＊孟山雅

（中海油能源發(fā)展采辦共享中心 天津 300452）

前言

海底管道的位置一般較為復(fù)雜，常常因?yàn)榉欠ㄈ∩?、沖刷、漁網(wǎng)沖擊、鉤拉等因素使海底管道出現(xiàn)懸空、裸漏的問(wèn)題，對(duì)海底管道的運(yùn)行安全性產(chǎn)生影響，使海底油氣發(fā)生嚴(yán)重的泄露問(wèn)題，影響整個(gè)海洋的生態(tài)環(huán)境，需要花費(fèi)大量的施工成本對(duì)海底管道進(jìn)行維修。傳統(tǒng)的吹砂填坑的措施任務(wù)量較大、工作效率較低，根本無(wú)法徹底解決海底管道的安全問(wèn)題，因此，需要采用仿生水草的措施抵御海底復(fù)雜環(huán)境的沖刷、淤積現(xiàn)象，為海底管道懸空防護(hù)提供科學(xué)有效的治理方案。

1.海底管道懸空產(chǎn)生的原因及危害

(1)沖刷現(xiàn)象

海底管道附近的構(gòu)筑物和附近的海床會(huì)由于波浪、水流的存在從而引起泥沙運(yùn)動(dòng)，從而使原有的流場(chǎng)發(fā)生變化，海流速度不斷加快，從而形成漩渦和湍流，從而產(chǎn)生海底沖刷現(xiàn)象，使泥沙水力輸移的平衡狀態(tài)被打破，局部水流速度不斷加快的同時(shí)，從水流中產(chǎn)生的壓力梯度會(huì)對(duì)海底形成一種剪切力。如果海床泥沙的速度遠(yuǎn)低于水流速度，海底的泥沙將會(huì)被急速變化的水流帶走，最終在海底管道處形成懸空危害，或者在海底構(gòu)筑物附近產(chǎn)生一些凹坑。對(duì)于海底管道而言，沖刷現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致管道出現(xiàn)懸空危害，長(zhǎng)久的狀態(tài)下，會(huì)使懸空管道因?yàn)闆](méi)有支撐點(diǎn)從而受海流的沖擊作用引發(fā)不間斷的振動(dòng)，引起管道產(chǎn)生應(yīng)力疲勞危害，更有甚者，冬天形成的浮冰會(huì)撞擊懸空管道，從而引起管道變形、斷裂等問(wèn)題。

(2)海底地形變化

海底環(huán)境較為復(fù)雜，深處的海底地形呈現(xiàn)不規(guī)則、起伏的特點(diǎn)，從而引起海底管道的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。由于海底沙坡、沙脊的變化使地形發(fā)生位移，由于沙坡和沙脊經(jīng)常受到沉積物粒度和水動(dòng)力條件的影響，這種影響使得地形產(chǎn)生較大的變化，使鋪設(shè)的管道出現(xiàn)懸空的危害，因此，需要遠(yuǎn)離這兩處位置進(jìn)行管道的鋪設(shè)。海底管道的安全性還會(huì)受到海床侵蝕現(xiàn)象的影響，由于海床的范圍較大，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，海域出現(xiàn)海床侵蝕是普遍存在的現(xiàn)象，一般侵蝕的深度在較小的范圍內(nèi)，如：雁灘侵蝕的深度為4.7cm，從而使海底管道出現(xiàn)全面或者局部懸空的危害。在管道安裝過(guò)程中，還會(huì)因?yàn)槭┕ぜ夹g(shù)帶來(lái)的安全問(wèn)題，從而對(duì)管道產(chǎn)生直接影響的熱應(yīng)力，使管道發(fā)生局部變形的危害。

(3)管道懸空產(chǎn)生的危害

海底管道由于復(fù)雜的海洋生態(tài)環(huán)境而產(chǎn)生的懸空危害，使海底管道造成的應(yīng)力疲勞引發(fā)嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。海底管道懸空會(huì)由于海底的局部管段脫離海床表面，主要是由于海床位移變化、沙坡沙脊的運(yùn)動(dòng)使海底發(fā)生沖刷現(xiàn)象。施工隊(duì)伍需要嚴(yán)格按照施工標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)安裝的管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果設(shè)計(jì)的管道長(zhǎng)度超出范圍，就會(huì)使海底管道在海流沖擊的影響下提高管道內(nèi)部的應(yīng)力值，使海底管道出現(xiàn)變形的危害。在相應(yīng)的條件下，震動(dòng)頻率和管道的振動(dòng)頻率產(chǎn)生共振，管道會(huì)由于一定的振動(dòng)作用出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)活動(dòng)；破裂的輸油管道也會(huì)泄露原油，對(duì)海底生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，在后期的修補(bǔ)維護(hù)過(guò)程中，需要投入較大的維修成本，造成相關(guān)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。

2.仿生水草防護(hù)作用機(jī)理

仿真水草技術(shù)應(yīng)用于海底管道懸空防護(hù)過(guò)程中，通過(guò)模擬建立海底水草環(huán)境，海草本身具有的降流促淤作用能夠解決管道附近的沖刷現(xiàn)象，當(dāng)海底的水流經(jīng)過(guò)鋪設(shè)的仿生水草時(shí)，由于仿生水草本身的柔性粘性滯阻尼的影響，使水流本身的速度慢慢變小，攜帶的流沙會(huì)停留在仿生水草上。仿生草技術(shù)一般由低于海水密度的較為先進(jìn)的高分子材料進(jìn)行加工，在基墊上設(shè)置仿生水草，根據(jù)海洋抗沖刷流體力學(xué)原理，在管道兩端位置的海床上安裝錨固裝置。在管道附近形成海底沙洲，從而對(duì)管道產(chǎn)生一種掩埋性的保護(hù)作用，仿生水草的存在會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)防御沖刷現(xiàn)象的作用，為保護(hù)管道的安全性創(chuàng)造有利的條件。針對(duì)流速較快、含泥沙量較大的海域，一般采用仿生水草技術(shù)，可以降低施工成本，施工工藝也較為簡(jiǎn)單，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)，提高仿生水草帶的制造效率。

仿生水草鋪設(shè)的總體效果較好，但會(huì)有一些水草被沖走，仿生水草的使用壽命一般超過(guò)25年。如果不在海底建立全新的海底構(gòu)筑物，就不會(huì)再次發(fā)生沖刷現(xiàn)象，防止沖刷帶來(lái)的危害進(jìn)一步擴(kuò)大，避免對(duì)海底管道的安全性和可靠性產(chǎn)生影響。水下作業(yè)任務(wù)量繁重，作業(yè)環(huán)境一般位于海底環(huán)境，不能應(yīng)用于傳統(tǒng)的較淺的海域。

3.仿生水草應(yīng)用于海底管道的懸空防護(hù)效果

(1)仿生水草的適用環(huán)境

在治理海底管道的懸空危害時(shí)，對(duì)海底環(huán)境進(jìn)行實(shí)地勘察，根據(jù)相關(guān)資料分析不同的海底環(huán)境，一般將海區(qū)內(nèi)的巖土層分為4層，分別為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉砂、黏質(zhì)粉土和粉砂，各層的承載力的許可值為60kPa、130kPa、150kPa、180kPa；某些地區(qū)的海域海流速度頻率彼此較為接近，海流速度一般分為漲潮流均速、落潮流均速，通常漲潮流速度大于落潮流，但時(shí)間往往低于落潮流；或者一些海域含沙量較多，具有廣闊的灘涂，在海底淤積大量泥沙的海域，會(huì)由于快速的海流速度攜帶大量流沙進(jìn)入內(nèi)海；或者處于0°～45°范圍的由人力引起的迎水面坡度，上述的環(huán)境一般適用于采用仿生水草技術(shù)，解決海床、沙脊沙坡的沖刷現(xiàn)象。

(2)仿生水草應(yīng)用試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)的勘察數(shù)據(jù)可知，在海底管道上選擇發(fā)生裸漏、懸空現(xiàn)象的區(qū)域開(kāi)展仿生水草試驗(yàn)，選取的區(qū)域一般較為嚴(yán)重，根據(jù)相應(yīng)的施工要求鋪設(shè)仿生水草，但在鋪設(shè)之前，需要用沙袋回填法進(jìn)行處理，并保證回填的高度必須始終超過(guò)管頂0.1m，堆放的沙袋和斜坡迎水面之間的角度設(shè)置為30°。仿生水草鋪設(shè)的寬度一般為10m，并采用錨固裝置的方式并保證水草鋪設(shè)的閉合度，在管道兩端鋪設(shè)沙袋、高強(qiáng)織布的方式進(jìn)行懸空防護(hù)，有效防止海流速度對(duì)海底管道的二次沖刷。

(3)仿生水草的懸空防護(hù)效果

開(kāi)展完仿生水草應(yīng)用試驗(yàn)后，需要對(duì)仿生水草的懸空防護(hù)效果進(jìn)行檢驗(yàn)。有關(guān)研究所需要安排課題組在不同的年份對(duì)海底管道仿生水草鋪設(shè)的海域進(jìn)行多次多波束探測(cè)，使用側(cè)掃聲吶和海底管線儀剖面開(kāi)展測(cè)量工作，根據(jù)研究調(diào)查可知，前幾次的測(cè)量情況發(fā)現(xiàn)海底管道出現(xiàn)較為嚴(yán)重的出露情況，超出大半以上的海底管道已經(jīng)露出海底表層。根據(jù)海底管道的埋藏現(xiàn)狀可知，研究所早年設(shè)計(jì)出兩種不同規(guī)格的仿生水草，并在海底管道的懸空管段周圍鋪設(shè)仿生水草，后續(xù)階段，需要安排專業(yè)的潛水人員對(duì)仿生水草的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。如果經(jīng)過(guò)檢測(cè)的結(jié)果得知，仿生水草沒(méi)有被破壞，則其本身具有的降流促淤的功能可以有效防止沖刷現(xiàn)象。

一般來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)度越高的仿生水草的防護(hù)效果越好，鋪設(shè)的仿生水草會(huì)吸附海流攜帶的泥沙，在長(zhǎng)時(shí)間的使用狀態(tài)下，大多數(shù)海草會(huì)出現(xiàn)倒伏、掩埋的現(xiàn)象，但遺留的海草仍可以產(chǎn)生降低海流速度的效果。在海底管道上鋪設(shè)仿真水草，相比于鋪設(shè)在海底管道的周圍，一般直接接觸管道會(huì)產(chǎn)生更好的效果。一般仿真海草鋪設(shè)的海域?qū)儆诓遏~(yú)獵場(chǎng)，大量的漁船會(huì)往來(lái)到該區(qū)域，捕魚(yú)網(wǎng)會(huì)對(duì)管道上鋪設(shè)的仿真水草產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，無(wú)法保證仿真水草對(duì)海底管道的懸空防護(hù)效果。為了使得仿真水草具有更好的效果，需要在管道上鋪設(shè)仿生防沖刷保護(hù)系統(tǒng)，防止海底管道遭到嚴(yán)重的破壞，并出臺(tái)相應(yīng)的政策禁止在管道保護(hù)區(qū)域進(jìn)行相關(guān)的生產(chǎn)活動(dòng)，禁止相關(guān)人員在此處開(kāi)展養(yǎng)殖活動(dòng)、鉆探挖砂、底拖捕撈等行為，防止對(duì)仿生水草的破壞，有利于更好地治理海底管道懸空效果。

但是，根據(jù)相關(guān)研究可知，仿生水草并不能徹底解決管道懸空問(wèn)題，針對(duì)部分裸漏現(xiàn)象的管道，渦流作用增加海床上的剪切力，使樁腳處產(chǎn)生較大的沖刷現(xiàn)象，一般管線和潮流的方向在40°以下時(shí)，仿生水草所產(chǎn)生的降流促淤效果最好。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，海底管道由于長(zhǎng)期處于較為復(fù)雜的環(huán)境中，受到各種因素的影響，從而產(chǎn)生懸空、裸漏的現(xiàn)象。施工單位需要根據(jù)相關(guān)調(diào)查資料開(kāi)展海底管道懸空防護(hù)，根據(jù)海底管道不同的海底環(huán)境進(jìn)行仿生水草鋪設(shè)，通過(guò)其降流促淤的功能避免海底管道受到海流沖刷的影響，提高海底管道的防護(hù)效果。