程中，经复杂的水土交换作用，逐渐演变为均匀的流态化高速滑移体，会对海底管线产生强大的冲击，严重威胁海底管线的安全，导致油气停产，进而造成供方经济损失，并影响受供方使用，原油泄露还会污染海洋环境，甚至发生爆炸危及公共安全。
为保障海底管线的运营安全，建设前期需进行合理的工程选线。不幸的是，很多油气富集区的海洋环境更为恶劣，地质灾害严重发育，管线将不可避免的穿越这些区域。对管线进行必要的防护是最经济与有效的途径。目前，海底管线防护技术主要有三大类，以抵御或减轻管线所受的危害。第一，海底管线需要有一定的埋置深度，美国船级社的规范中认为，管线的埋深至少为3英尺。第二，海底管线的刚性防护技术，如抛石、沙袋填充、混凝土盖块、短桩支撑、阻流板等。第三，海底管线的柔性防护技术，如人工水草、人工网垫等。上述三类方法广泛应用于浅海区，但难以应用于深海区。这是因为深海区有着更为复杂的地质背景与地形，再加上施工技术与水深等制约，导致深海区海底管线的铺设方式只能平铺于海床表面。因此，位于深海区的管线很少采取外部的防护技术，主要通过提高管线的自身设计，来增加安全性，比如：管道采用高性能材料(抗变形、抗疲劳、抗腐蚀等)，但其造价十分高昂，难以减轻滑坡的冲击。此外，受仿生学的启发，流线型管线被提出以减小海底滑坡的冲击，但流线型管线在制造、运输、安装等过程中，需要更复杂的工艺与技术，目前难以应用于实际工程。基于上述现状，通过先进的技术手段，减轻滑坡的冲击作用非常必要，亟待深入研究。
发明内容
为了解决当前海底管线尤其是处于深海区海底管线防护技术的不足，本发明提供一种可有效减轻海底滑坡、海底沙波、海流冲击作用的新型海底管线结构，并详细阐述其减阻机理，量化相关的设计标准，以满足海洋油气开发及海底管线防护技术的需要。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种具有蜂窝孔结构的海底管线，包括钢管1、防腐绝缘层2、保温层3、套管4、混凝土防护层5和蜂窝孔洞结构6。
所述的钢管1为海底管线的最内层，用于运输石油、天然气、油气混合物、水等介质。
所述的防腐绝缘层2为圆环体结构，其套装于钢管1外，起到防腐、绝缘等作用，从而保护钢管1的安全运营。
所述的保温层3为圆环体结构，其包裹在防腐绝缘层2外，用于对所运输介质进行保温。
所述的套管4套装于保温层3外，用于固定保温层3、并与混凝土防护层5粘结等。
所述的混凝土防护层5为圆环体结构，其包裹在套管4外，混凝土防护层5需要具有一定的自重，起到保持海底管线自身稳定的作用。
所述的蜂窝孔洞结构6为混凝土防护层5外表面均匀设置的圆形凹孔。蜂窝孔洞结构6包括四个指标，分别为：海底管线表面蜂窝孔洞结构6的直径d、海底管线表面蜂窝孔洞结构6的深度m、海底管线表面蜂窝孔洞结构6的个数n及海底管线表面蜂窝孔洞结构6的排列方式。根据混凝土防护层5的厚度、实际海底地质与海流情况，并基于优化设计理论，综合确定上述四个指标，四个指标的优化组合可决定海底管线的减阻效果。
所述的海底管线表面蜂窝孔洞结构6的直径d大于管线直径的十五分之一，小于管线直径。
所述的海底管线表面蜂窝孔洞结构6的深度m小于管线直径的十二分之一。
所述的每延米海底管线均匀分布1000至20000个表面蜂窝孔洞结构6。
所述的蜂窝孔洞结构6排列方式为在混凝土防护层5外表面均匀分布。
一种具有蜂窝孔结构的海底管线的设计方法，通过深度比DR与面积比AR两个参数对四个指标进行优选设计，具体包括以下步骤：
(1)通过深度比DR与面积比AR两个参数，归一化不同形式的海底管线设计的四个指标。所述的深度比DR与面积比AR的计算方法如下：
Sn＝n·Sh (3)
其中：D为海底管线的直径，单位为mm；d为海底管线表面蜂窝孔洞结构的直径，单位为mm；m为海底管线表面蜂窝孔洞结构的深度，单位为mm；n为海底管线表面蜂窝孔洞结构的个数；α为在海底管线横截面中，蜂窝孔洞结构与海底管线横截面的圆心所形成最大的圆心角，单位为°；l为在海底管线横截面中，圆心角α所对应的弧长，单位为mm；Sh为在不考虑蜂窝孔洞结构导致表面积增加的条件下，每个蜂窝孔洞结构所造成海底管线表面积的减少值，单位为mm2；Sn为在不考虑蜂窝孔洞结构导致表面积增加的条件下，每延米海底管线因蜂窝孔洞结构所造成海底管线表面积的减少值，单位为mm2；Sc为每延米不设有蜂窝孔洞结构的海底管线的表面积，单位为mm2；DR为深度比，是管线表面蜂窝孔洞结构的深度m与海底管线半径R的比值，是无量纲量，代表蜂窝孔洞结构的下凹程度；AR为面积比，是在不考虑蜂窝孔洞结构导致表面积增加的条件下每延米管线因蜂窝孔洞结构所造成管线表面积的减少值Sn与每延米不设有蜂窝孔洞结构的海底管线表面积Sc的比值，是无量纲量，代表管线表面蜂窝孔洞结构的密集程度。
(2)通过地质调查、取样与相关的室内试验手段，确定海底滑坡、沙波等荷载的流变特性，建立相应的流变模型。
(3)将流变模型嵌入基于计算流体动力学(CFD)方法的数值计算软件中，模拟新型管线所受的冲击作用，分析管线受力及相应的机理。
(4)结合模型室内试验(土工模型试验：1g水槽冲击试验+ng离心实验)的方法，验证海底管线受冲击作用的数值计算可靠性。
(5)通过深度比与面积比两个参数，结合管线受力的情况，以最佳减阻绝对值为标准，量化出优化设计后海底管线的表面蜂窝孔洞结构的直径d、海底管线表面蜂窝孔洞结构的深度m、海底管线表面蜂窝孔洞结构的个数n与蜂窝孔洞结构的排列方式四个具体指标。
本发明提供的具有蜂窝孔洞结构的海底管线的减阻机理：当海底滑坡流经管线的表面时，管线可分为迎流面和背流面两部分。由于冲击作用，迎流面产生正压区，背流面产生负压区，使得管线的迎流面与背流面会产生很大的压力差，如图3所示，这就是拖曳力产生的原因。进一步，管线的迎流面与背流面交界处附近会发生边界层分离，这个分离点称为转捩点。而当滑坡流经具有蜂窝孔洞结构的海底管线时，在管线表面的蜂窝孔洞结构附近会形成一些微小旋涡，由于这些漩涡的吸力作用，使得流体与蜂窝孔洞结构接触区产生局部的压力差，这导致管线表面的流体微团被吸附，促使边界层分离的转捩点推后，如图4所示。因此，当管线受到滑坡冲击的瞬间，水平向的压力差就会小很多，即拖曳力峰值减小，并且可以更平稳的过渡到稳定值状态。此外，还可以有效的降低升力的周期性震荡，减少疲劳。为了使阻力降低的更多，这就要进一步地延后转捩点的位置，也就是使管线凹洞所产生旋涡的能力更强，通过优化设计理论，改变凹洞的尺寸、数量与排列方式，从而降低冲击作用。
本发明的有益效果：
(1)本发明在现有的海底管线混凝土防护层的表面做简要处理，大幅减轻了海底管线所受的冲击力。这个冲击作用可能来自偶然荷载中海底滑坡的高速、剧烈冲击，也可能来自长期荷载中海底底流等的低速、长期冲刷。并且，这种新型管线的加工难度与施工工艺几乎没有太大变化，便于商业推广与实际使用。此外，相比于没有经过处理的海底管线，布满蜂窝孔洞结构的海底管线其表面积更大，与海床的接触与咬合程度更加充分，在相同自重条件下将更加稳定。
(2)本发明提供的具有蜂窝孔结构的海底管线结构简单、制造成本低、安装方便、便于工程实际与科学研究应用；可有效降低海底滑坡、海底沙波、强海流对海底管线的冲击作用，减轻对运营期管线的威胁，增加海底管线的在位稳定性，尤其适用于深海区海底管线的自我防护。
附图说明
图1是海底管线的截面示意图；
图2是海底管线的三维概念图；
图3是两种管线受滑坡冲击的压力分布图；
图4是滑坡冲击作用下具有蜂窝孔结构的海底管线边界层分布示意图；
图中：1钢管；2防腐绝缘层；3保温层；4套管；5混凝土防护层；6蜂窝孔洞结构。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
一种具有蜂窝孔结构的海底管线，海底管线沿径向由内至外依次包括钢管1、防腐绝缘层2、保温层3、套管4、混凝土防护层5和蜂窝孔洞结构6。根据工程实际需要，可适当增删其中的部分结构层并改变结构层的放置顺序，确定海底管线的结构组成，包括是否采用双层保温等。然后，根据海洋地质调查与工程选线方案等资料，确定威胁海底管线安全运营的危险因素及其影响范围，包括海底滑坡的高发区、沙波的高发区、高速的海流区识别等。进一步，通过室内试验(土工模型试验：1g水槽+ng离心实验)结合数值模拟(计算流体动力学)的研究方法，通过深度比与面积比两个参数，以最佳减阻绝对值为标准，优化设计海底管线的表面蜂窝孔洞结构的直径d、海底管线表面蜂窝孔洞结构的深度m、海底管线表面蜂窝孔洞结构的个数n与蜂窝孔洞结构的排列方式四个具体指标。最后，经过优化设计后的管线，仅在最后一步混凝土防护层的表面做处理，实现新型管线的生产。这种新型管线的加工难度与施工工艺难度较低，便于商业推广与使用。相比于没有经过处理的管线，布满蜂窝孔洞结构的海底管线表面积更大，与海床的接触与咬合程度更加充分，在相同自重条件下将更加稳定。
一种具有蜂窝孔结构的海底管线的设计方法，通过下述方法确定海底管线四个指标最优值的一种：海底管线直径250mm，海底管线的表面蜂窝孔洞结构的直径50mm、海底管线表面蜂窝孔洞结构的深度5mm、每延米海底管线表面蜂窝孔洞结构的个数8666个，蜂窝孔洞结构的排列方且每周26个、均匀排列。这种管线结构可将所受的拖曳力降低超过20％。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种具有蜂窝孔结构的海底管线的设计方法，其特征在于，根据混凝土防护层(5)的厚度、实际海底地质与海流情况，并通过深度比DR与面积比AR两个参数对四个指标进行优化设计，综合确定蜂窝孔洞结构(6)的四个指标，包括以下步骤：
(1)通过深度比DR与面积比AR两个参数，归一化不同形式的海底管线设计的四个指标；所述的深度比DR与面积比AR的计算方法如下：
Sn＝n·Sh(3)
其中：D为海底管线的直径，单位为mm；d为海底管线表面蜂窝孔洞结构的直径，单位为mm；m为海底管线表面蜂窝孔洞结构的深度，单位为mm；n为海底管线表面蜂窝孔洞结构的个数；α为在海底管线横截面中，蜂窝孔洞结构与海底管线横截面的圆心所形成最大的圆心角，单位为°；l为在海底管线横截面中，圆心角α所对应的弧长，单位为mm；Sh为在不考虑蜂窝孔洞结构导致表面积增加的条件下，每个蜂窝孔洞结构所造成海底管线表面积的减少值，单位为mm2；Sn为在不考虑蜂窝孔洞结构导致表面积增加的条件下，每延米海底管线因蜂窝孔洞结构所造成海底管线表面积的减少值，单位为mm2；Sc为每延米不设有蜂窝孔洞结构的海底管线的表面积，单位为mm2；DR为深度比，是管线表面蜂窝孔洞结构的深度m与海底管线半径R的比值，是无量纲量，代表蜂窝孔洞结构的下凹程度；AR为面积比，是在不考虑蜂窝孔洞结构导致表面积增加的条件下每延米管线因蜂窝孔洞结构所造成管线表面积的减少值Sn与每延米不设有蜂窝孔洞结构的海底管线表面积Sc的比值，是无量纲量，代表管线表面蜂窝孔洞结构的密集程度；
(2)通过地质调查、取样与相关的室内试验手段，确定海底滑坡、沙波荷载的流变特性，建立流变模型；
(3)基于流变模型模拟新型管线所受的冲击作用；
(4)结合模型室内试验验证海底管线受冲击作用的数值计算可靠性；
(5)通过深度比与面积比两个参数，结合管线受力的情况，以最佳减阻绝对值为标准，量化出优化设计后海底管线的表面蜂窝孔洞结构的直径d、海底管线表面蜂窝孔洞结构的深度m、海底管线表面蜂窝孔洞结构的个数n与蜂窝孔洞结构的排列方式四个具体指标；
上述设计方法得到的海底管线为五层结构，从内至外依次为钢管(1)、防腐绝缘层(2)、保温层(3)、套管(4)、混凝土防护层(5)，且混凝土防护层(5)外表面均匀设置蜂窝孔洞结构(6)；
所述的钢管(1)为海底管线的最内层；圆环体结构的防腐绝缘层(2)套装于钢管(1)外；圆环体结构的保温层(3)包裹在防腐绝缘层(2)外；套管(4)套装于保温层(3)外，用于固定保温层(3)、并与混凝土防护层(5)粘结；圆环体结构的混凝土防护层(5)包裹在套管(4)外，起到保持海底管线自身稳定的作用；
所述的蜂窝孔洞结构(6)为圆形凹孔：蜂窝孔洞结构(6)的直径d大于管线直径的十五分之一，小于管线直径；蜂窝孔洞结构(6)的深度m小于管线直径的十二分之一；每延米海底管线均匀分布1000至20000个表面蜂窝孔洞结构(6)；上述四个指标的优化组合可决定海底管线的减阻效果。
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| CN112500054A (zh) * | 2020-11-18 | 2021-03-16 | 中海油能源发展股份有限公司 | 一种海底管缆防护垫及其内容物及内容物制备方法 |
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