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仿生水草在海底管道悬空防护中的应用












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20 0 9年 6月 

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刘锦 昆 ,张 宗峰2    
(. 1 中国石油大学 ( 华东 ) ,山东东营 27 6 ; 2胜利 油田胜利工程设计咨询有 限责任公司  501 . 27 2 ) 5 06   山东东营



要 :海洋构 筑物的 海底 防 冲刷 是 海洋工程 亟需 解决的 问题  文章 阐述 了仿 生水草 海底防 冲刷技 

术 ,该技术 基 于海洋仿 生学原理 ,通过仿 生 水草对 海流的黏 滞 阻尼 作 用 .降低 海流流 速 .促进 泥 沙 

淤积 ,从 而解决 了海底 管道 等构 筑物 的悬空 、淘空等 问题  该技 术应 用于埕 岛油 田海底 管道 悬空 治  
理具 有明显 的促 淤埋管效 果 ,为 河流及海底 管道的 悬空防护提供 了新途径 

关键 词 :海底管道 ;海底 冲刷 :仿 生 水草 :防护机理 :黏 滞阻尼 
中图分类 号 :T 4   文献标 识码 :A 文章编号 :10 — 2 6 (0 9 3 0 2 — 2 E9   0 1 2 0 2 0 )0 — 0 0 0  

0 引 言   

防止海 流冲刷 .促进 泥沙淤积 .从 而达 到埋 管 的 目  
的。  

埕 岛油 田 白开 发 以来 ,已建 成 海 底 输 油 、输 

气 、注水 管道 10条 ,海底管道 总长度达到 1 7 m 1 7k  这 些 复杂 的海 底 管 网肩 负 着 埕 岛油 田原 油 外 输 及  油 田注水 的重 要使 命  埕 岛 油 田地 处 黄 河 口滩海 
交 界地 带 ,场 区 海洋 动 力 、浅层 工 程 地 质 、海底 

1 仿 生水草 防冲刷作 用机 理 
11 海 底 冲 刷 的 机 理  .

在 海洋工 程 中 ,由于 波浪 、水 流 的作 用而造 成 

海底结 构物底 部及其 附近 海床 的泥沙运 动 .即为通  常 所说 的海 底 冲刷 现象  根 据 海 洋 冲刷 动 力 学 原 
理 .海 底 冲刷 的形成 .主要 是 由于海洋 结构物 安装  在海 底之后 .打破 了原有 水下 流场 的平 衡 .引起局 

动 力 地貌 条 件 十 分 复杂 .造 成该 海 区海 底 大 面 积 
被 冲 刷  特 别 是 在平 台附 近 . 由于平 台存 在 引 起 

的局 部 冲刷 .造 成 海底 管 道 立 管 底部 附 近 出现 悬  空 现 象  这 种 现 象 还在 进 一 步 加剧 中 .严 重 危 害  到埕 岛油 田的产 能建设及 生产 安全  海 底 管道 悬 空 的治 理 方 法 也 在探 索 中 E趋 完  l 善  2 0 - 2 0 0 1 0 4年之 间 .埕 岛油 田先 后对 2 0多条 
海底 管 道 的悬 空情 况 进 行 了 隐患 治 理 .在 管 道两 

部水 流速度 加快 .使正 常流动 的水 流形 成一定 的压  力梯 度并 构成对海 底 的剪 切力 .导致 冲刷现象 的 出  
现 :同 时 .海 洋 结 构 物 的 出现 还 改 变 了水 流 的方 

向 .使之产 生湍 流和漩 涡 ,更 加速 了冲刷作用 .见 
图 1 海底 冲刷 对海 洋结 构物 的安全 造 成很 大的威    胁 .在 北 美 墨 西哥 湾 和 欧 洲北 海 油 气 资 源 开 发过 

端平 台 附近 采 用水 下 桩 支撑 保 护 .有 效 保 护 了管 

道 最 薄 弱 的环 节— — 立管 部 分  随着 冲刷 的进 一 
步 扩 展 .最 新 的 探测 资 料 表 明 .在 已治 理 的管 道 
水下 桩保护 之外也 出现 了悬 空 

程 中 .就 有 不 少 因海 洋 冲刷 而造 成海 洋 结 构 物 损 
坏 的事 例 

多 年来 .海 底 冲刷 及 其 冲 刷 防 护 与控 制 技 术 


直 是 各 国海 洋 工 程领 域 亟 需 研 究 的重 要 课 题 之 
 



海 底仿 生 水 草 防 护技 术 ,是 基 于海 洋 仿 生 学 
圈 1 海 底 冲 刷示 意 

原 理 而 开 发研 制 的 一 种海 底 防 冲刷 技术 。仿 生水  草是 采 用 耐海 水 浸 泡 的新 型 高 分 子 材 料加 工 而成 
的 .通 过 安 装 基 垫 由海 底 锚 固装 置 固定 于海 底 。  

1 海底仿 生水 草防 冲刷基 本原理  . 2

通 过 仿 生 水 草 的黏 滞 阻 尼 作 用 .降 低 海 流 流 速 ,  

海 底仿生水 草技 术 ,是 基于 海洋仿生 学原理 而 

第 3 5卷第 3期 

刘 锦 昆 等 :仿生 水 草 在 海 底 管 道 悬 空 防 护 中 应用 

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开 发 出的一种 海底 防 冲刷 措施 。该 技术 是 由耐海 水  浸 泡 的新 型高 分子 材料加 工制 成 的且 符 合海洋 抗 冲  刷 流体 力 学原 理 的仿 生水 草 、仿 生 水 草 安装 基 垫 、   特殊设 计 的海底 锚 固装置 .以及 专用 于水 下 的液压  工 具等组 成 的  从作 用机 理来 看 .当仿 生水草 及其  安装 基垫 被可靠 地锚 固在 海底 需要 防止 或控制 冲刷  的预定位 置之后 .海底 水流经过这 一片仿 生水 草 时 .  

业 量较 大 .海上施 工 受气候 影 响 以及 仿 生水草 的制  造 专营性 强 ,成本 高等 问题 。  
3 海底 仿 生水草 防冲刷 系统 的应用 

通过 对 流体特 性 、仿生 水草 的加 工制造 和水 下  施 工等 多方 面 的综 合考 虑 .海底 仿生 水草 防 冲刷垫 
的尺 寸 一 般 定 为 :宽 5r ,长 25   n .、5 . 、1    、7 5 0m

等 .仿 生 水 草 的高 度及 其 锚 固设 计 ,根 据 不 同 海  域海底 条 件及 防 冲刷需要 确 定 
对于 海底 管道 的 防冲刷保 护措 施 .为 了防止 海 

由于受 到仿 生水 草 的柔 性 黏滞 阻尼作 用 .流速 得到 
降低 .减缓 了水 流对 海床 的 冲刷 作用 ;同时 ,由于  流速 的降低 和仿 生水 草 的阻碍 .促使 水 流 中夹 带 的 
泥沙在 重力 作用 下不 断地沉 积 到仿生 水草 安装 基垫  上 .逐 渐形成一个被仿海生物加强 了的海底沙洲 .从 

底 冲刷 的进 一 步恶 化 .应 首先 采用 砂石 对海 底管 道  下部 已冲刷 的沟槽进 行 回填 .整平 后再 在 回填层上  安 装仿 生 防冲刷保 护系统 .其做 法 如图 3 示 。 所  

而抑制了海底结构物 附近海床 的冲刷 .见 图 2  。
仿 海 牛物 纤 维 加 强 沙洲 

当 

图 3 海 底 管道 仿 生水 草 防冲 刷 保 护 安 装 示 意 

胜 利埕 岛油 田 C 3 B 5单井 平 台一 B 5井 组平 台  C3
图 2 海 底 仿 生 水 覃 防 冲 刷 技 术 原 理 

海 底 输 油 管 道 采 用 双 层 管 保 温 结 构 . 内管 直 径 为 

2 海底 仿生水 草 防冲刷 技术 的特点 

Dl4m 1  m.外 管 直径 为 D2 5m 4   m.海底 表层 为粉 质  黏 土 .在 波浪 及 海 流作 用下 海 区处 于弱 冲刷状 态 .   特别是 在 两端 立管 附近 .加 上结构 物 的存在 引起 局  部海 流 的 变化 .在 两端 均 已造 成 立管 底 部 的悬 空 .  
管道 悬 空 长 度 已达 5   8m.立 管 桩 附 近 最 大 悬 空 高 

工程实践表 明.与海洋工程领域其他 常规海底 防 
冲刷措 施 ( :水下抛 石 、砂包堆 垒 、混凝 土沉排垫  如

等 )相 比,海底仿生水草防冲刷技术具有如下优点 :   ( )仿 生 防 冲刷 系 统 原 理 先 进 且 结 构 简 单 . 1   采用 先 进 的高 科 技 装 备 和 手 段 .确保 了 能 够 有 针  对性 地 将 仿 生 防 冲刷 系 统 准 确 地 安装 到 需 要 保 护 
的 海底 位 置 :海 上 施 工 所 需 的辅 助船 舶 和 装 备 相  对 较 少 :仿 生 防 冲 刷 系 统 安装 到位 后 .几 乎 立 刻 

度 达 1  I . I,给海底 管道 的安 全运 行带 来严 重 隐患 。 9T   为此 采 用 水 下 支 撑 结 构 结 合 仿 生 水 草 覆 盖 加 以 防 
护 。为 有 效 减 小 管 道 悬 空 长 度 .在 悬 空段 抛 填 砂 

袋 ,并 在管 道上 及两侧 覆 盖仿生 水 草 .以阻止 管道  进一 步 冲刷 及悬 空扩展 ,降低流 速 ,促 进淤 积 。   施 工完成 一 年后进 行水 下检 测 ,结果 显示 :防  冲刷 仿生 水草 安装 在管 道上 面 .在海 流作 用下仿 生  水 草 呈 柔软 漂 浮状 态 ,管道 上 方 形成 了淤 积沉 淀 .   淤 积 厚 度 为 2   5  m,淤积 效 果 见 图 4 0 0c .取 得 了 
较 好 的 防护效果 
4 结 论 

便 能产 生作用 .抑 制海底 冲刷  ( )水 中淤 积 的 泥 沙 通 过 软 质 基 垫 与海 底 结  2
构 物 接触 ,海底 结 构 物 不 会 出现 硬 性 碰 撞 造 成 的 

损 伤 ;随着 时 间 的延 续 ,在 海 底 逐 渐 形 成 由高 分  子材 料 加 强 且 完 全 与 海 床 融 合 为 一 体 的 沙 洲 .这 
种海 底 沙 洲 的存 在 不 会 影 响 海 洋 生 物 的 生 长 .符 

合 海洋 环境保 护要 求 
( )水 中泥 沙 在 沉 积 过 程 中 . 由 于受 到柔 性  3

在 海洋工 程设 计 中 ,最 为 常见 的海底 结构 物 防 
冲刷 淘空 措施 有 :水下 抛石 或砂 包 、设 置 混凝 土沉 

仿 海 生 物端 部 的 自然 摆 动 的影 响 .在 海 底 形 成 相  当密 实 的 泥 沙层 ;海 上 施 工 费 用 远 低 于传 统 防 冲  刷措 施 ,而且仅 需一 次投 资 ,不必后 继保 养  不 过 海 底 仿 生 水 草仿 冲刷 系 统 也 存 在 水 下 作 

排 垫 等 。此 类 防 冲 刷 方 法 都 是 采 用 被 动 的 堵 截 方  式 ,通过 一些 不易 被 冲刷 的物体 来阻 止水 下 冲刷 的 
发 生 。工程 实 践 中 ,这类 方法 虽 然有一 定 的防 冲刷 

2  2











设 

20 0 9年 6月  

张 晓 灵 
( 中海石油基地集团管道工程涂敷分公司 ,天津 305 ) 042 

摘  要 :对海 洋石 油海底 单层钢 管保 温 ( 也称 单层保 温 管)新 产品 的试制 与使 用情 况进 行 了介 绍 :   阐述 了为提 高海底单 层钢 管保 温 产品各层 间的抗 剪切 力 ,使钢 管 、防腐层 、聚氨 酯保 温层 、聚 乙烯  夹克 防护层和 混凝土 配重层五 者结合 成 为一个 紧密的整体 而采取 的措施 和 效果 :总结 了影响施 工质 

量 的关键技 术要 点 :并就 目前单层钢 管保温 产品结构参数 选定提 出了参 考意见 
关键 词 :海底 管道 ;单层 钢管 :保 温 :混凝 土配重层 

中图分类号 :T 8 64 文献标识码 :A 文章编号 :10 — 2 6 (0 9 3 0 2 — 5 E6.     0 12 0 2 0 )0 — 0 2 0  

0 引 言   

的单 层 钢管 保 温 产 品是 马来 西 亚 B E E O RDR  P I E公 司涂 敷 的 .其 产 品 的设 计 结 构 :钢 管 + RC   F E+聚 氨 酯 保 温 层 +1m 厚 卷 绕 成 型 钢 护 套  B  m ( 锁扣 铁 皮 ) +煤 焦 油 瓷 漆 涂 层 +内置 钢 网加  即 强 筋式 混 凝 土 配 重层 .工 艺 较 为 复 杂 。煤 焦 油 瓷 
漆 属 于环 保 淘 汰 产 品 .铁 皮 钢 护 套 锁 扣 处很 难 密 

在我 国海 洋 油 田中 .所 发 现 的原 油 大 多 数 是 

高 倾 点 的原 油 .需 要 保 温 输 送 。 原来 采 用 双 层 钢  管 保 温 结构 .虽 然 安全 可 靠 .但 采用 钢 管 作 为 保 
护 管 是 很不 经 济 的 .而且 现 场施 工 还 需 要 内外 管 

焊 接 .这极 大 地 降 低 了铺 管 效 率 .造 成 安 装 费 用 
成倍 增加  中 国海 油 基 地集 团管道 工程 公 司于2 0 0 2年在 

封 .质量 控 制 难 .其 成 品管 的混 凝 土 层脱 落 比较 
严重。  
1 单 层 钢 管 保 温 配 重 新产 品 的 结 构 形式 及试 制 工艺 

塘 沽 建 成 国 内 第 一 条 混 凝 土 配 重 生 产 线 . 为 东  方 、渤 南 、春 晓 、岙 山一 镇 海 、壳 牌 东联 港 和 番  禺一 惠 州 等项 目进 行 了数千 千 米 管 道 的 混凝 土 涂  敷 工作 .并 为 蓬 莱 1 — 9 3项 目一 期 的产 品做 了损  坏 涂 层 的 修 补 和现 场 补 口 蓬 莱 1 —   9 3项 目一 期 

参考 陆地埋 地保 温管 的结构参 数和有 关文献 资 

料 ,基 于现 有 设 备 ,从 2 0 0 2年 开 始 。采 用钢 管 +   防腐 层 ( B F E)- 聚 氨酯 保 温 层 +聚 乙烯 夹 克 管  4 -
( D E)+钢筋 混凝 土配 重层 的保温 结构 进行 了一  H P

速度 .促进 淤积等 .有效 地控制 了海底 结构物 的冲  刷 .是 比较理 想 的治理措施 ,可 以应用 在河流 、海  底等 管道 的防冲刷保 护上 。   参 考文献 :  
f1王 利 金 , 锦 昆. 岛油 田海 底 管 道 冲 刷 悬 空 机 理 及 对 策Ⅲ . 气  l 刘 埕 油 储 运 .0 4.31:4 4 . 20 2 ()4 — 8   [1S / 84 19 , 2  YT4 0 — 9 2海底 管道 系 统 规 范[] s.   [] 胡 洪 勤 . 岛 油 l海 底 管 道 冲 刷 及 工 程 治 理 【】海 洋 科 学 , 3 埕 i t J.  
图 4 CB 5井 组 - 台端 淤 积 效 果 图    3 V ' -
2 0 2 6) 1 —1 . 0 5. 9( : 3 6 

效果 .但 由于水下抛 石 、砂 包 、混 凝土沉 排垫 等属  于 刚性 固态 物体 .因此会导 致海底 的二 次冲刷 。而  海底 仿生水草 防护技 术 .采 取疏 导的办 法控制 海底  冲刷 .用具 有水下 黏滞 阻尼 的仿 生水 草 ,降低 水流 

作 者 简介 :刘锦 昆 ( 9 7 , 男 , 江 苏靖 江人 , 高级 工程  1 6 一)

师 ,19 9 0年 毕 业 于 大连 理 工 大 学 ,硕 士 ,从 事 海 洋 工 程 的  
结 构 设计 、科 研 工 作 。  
收 稿 日期 :2 0 — 9 0   080—4


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