李國珍，東朝麗，袁亞雷，董守平

（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249） ①

流動(dòng)顯示法用于海底管道淘空機(jī)理試驗(yàn)研究

李國珍，東朝麗，袁亞雷，董守平

（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）①

隨著海洋石油開發(fā)的快速發(fā)展，大量的海底管道被安裝并投入運(yùn)行。針對海底管道常見的淘空現(xiàn)象，采用染色液流場顯示方法，試驗(yàn)研究海底管道從部分裸露到完全裸露后其周圍流場的特征，揭示了海底管道淘空過程。

海底管道；流場；淘空

隨著海洋石油開發(fā)的快速發(fā)展，油氣的輸送需要安裝大量的海底管道。然而海底管道長時(shí)間在海流（波浪）、砂土以及管道多相流三者作用下，在海底管道周圍可能出現(xiàn)沖刷掏空現(xiàn)象，使部分管道裸露或某段、某幾段管道周圍掏空，從而引起管道的懸空振動(dòng)［1］。這改變了管線的受力狀態(tài)，當(dāng)懸空長度達(dá)到一定極限時(shí)，會(huì)引起管線斷裂和疲勞破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。鑒于此，對海底管道沖刷掏空進(jìn)行研究是完全必要的［2－5］。

1 試驗(yàn)方案

模擬試驗(yàn)在中國石油大學(xué)（北京）海洋力學(xué)試驗(yàn)室的海浪、流試驗(yàn)水槽中進(jìn)行，水槽3面透明，由鋼質(zhì)框架嵌裝10mm平板玻璃構(gòu)成，全長14.5m（有效長度為13m），高1m，寬0.84m。試驗(yàn)裝置如圖1，水流在水槽下方水泵的驅(qū)動(dòng)下沿下方管道按圖示箭頭方向流動(dòng)，管道上安裝的流量控制閥可以控制水槽中水的流速在0～0.40m／s。水槽尾部有濾波網(wǎng)，以防止水流在水槽尾部產(chǎn)生反射波，在試驗(yàn)水槽尾部還設(shè)有沉沙池，以攔截水流帶來的泥沙。試驗(yàn)段在距水槽尾部約4～5m處，此段水流較穩(wěn)定。

圖1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)時(shí)，首先啟動(dòng)水泵，待到水槽中循環(huán)水流基本穩(wěn)定時(shí)，便可向染色液管注入染色液，進(jìn)行試驗(yàn)觀察、拍照或錄像，對管道周圍海流的流動(dòng)進(jìn)行可視化模擬研究。模擬管道在沙槽的位置如圖2。

圖2 模擬管道在沙槽的位置

2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)采用染色液流場顯示的方法，研究海底管道從部分裸露到完全裸露（管道懸空）后其周圍流場的特征，分3種情況進(jìn)行試驗(yàn)。

1） 管道裸露1／3周圍的流場。

2） 管道裸露2／3周圍的流場。

3） 管道完全裸露（懸空）周圍的流場。

2.1 管道裸露1／3的流場

試驗(yàn)管直徑d＝16mm，水深h＝160mm，流速v＝0.15m／s，管道裸露1／3流場如圖3。染色液（墨水）從玻璃管流出后，其大部分繞過管道，在管道后面形成旋渦，管道后面靠近水槽底面的壁面附近形成一個(gè)“死區(qū)”，此區(qū)的泥沙不容易被帶走。管道后面形成的旋渦中心距離管道軸線有一個(gè)直徑的距離，并且旋渦在垂直方向上的尺寸略微小于其在水平方向上的尺寸，形成的旋渦比較貼近水槽底面。在水流流速低時(shí)，泥沙不會(huì)懸浮。當(dāng)水流流速稍大時(shí)，出現(xiàn)的旋渦在水平與垂直兩方向上的尺寸增大，而且形成的旋渦強(qiáng)度較大，旋渦脫落頻率大。

圖3 試驗(yàn)管裸露1／3流場

2.2 管道裸露2／3的流場

試驗(yàn)管直徑d＝16mm，水深h＝160mm，流速v＝0.15m／s，管道裸露2／3流場如圖4。從玻璃管注入的染色液的大部分繞過管道，在管道后面形成旋渦，旋渦脫流的位置大約是在管線后方90～135°范圍內(nèi)。而當(dāng)水流速度較大時(shí)，水流脫流的位置要比水流流速小時(shí)更偏向管線的前方。管道后面靠近水槽底面的壁面附近形成的“死區(qū)”不太明顯。管道后面形成的旋渦距離水槽底面距離變大，一部分泥沙可以被旋渦卷起而懸浮并隨水流一起流動(dòng)。旋渦中心距離管線有1～2倍管徑的距離。試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水流流速較大時(shí)，形成的旋渦也較不穩(wěn)定。

圖4 試驗(yàn)管裸露2／3流場

2.3 管道完全裸露（懸空）的流場

分別針對不同懸空高度e（試驗(yàn)管與水槽底部之間的間隙）、水深h、流速v和管徑d進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3.1 水深流速和管徑一定懸空高度不同

水深h＝160mm，流速v＝0.15m／s，管徑d＝16mm。

1） 懸空高度e＝6mm，e／d＝0.375時(shí)的流場如圖5a。

2） 懸空高度e＝10mm，e／d＝0.625時(shí)的流場如圖5b。

3） 懸空高度e＝40mm，e／d＝2.5時(shí)的流場如圖5c。

圖5 懸空高度不同的管道流場

由圖5可以看出，在水深、流速、管徑一定，懸空高度較小時(shí)，管線底部局部沖刷速度越大，造成管線的局部沖刷淘空也最厲害。水流繞流后在管線后方形成的旋渦比較接近床面，泥沙容易被卷起并被帶到某一位置。隨著沖刷的進(jìn)行，當(dāng)相對懸空高度較大（e／d＞1）時(shí)，沖刷基本上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即泥沙的沖刷量近似等于淤積量。在管線后方形成了交替出現(xiàn)的旋渦，而且旋渦脫落的周期基本恒定。旋渦比較遠(yuǎn)離床面，此時(shí)泥沙不容易被旋渦卷起，沖刷程度相對來說變得較弱。

2.3.2 管徑和懸空高度一定流速和水深不同

管徑d＝16mm，懸空高度e＝40mm，e／d＝2.5。

1） 水深h＝160mm，流速v＝0.15m／s時(shí)的流場如圖6a。

2） 水深h＝170mm，流速v＝0.14m／s時(shí)的流場如圖6b。

圖6 流速和水深不同的管道流場

對比圖6a與圖6b可以看出，2種情況下的Re與St數(shù)基本相當(dāng)，在管道后方均有交替出現(xiàn)的旋渦脫落現(xiàn)象。水流流速較低時(shí)，繞流后形成的旋渦比較穩(wěn)定規(guī)則，頻率相對來說較小，形成渦街的長度較大，而且旋渦脫落的分離點(diǎn)比流速大時(shí)更偏向管道的后方，形成旋渦的強(qiáng)度相對較弱。

2.3.3 水深和流速一定懸空高度和管徑不同

1） 水深h＝150mm，流速v＝0.16m／s，管徑d＝35mm，懸空高度e＝35mm，e／d＝1時(shí)的流場如圖7a。

2） 水深h＝150mm，流速v＝0.16m／s，管徑d＝32mm，懸空高度e＝30mm，e／d＝0.938時(shí)的流場如圖7b。

由圖7可以看出，其他條件基本相同時(shí)，管徑越大，形成旋渦就越大，則被卷起的泥沙量就越大。但是基本的流場特征是一致的，管線后方有交替旋渦脫落現(xiàn)象出現(xiàn)。另外管徑越大，管線后方形成的渦街長度就越大。

圖7 懸空高度和管徑不同的管道流場

3 結(jié)論

1） 水流流速、水深、懸空高度和管徑是影響海底管線的沖刷淘空的重要因素。

2） 水流流速大時(shí)，旋渦脫落位置較偏向管線的前方。

3） 當(dāng)管線剛裸露時(shí)，管線后方幾乎不形成旋渦脫落，水流只是繞流過管線，在管線后方2～3倍管徑處形成旋渦。隨著沖刷的進(jìn)行，管線大部分裸露時(shí)，其后方已經(jīng)形成明顯的旋渦，此時(shí)水流只是從管線上方繞流過去，形成的旋渦能攜帶一小部分泥沙，但是不會(huì)把泥沙帶到很遠(yuǎn)的位置。當(dāng)管線出現(xiàn)淘空時(shí)，水流分為兩部分繞流過管線，在管線后方有明顯的交替旋渦脫落現(xiàn)象，泥沙就被從一個(gè)位置帶到另一個(gè)位置。當(dāng)沖刷深度達(dá)到一定的程度，就達(dá)到動(dòng)態(tài)沖刷平衡階段。

［1］ 謝麗婉.基于管土耦合的海底管跨渦激疲勞分析程序［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（2）：1－4.

［2］ 王 富.埕島油田含水原油管線運(yùn)行狀況分析［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（4）：37－41.

［3］ 周延?xùn)|.我國海底管道的發(fā)展?fàn)顩r與前景［J］.焊管，1998，21（4）：46－48.

［4］ 黃小光，韓忠英 .首次穿越失效方法用于評價(jià)海底管跨的可靠度［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（2）：6－10.

［5］ 楊樹人，孫 勇，孫啟冀，等 .海底無保溫油氣混輸管道壓降計(jì)算［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（7）：35－38.

Study of Scouring of Submarine Pipelines by Flow Visualizing

LI Guo－zhen，DONG Zhao－li，YUAN Ya－lei，DONG Shou－ping
（College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum（Beijing），Beijing102249，China）

With the rapid development of the ocean petroleum industry，a lot of submarine pipelines have been installed and put into action.In this paper，the flow characteristics around a submarine pipeline was studied from the pipe exposing partly to its scouring fully and the scouring process was investigated by flow visualization according to the scoring status of the submarine pipelines.

submarine pipeline；flow field；scouring

1001－3482（2012）01－0042－04

TE973.92

A

2011－06－14

李國珍（1976－），女，山東高唐人，講師，博士，2003年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，現(xiàn)從事教學(xué)工作，E－mail：guozhenli76＠163.com。