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[摘 要]复杂的海底管网肩负着油田原油外输的重要使命。但由于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、海底动力地貌条件十分复杂，造成该海区大面积区域冲刷，特别是在平台附近，再加上由于导管架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。这种非设计悬空，给管道带来严重安全隐患，海流在流经管道时将对管道产生作用力，一旦海流达到一定的流速，管道将产生涡激振动，当管道悬空超出其允许长度或者振动达到一定程度，都可能产生破坏及泄漏等。本文根据胜利油田海底管道悬跨的现状，就悬空的成因和破坏的机理进行系统化分析，对海底管道悬空危害进行了评估，并对海管悬空治理的各种方案进行比对。
[关键词]海底管道；海上油田；导管架；悬空；优化对策
中图分类号：TM151 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）12-0274-01
1 概述
海底管道是海上油田生产系统中的一个重要组成部分，维护海底管道的安全是保证安全生产和保护海洋环境的重要环节。海底管道冲刷悬空现象给海上油田生产带来极大的安全隐患。本文对海底管道悬空的现状、冲刷机理和破坏的形式及影响进行系统分析并在此基础上对各种治理方案进行比对。
2 油田海底管道悬空原因
2.1 海底管道悬空现状
胜利油田地处黄河入海口滩海交界地带，从1993年正式投入开发，从探摸的结果看：打水下桩治理的犯处立管，除其中的10处立管悬空变化不大外，其余22端立管悬空长度均有不同程度的扩展，扩展了的管道悬空，已经对管道的安全构成了威胁。
2.2 海底管道悬空原因分析
2.2.1 结构物附近的局部冲刷
由于流经结构物的水流会在局部范围强化并产生高速旋转的旋涡，从而具有较高的冲刷（挟带泥沙）能力，可在局部范围内形成冲刷坑。冲刷坑范围与深度往往与建筑物尺度有直接关系。
2.2.2 水平管道下方的沖刷
海底管道冲刷开始于管道与海床面之间的水流隧道。对于部分埋置的管道来说，这种水流隧道可以因管道两侧存在一定压差形成管涌而产生。当水流隧道形成后，管道两侧的压差使管道下的流速大于行近流速，从而引起管道下的冲刷。根据设计院的初步分析，对于X426海底管道，考虑波流共同作用，管道底下最大可能冲刷深度达到0.72m。该原因引起的悬空更多体现在距立管底部一定距离外。
2.2.3 海床侵蚀引起的大面积冲刷
以油田为例，由于该海区特殊的海洋及海底地质条件，处于不稳定的冲淤状态，根据飞雁滩断面测量，Sm等深线平均每年蚀退距离达0.19km，海床蚀深12.6cm/年；lOm等深线每年蚀退距离达O.lOkm，海床蚀深4.7cm/年。海床调整的冲淤平衡点大致在12m到15m水深处，在平衡点以上为侵蚀区，在平衡点以下为淤积区，这种剖面调整状态目前尚未有转缓的迹象。对于lOm水深处，在海管设计寿命巧年内，海床整体冲刷深度可达0.7m。由于该原因引起的海管淘空体现在整条海底管道。
3 海底管道悬空防治措施
3.1 抛砂袋结合混凝土块覆盖
先在悬空管道及其周围一定范围内（主要指立管周围明显的海底冲刷坑）抛填水泥砂浆袋。在抛填砂袋的过程中要由潜水员对砂袋进行整理，保证悬空立管底部填满砂袋。抛理砂袋完成后，再在管道上用混凝土覆盖，混凝土覆盖层可用小的混凝土预制块串接成网状，混凝土覆盖层的密度初步确定为320k}/m2，这样可提高覆盖层抗冲刷的能力，又不至于对海底管道造成损坏。
优点是施工工艺及取材简单，便于实施；无需行防腐处理；不影响正常生产；保护的范围广，对同一平台周围的海底管线均可产生保护。缺点是受不确定因素的影响较多，抛填的砂袋有进一步被冲刷淘走的可能，造成管道的再度悬空，因此，该方法的可靠性不高；如果再次悬空，覆盖的混凝土将对管道产生不利影响。
3.2 水下短桩支撑
为了防止水下管道悬空段在水流作用下产生的涡激振动，引起管道断裂，根据缩短管道悬空长度的思路，采用沿悬空管道设水下短桩支撑的方法，以减小横向和纵向振动幅度。钢管桩可采用打水下桩或设替打桩水下切割的方法实现。为固定悬臂梁，可在钢管桩上预先焊接一管托，钢管桩施打完后，由潜水员现场测量管托与悬空立管的相对位置，确定要预制管卡的高度。再将根据实际测量尺寸预制一体的悬臂梁及管卡从钢管桩顶套入或水下管卡固定
支撑于管托上。最后再由潜水员用U型螺栓将悬空立管固定于悬臂梁上。钢管桩的防腐可采用内外涂层结合腐蚀余量的方法实施。
优点是施工相对简单，便于实施；可以在管线不停产的情况下实施，不影响生产；该方案可靠性较高，由于水下钢管桩截面较小，对管道悬空长度进一步发展影响不大。而且，由于桩打入冲刷泥面以下一定深度，即使冲刷深度进一步加大，钢管桩仍然是稳定的。
缺点是保护的范围相对小，每根支撑钢管短桩只能对单一海管的一定距离提供保护，因此，对于冲刷长度较长的小口径海管，需设置的钢管短桩数量相对多；防腐较为困难，另外由于水下支撑的存在，形成了新的海底结构物，在长期海流的影响下，可能会进一步加大海底管线的悬空。
3.3 撓性软管跨接
该方案是将悬空立管拆除，根据目前冲刷后实际的海底现状，重新设计及安装立管。在立管与水平管之间跨接长度为60m的挠性软管，挠性软管的规格根据具体的海管规格确定。为提高其连接的可靠性，挠性软管与两端钢管仍采用水面以上的焊接方式，并在两端设有挠性软管保护结构。
用于海底输油的挠性管道是由密封、保温、加强等材料构成的多层挠性管结构，其基本材料可分为以下几种：密封材料：采用尼龙及聚乙烯。该材料在85℃条件下，预期寿命达30年，具有良好的弹性。试验表明，在一40℃条件下，其弹性应变仍可达到7.5 %；聚乙烯一
般选用HD9300型高密度聚乙烯。该材料极限抗拉可高达400%，具有良好的抵抗海水环境的性能。加强材料：加强材料一般采用不锈钢和碳钢。316L型不锈钢除了承受内、外压
力作用外，更主要的具有较高的抗腐蚀性，其强度一般为690MPa碳钢主要用来承受环向和轴向力。保温材料：保温材料采用改性聚氨脂泡沫。该材料的导热系数较低，保温性能也很好。抗滑耐磨材料：在加强材料（碳钢）各层之间，为了防止过大的滑动和磨蚀，放置了一层合成材料，其主要作用是将碳钢层握紧，以防止其滑动、磨蚀。外保护材料：一般选用高密度聚乙烯，其具有良好的防腐抗冲击性能。
优点是施工简便，立管结构简单，挠性软管兼作海管的膨胀补偿装置，由于软管有挠性，在铺设时刻随地形的变化而变化，因此有很好的抵抗疲劳破坏的特性，而且软管系统可回收再利用。缺点是必须在管道停产的情况下方可实施，抵御意外风险能力较弱，对于有海底注水管道或电缆压在输油管道上，则该方案较难实施。
参考文献
[1] 孙奇伟.海底管道出现失效现象的原因分析及其对策[J].中国石油和化工标准与质量.2012（07）.
[关键词]海底管道；海上油田；导管架；悬空；优化对策
中图分类号：TM151 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）12-0274-01
1 概述
海底管道是海上油田生产系统中的一个重要组成部分，维护海底管道的安全是保证安全生产和保护海洋环境的重要环节。海底管道冲刷悬空现象给海上油田生产带来极大的安全隐患。本文对海底管道悬空的现状、冲刷机理和破坏的形式及影响进行系统分析并在此基础上对各种治理方案进行比对。
2 油田海底管道悬空原因
2.1 海底管道悬空现状
胜利油田地处黄河入海口滩海交界地带，从1993年正式投入开发，从探摸的结果看：打水下桩治理的犯处立管，除其中的10处立管悬空变化不大外，其余22端立管悬空长度均有不同程度的扩展，扩展了的管道悬空，已经对管道的安全构成了威胁。
2.2 海底管道悬空原因分析
2.2.1 结构物附近的局部冲刷
由于流经结构物的水流会在局部范围强化并产生高速旋转的旋涡，从而具有较高的冲刷（挟带泥沙）能力，可在局部范围内形成冲刷坑。冲刷坑范围与深度往往与建筑物尺度有直接关系。
2.2.2 水平管道下方的沖刷
海底管道冲刷开始于管道与海床面之间的水流隧道。对于部分埋置的管道来说，这种水流隧道可以因管道两侧存在一定压差形成管涌而产生。当水流隧道形成后，管道两侧的压差使管道下的流速大于行近流速，从而引起管道下的冲刷。根据设计院的初步分析，对于X426海底管道，考虑波流共同作用，管道底下最大可能冲刷深度达到0.72m。该原因引起的悬空更多体现在距立管底部一定距离外。
2.2.3 海床侵蚀引起的大面积冲刷
以油田为例，由于该海区特殊的海洋及海底地质条件，处于不稳定的冲淤状态，根据飞雁滩断面测量，Sm等深线平均每年蚀退距离达0.19km，海床蚀深12.6cm/年；lOm等深线每年蚀退距离达O.lOkm，海床蚀深4.7cm/年。海床调整的冲淤平衡点大致在12m到15m水深处，在平衡点以上为侵蚀区，在平衡点以下为淤积区，这种剖面调整状态目前尚未有转缓的迹象。对于lOm水深处，在海管设计寿命巧年内，海床整体冲刷深度可达0.7m。由于该原因引起的海管淘空体现在整条海底管道。
3 海底管道悬空防治措施
3.1 抛砂袋结合混凝土块覆盖
先在悬空管道及其周围一定范围内（主要指立管周围明显的海底冲刷坑）抛填水泥砂浆袋。在抛填砂袋的过程中要由潜水员对砂袋进行整理，保证悬空立管底部填满砂袋。抛理砂袋完成后，再在管道上用混凝土覆盖，混凝土覆盖层可用小的混凝土预制块串接成网状，混凝土覆盖层的密度初步确定为320k}/m2，这样可提高覆盖层抗冲刷的能力，又不至于对海底管道造成损坏。
优点是施工工艺及取材简单，便于实施；无需行防腐处理；不影响正常生产；保护的范围广，对同一平台周围的海底管线均可产生保护。缺点是受不确定因素的影响较多，抛填的砂袋有进一步被冲刷淘走的可能，造成管道的再度悬空，因此，该方法的可靠性不高；如果再次悬空，覆盖的混凝土将对管道产生不利影响。
3.2 水下短桩支撑
为了防止水下管道悬空段在水流作用下产生的涡激振动，引起管道断裂，根据缩短管道悬空长度的思路，采用沿悬空管道设水下短桩支撑的方法，以减小横向和纵向振动幅度。钢管桩可采用打水下桩或设替打桩水下切割的方法实现。为固定悬臂梁，可在钢管桩上预先焊接一管托，钢管桩施打完后，由潜水员现场测量管托与悬空立管的相对位置，确定要预制管卡的高度。再将根据实际测量尺寸预制一体的悬臂梁及管卡从钢管桩顶套入或水下管卡固定
支撑于管托上。最后再由潜水员用U型螺栓将悬空立管固定于悬臂梁上。钢管桩的防腐可采用内外涂层结合腐蚀余量的方法实施。
优点是施工相对简单，便于实施；可以在管线不停产的情况下实施，不影响生产；该方案可靠性较高，由于水下钢管桩截面较小，对管道悬空长度进一步发展影响不大。而且，由于桩打入冲刷泥面以下一定深度，即使冲刷深度进一步加大，钢管桩仍然是稳定的。
缺点是保护的范围相对小，每根支撑钢管短桩只能对单一海管的一定距离提供保护，因此，对于冲刷长度较长的小口径海管，需设置的钢管短桩数量相对多；防腐较为困难，另外由于水下支撑的存在，形成了新的海底结构物，在长期海流的影响下，可能会进一步加大海底管线的悬空。
3.3 撓性软管跨接
该方案是将悬空立管拆除，根据目前冲刷后实际的海底现状，重新设计及安装立管。在立管与水平管之间跨接长度为60m的挠性软管，挠性软管的规格根据具体的海管规格确定。为提高其连接的可靠性，挠性软管与两端钢管仍采用水面以上的焊接方式，并在两端设有挠性软管保护结构。
用于海底输油的挠性管道是由密封、保温、加强等材料构成的多层挠性管结构，其基本材料可分为以下几种：密封材料：采用尼龙及聚乙烯。该材料在85℃条件下，预期寿命达30年，具有良好的弹性。试验表明，在一40℃条件下，其弹性应变仍可达到7.5 %；聚乙烯一
般选用HD9300型高密度聚乙烯。该材料极限抗拉可高达400%，具有良好的抵抗海水环境的性能。加强材料：加强材料一般采用不锈钢和碳钢。316L型不锈钢除了承受内、外压
力作用外，更主要的具有较高的抗腐蚀性，其强度一般为690MPa碳钢主要用来承受环向和轴向力。保温材料：保温材料采用改性聚氨脂泡沫。该材料的导热系数较低，保温性能也很好。抗滑耐磨材料：在加强材料（碳钢）各层之间，为了防止过大的滑动和磨蚀，放置了一层合成材料，其主要作用是将碳钢层握紧，以防止其滑动、磨蚀。外保护材料：一般选用高密度聚乙烯，其具有良好的防腐抗冲击性能。
优点是施工简便，立管结构简单，挠性软管兼作海管的膨胀补偿装置，由于软管有挠性，在铺设时刻随地形的变化而变化，因此有很好的抵抗疲劳破坏的特性，而且软管系统可回收再利用。缺点是必须在管道停产的情况下方可实施，抵御意外风险能力较弱，对于有海底注水管道或电缆压在输油管道上，则该方案较难实施。
参考文献
[1] 孙奇伟.海底管道出现失效现象的原因分析及其对策[J].中国石油和化工标准与质量.2012（07）.