复杂因素下大角度倾斜海底管道三维局部冲刷的实验研究

Subsea pipelines serve as the lifelines in ocean engineering by connecting wellheads at sea bottom and terminals on land. The safety in oil and gas transport is highly dependent on the on-bottom stability of subsea pipelines, which is often affected by the local scour around the pipe. The hazard of the local scour, as well as the limitation in the analysis method, enhances the operation work and the maintenance cost immensely. The present project focuses on the three-dimensional local scour around a subsea pipeline at large yaw angles under various environment conditions using model test. Special attention will be paid on the onset and dynamic development of the local scour, as well as the hydrodynamics of the spanning pipe under the oscillatory flow condition with large attack angle. A forecast model for the onset and development rate of the local scour can be established and a fast calculation method of the three-dimensional hydrodynamics for the subsea pipeline will be proposed. The results will provide a reasonable and effective evaluation approach on the on-bottom stability of a highly yawed pipeline, under the combined effects of the onset and development of the three-dimensional local scour, and the hydrodynamic loading on the spanning pipeline.

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的生命线，其在位稳定性是海洋油气安全运输的重要保障。海底管道的局部冲刷问题是影响管线在位稳定性的主要因素。海底管道冲刷的危害性，以及现有分析方法的局限性，大大增加了海上作业量与管线的运营维护成本。本项目将通过物理实验的方法，研究复杂因素下大角度倾斜管道的三维局部冲刷问题。重点关注在大攻角振荡流作用下，海底管道三维局部冲刷的启动和动态发展机理，以及在冲刷作用下形成的管道悬跨段的三维水动力特性。建立大攻角振荡流作用下海底管道冲刷启动和冲刷扩展速率的分析预报模型，提出悬跨管道在大攻角振荡流作用下水动力的快速计算公式。本项目在充分考虑管道三维局部冲刷的启动与扩展，以及悬跨管道三维水动力荷载多因素全过程作用的基础上，为大角度倾斜管道的在位稳定性提出合理、有效的评估方法。

海底管道系统是海洋油气输运的生命线。海底管道的局部冲刷问题是影响管线在位稳定性的主要因素。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环境灾害。然而实际工程中的海底管道，在不同的服役环境中会受到大攻角水流的作用。特别是铺设于近海的联系陆上终端的管道往往布置为垂直上岸，因此管轴方向与波浪传播方向接近平行或是呈极大的交角，相关研究以及分析方法还存在不少空白。本项目针对实际工程中受到大攻角水流作用的海底管道，围绕三维局部冲刷问题开展系统的研究工作，深入理解其动态机理。首先，本项目通过对柱形结构的冲刷试验，对水下结构冲刷试验中的泥沙比尺效应问题进行了研究，发现当雷诺数小于40000时，雷诺数对冲刷模型试验的结果不可以忽略，在模型结果外推原型结果时需要考虑雷诺相似的影响。其次，本项目通过PIV物理试验方法，对倾斜柱形结构在振荡流体中的三维水动力特性进行了深入研究，从机理上对水动力与流场的联系进行了探讨，发现当KC数较小（<6）或较大（>25）时，来流与管轴线夹角对管道水动力与流态的影响较小，IP准则依然适用；当6<KC<25时，IP准则在来流攻角大于30°时不再适用。最后，在以上两方面工作的基础上，通过物理模型试验研究倾斜海底管道的三维局部冲刷问题，分析海底管道三维局部冲刷的动态发展机理，建立轴线倾斜海底管道冲刷扩展速率的预测公式。创造性地通过泥沙冲蚀试验，结合管道底部控制体进行泥沙输运量分析及床面剪切应力放大系数测量，对海底管道三维冲刷速率进行估计，该方法也是本研究的创新之处。一方面通过对工程实地泥沙的特性分析，即可快速估计管道服役期的冲刷速率，为前期设计以及后期运维提供参考；另一方面，略去管道冲刷速率测量的模型试验也可以回避冲刷试验中的比尺效应问题，提高预测结果的准确性与实用性。研究成果为可靠的工程设计，确保海底管线的安全运营，同时兼顾工程造价和投资的经济性提供有益参考。