CN204512795U - 一种海底管线浮球式柔性冲刷防护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海底管线浮球式柔性冲刷防护装置，由三至多个浮球防护单元组成，所述浮球防护单元包括压载块体和浮体小球，压载块体和浮体小球以及浮体小球之间通过连接绳索相连接；浮球防护单元分布设置于海底管线周围，形成类似多孔网板的防护层。本实用新型装置造价较低，施工十分方便，在水流速度较小，且水深适中的情况下可以在定位后将整个防护装置直接抛入水中进行施工；在水流速度或水深较大的情况下可以在水下使小球的体积慢慢膨胀变大，以减小整个装置的偏移距离，提高安装精度或在距离安装位置一定距离的位置进行施工，利用水流的作用，达到定位施工。

Description

一种海底管线浮球式柔性冲刷防护装置

技术领域

本实用新型属于海底管道建设与运行技术领域，特别涉及海底管线在水流作用下的局部冲刷防护装置。

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，海底管线冲刷防护的主要技术有挖槽、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，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亟待开发。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，实际工程应用需要我们提出更多新型的、多样化的冲刷防护技术方案。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种海底管线浮球式柔性冲刷防护装置，解决现有技术中海底管线冲刷防护技术各种防护方案的实用效果可靠性差和装备造价施工过程费用昂贵的问题。

本实用新型的技术方案是：

一种海底管线浮球式柔性冲刷防护装置，由三至多个浮球防护单元组成，所述浮球防护单元包括压载块体和浮体小球，压载块体和浮体小球以及浮体小球之间通过连接绳索相连接；浮球防护单元分布设置于海底管线周围，形成类似多孔网板的防护层。

所述浮球防护单元的高度是管线厚度的1-2倍。

每个浮球防护单元设有一至多个浮体小球，由连接绳索串联连接，浮体小球之间的间距为浮体小球直径的1-2倍。所述浮体小球直径为10cm-50cm。

所述压载块体的重量为100kg-1000kg。所述压载块体由混凝土材料预制或采用简易充填砂袋。

所述连接绳索采用耐腐蚀材料制作，直径满足浮体小球最大拉力要求。

所述浮体小球采用轻质泡沫塑料或充气气囊制作。

所述浮球防护单元之间按间隔由缆绳将压载块体串联连接成线性，两至多条敷设于管线两侧，形成柔性冲刷防护幕。

所述浮球防护单元之间按间隔由缆绳将压载块体进行纵向和横向连接成网状，敷设于管线上方。

本实用新型的有益效果是：相对于传统防护方案和其他实验性方案，本实用新型装置所具有的优势是：1)具有较好的防护效果：本实用新型借鉴防风网拟尘的原理，利用多孔网板消杀水流，排挤高速水流；另外结合涡激振动或摆动进一步耗散水流能量，符合流体力学基本原理，能够有效减弱防护区内的水流强度；2)建设成本低：压载块体可以是普通混凝土块甚至简单砂袋等，连接绳索和浮球可以采用价格低廉的化学制品，整体造价非常低；3)生态友好：柔性的装置对水中生物的游动影响较小，另外，大量抛散于床面的压载块体还能够起到小型生态鱼礁的作用，成为某些生物的优质栖息地；4)便于施工和维护：防护设施与管线完全相互独立，在海底管道制造、敷设时不需要考虑如何增加防护装置，对于已经敷设好正在运行的管线同样适用，另外根据现场情况可以采用独立敷设、线性敷设、网状敷设等，具体见实施方案。由于在防护系统中采用耐久性较好的化工材料，防护系统的使用很长，且各压载块体自身的冲刷、位置和方位的微波变化并不影响整体防护效果，因此，该防护系统一般不需维护。5)有进一步扩展空间：在某些压载块体上安装无线水深传感器，能够实时反馈当地海床变化情况。

本实用新型装置不仅造价较低，施工也十分方便，在水流速度较小，且水深适中的情况下可以在定位后将整个防护装置直接抛入水中进行施工；在水流速度较大或者水深较大的情况下可以在水下使小球的体积慢慢膨胀变大，以减小整个装置的偏移距离，提高安装精度或者在距离安装位置一定距离的位置进行施工，利用水流的作用，达到定位施工目的。通过此法可以有效降低泥沙周围的水流速度，增大泥沙的启动速度，提高周围泥沙的抗冲刷能力。

附图说明

图1为直径相同的浮球防护装置对于海底管线防护的正视图；

图2为直径不同的浮球防护装置对于海底管线防护装置的正视图；

图3为直径相同的浮体小球组成的防护装置；

图4为直径不同的浮体小球组成的防护装置；

图5为直径相同的浮体小球对于管线防护的平面分布图；

图6为直径不同的浮体小球对于管线防护的平面示意图；

其中，1-浮体小球；2-连接绳索；3-海底管线；4-海床；5-块体；6-水面。

具体的实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步说明。

本实用新型的技术原理是：利用一系列沿管道设置的浮球，形成对水流的多孔介质屏障，降低近底水流流速，并将高速的水流来流向上方排挤，减小管线附近的泥沙起动，形成类似陆上防风拟尘网的效果；另外，水流流过浮球将形成绕流涡体，并引起浮球的涡激振动或摆动，能够有效消散水流能量，达到减少管线局部冲刷的目的。

本实用新型装置由三至多个浮球防护单元组成，每个浮球防护单元主要由三部分组成：压载块体，连接绳索，浮体小球。各部分组成和功能为：①压载块体：块体主要起到压载固定作用，将整个块体与浮体小球用连接绳连接并沉入海床之中用以固定浮体小球的位置。压载块体重量一般为100kg-1000kg，具体根据上方浮体的总浮力确定。压载块体可以由混凝土材料预制，也可以采用简易充填砂袋代替。压载块体在水流作用下将形成局部冲刷，形成压载块体自然下沉和掩埋。②连接绳索：用以连接块体与浮体小球以及各浮球之间，使他们具有整体性来增强防护效果，为避免海水腐蚀，不采用索链等钢质或铁质绳索，宜采用耐腐蚀尼龙或其它材质制作，其直径满足浮球最大拉力要求即可。③浮体小球：浮体小球的直径根据具体所需要的情况来确定，一般为10cm-50cm，球径可以相同也可以沿水深变化，具体流体力学实验分析最佳防护效果后确定。浮体小球是整套防护装置的核心，其防护范围大约是冲刷范围的2-3倍，防护高度是管线厚度的1-2倍。浮体小球可以采用轻质泡沫塑料制作，也可以采用充气气囊，形成有效浮力。

装置的制作：①压载块体：由混凝土材料预制，制成扭王字块或带有孔洞的生态鱼礁块体；如当地沙料丰富，可采用简易充填砂袋代替，进一步降低造价。②连接绳索：采用耐腐蚀尼龙或其它材质制作，其直径满足浮球最大拉力要求即可。③浮体小球：采用轻质泡沫塑料制作，也可以采用充气气囊，形成有效浮力。

敷设施工方案：根据当地水深、海床底质条件、施工时的水流流速等不同，可以采用不同的敷设方案。①独立定位敷设：将制作好的浮球冲刷防护装置自施工船抛下，装置自由沉降，或由水下导管滑入水底，形成规则排列的两排或多排浮球队列，这种方式适用于较浅的海域(如水深小于20m)，且施工时的水流流速不宜太大，否则块体在沉降过程中漂移，难以定位；②独立随机敷设：将制作好的浮球冲刷防护装置自施工船抛下，装置自由沉降，在管线两侧一定范围内随机布设，形成整体柔性冲刷防护带；在这种方式下，压载体必须采用柔性的充填砂袋，以免块体着地时砸伤管道；③线性定位敷设：将制作好的浮球冲刷防护装置按一定间隔由缆绳串联连接，然后由船舶按两条或多条同时敷设到管线两侧，形成柔性冲刷防护幕；④网状敷设：将制作好的浮球冲刷防护装置按一定间隔由缆绳进行纵向和横向连接，然后由船舶以一定宽度(一般5m-10m)敷设于管线上方，对管线形成压载，同时起到类似防护林的作用，抑制管线周围局部冲刷的形成。

以上参照附图和实施例，对本实用新型进行了示意性描述，该描述没有限制性。本领域的普通技术人员应能理解，在实际应用中，本实用新型中各部件的设置方式均可能发生某些改变，而其他人员在其启示下也可能做出多种形式的相似设计。需要指出的是，只要不脱离本实用新型的设计宗旨，所有显而易见的改变及其相似设计，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种海底管线浮球式柔性冲刷防护装置，其特征在于，由三至多个浮球防护单元组成，所述浮球防护单元包括压载块体和浮体小球，压载块体和浮体小球以及浮体小球之间通过连接绳索相连接；浮球防护单元分布设置于海底管线周围，形成类似多孔网板的防护层。

2.根据权利要求1所述海底管线浮球式柔性冲刷防护装置，其特征在于，所述浮球防护单元的高度是管线厚度的1-2倍。

3.根据权利要求1所述海底管线浮球式柔性冲刷防护装置，其特征在于，每个浮球防护单元设有一至多个浮体小球，浮体小球直径为10cm-50cm，由连接绳索串联连接，浮体小球之间的间距为浮体小球直径的1-2倍。

4.根据权利要求1所述海底管线浮球式柔性冲刷防护装置，其特征在于，所述压载块体的重量为100kg-1000kg。

5.根据权利要求4所述海底管线浮球式柔性冲刷防护装置，其特征在于，所述压载块体由混凝土材料预制或采用简易充填砂袋。

6.根据权利要求1所述海底管线浮球式柔性冲刷防护装置，其特征在于，所述连接绳索采用耐腐蚀材料制作，直径满足浮体小球最大拉力要求。

7.根据权利要求1所述海底管线浮球式柔性冲刷防护装置，其特征在于，所述浮体小球采用轻质泡沫塑料或充气气囊制作。

8.根据权利要求1所述海底管线浮球式柔性冲刷防护装置，其特征在于，所述浮球防护单元之间按间隔由缆绳将压载块体串联连接成线性，两至多条敷设于管线两侧，形成柔性冲刷防护幕。

9.根据权利要求1所述海底管线浮球式柔性冲刷防护装置，其特征在于，所述浮球防护单元之间按间隔由缆绳将压载块体进行纵向和横向连接成网状，敷设于管线上方。