复杂多因素共同作用下的海底管道稳定性研究

The on-bottom stability of subsea pipelines is of critical importance for the transportation of oil and gas product in offshore engineering. The stability of subsea pipelines is affected by the Metocean condition, sediment transport, seabed mobility and pipeline parameters (diameter, specific gravity and roughness). The complex interaction between seabed, pipeline and flow determines the on-bottom stability. However the current design guideline is over conservative in the on-bottom stability design aspect. A clear understanding about the mechanism of pipeline losing stability on mobile seabed is still missing. Present project aims at conducting physical model tests to investigate the on-bottom stability of subsea pipeline and to understand the fundamental mechanism of pipeline stability. The proposed work will provide a comprehensive understanding about both positive and negative effect of seabed mobility on pipeline stability. The investigation will focus on the following aspect, 1), local scour, self-lowering and back-filling process around a pipeline under various flow conditions (current, wave and combined current and wave condition); 2), the interaction between sediment transport and soil liquefaction and its effect to pipeline stability. Based on the research, new measures for improving pipeline stability will be proposed. Comprehensive investigation and analysis about the effect of the new measures will be carried out. It will provide scientific method and reliable guideline to the on-bottom stability design of subsea pipelines.

海底管道的在位稳定性是进行海洋油气安全输运的重要保障，其稳定性受到海洋环境条件、泥沙输运过程、管道自身以及海床的动力响应等众多因素的影响，并且这些因素之间还存在复杂的耦合作用，共同决定了管道的稳定性。但是，现有的海底管道稳定性设计和评价方法往往过分强调某单一因素的作用，对管道失稳的产生机理和潜在的"失稳-再稳定"动态发展过程缺乏深刻认识。本项目将通过试验和三维流固耦合数值分析，综合研究海底管道稳定性控制因素的耦合作用过程及其内在机制，并充分认识各因素对管道稳定性的双重影响作用。包括水流、波浪以及波流联合作用下，管道局部冲刷与自沉回填、泥沙运动与底床液化之间既相互促进又相互制约的耦合作用机理，及其对管道稳定性的动态影响作用；在此基础上，提出新型管道稳定性保护措施，并对其潜在的积极和消极作用进行综合研究和分析，形成客观认识，为海底管道的稳定性设计和安全防护提供科学依据和可靠方法。

海底管道是联系海底井口与陆上终端的重要海洋工程设施，是海上油气输运的生命线。近年来，随着中国南海部分深水油气田的相继投产，海底管道路由长度明显加大，建设投资和维护成本迅速攀升。由于路由范围同时横贯深浅水海域，使得海洋环境的区域性差异显现，体现出明显的多样性和复杂性，给海底管道系统的稳定性设计以及后期安全维护带来了前所未有的挑战。一旦海底管道发生失稳、破坏，将带来严重的经济损失和难以修复的海洋环境灾害。. 本项目针对波流联合作用下的海底管道三维局部冲刷问题开展了物理模型实验研究工作，建立了冲刷时间尺度与来流攻角、希尔兹参数、管道埋深比、KC数、波浪周期等参数的依赖关系。针对小直径管道的在位稳定性开展了数值分析研究工作，深入的研究了海床糙率和波浪边界层对小直径管道受力的影响作用，提出了海底小直径管道在位稳定性分析方法，克服了现行的海底管道在位稳定性设计规范DNV-RP-F109规范在进行小直径海底管道稳定性设计时过于保守的缺陷。此外，还针对涡激振动，振荡流作用下近壁圆柱的受力和涡脱落模式以及固定圆柱绕流水动力等方面开展了广泛深入的机理性研究工作，取得了丰富的研究成果。. 在本项目的资助下，项目组成员在流体力学顶尖杂志Journal of Fluid Mechanics发表3篇论文，在海洋工程国际顶尖杂志Coastal Engineering发表1篇，有关海底小直径管道在位稳定性分析的论文（Coastal Engineering, 2018，140: 114-123）获得了2018年度“海洋工程Moan-Faltinsen最佳论文奖”。项目执行期间，共发表研究论文7篇，其中国外SCI论文5篇，参加国际会议2次。培养博士后1名、硕士研究生2名。以本项目的研究工作为基础，项目负责人获批了国家自然科学基金重大项目课题——深海土与油气管缆的相互作用（批准号：51890913）。