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第
42
卷第
5
期
2012
年
5
月
中国海洋大学学报
PERIODICAL
OF
OCEAN UNlVERSITY OF CHINA
42(5):111-114
May, 2012
海底管线柔性导流板的变形方程研究
•
、
阮雪景，拾兵，张芝永，范非非，刘勇
(中国海洋大学工程学院，山东青岛
266100)
•
摘
要:
海底输油管线是海洋油气田开发的生命线工程，在复杂的海洋环境中易发生破坏。为使管线实现自埋防护，提
出用柔性材料代替刚性导流板安装在管线顶部，不仅可以增加阻水面积，加大冲刷深度和范围，而且可以减缓刚性导流板
对管线上部水流的扰动强度和尾流涡旋的扰动强度，减小管线的振动。利用力学关系由变形方程推导出海底管线与海底
间距离为零以及不为零情况下柔性导流板变形的二次曲面方程和自由端最大挠度。在单向流条件下将不同材料不同长
度的柔性导流板安装在管线中轴上方开展试验研究，测量柔性导流板在水流作用下的变形曲面。对比分析利用公式计算
柔性导流板的自由端最大挠度和曲面变形数据与试验结果，发现两者吻合较好。
关键词:
海底管线;柔性导流板;变形方程;理论分析;试验
中图法分类号:
TE973
文献标志码:
A
近年来，由于陆上油气资源的不断枯竭以及海上
油气田的开发，世界各国都十分重视海上油气资源的
开发和利用。海底输油气管道是海上油气田开发系统
的重要组成部分。海底管线造价昂贵且所处的海洋环
境条件非常复杂和恶劣，在波浪、潮流等水动力作用
下，管道附近底.沙极易发生搬运、侵蚀，从而导致海底
管道冲刷悬空，引发断裂等破坏事故。为了防止海底
管线受到水动力因素或者人为因素的破坏，管线铺设
中经常是把管线埋入海床一定深度，这个过程需要对
海床进行机械挖掘和回填，耗费大量的人力和财力。
其实，管线本身在强烈的外界条件下就可以由于局部
冲刷发生自埋。
国内外学者对海底管线防护措施开展了大量的研
究工作并提出了在管线顶部安装刚性导流板
CSpoiler)
使管线实现完全自埋。
Huisbergen[l
J
发现在特定条件
下海底管线可以自埋到原海床下
2
倍管径的深度，在
分析该现象形成机理的基础上提出一种管线自埋的方
法即在管线上安装鱼鳝式装置，并通过试验研究证明
了这种方法的可行性。
H
uisbergen[2
J
将
O.
125
m
高的
导流板安装在直径为
0.5
m
的管线顶部和底部，在单
向流作用下开展了与实物大小一样的试验研究，试验
结果表明管下冲刷比元导流板的管线冲刷增加了
4
倍。
Hulsbergen
和
Bijker[3J
研究表明在管线上方安装
导流板不仅能够增加冲刷坑的深度和范围，还可以明
显加快冲刷过程。试验结果表明顶部安装导流板的管
线自埋速度比元导流板的快
10
倍。导流板加速冲刷
过程的原因是导流板的阻流作用导致管线下方流速增
文章编号:
1672-5174(2012)05-111-05
加。
Chiew[4
J
研究了导流板对海底管线周围冲刷的作
用，单向流试验结果表明安装在管线顶部的导流板可
以有效增强阻流作用导致冲刷坑深度和范围增加，且
增大效果与导流板的安装方向有关。
Cheng
和
chew[5J
通过数值模拟方法研究了管线顶部添加导流
板对压力分布、管线下方速度分布和床面剪力的影响。
结果表明添加导流板明显增加管线与床面间隙的流速
和管线周围床面的剪力，同时导流板使管线受到的升
力变为向下.的压力导致管线自埋加强。盛磊祥等
[6J
建
立了二维平面势流计算模型，利用
FLUENT
‘软件分析
了阻流板对升力系数、曳力系数、缝隙流体速度、游涡
泄放频率等海底管道管跨绕流流场参数变化规律的影
响，研究结果表明管线升力系数变为负值，管跨与海底
间缝隙流体速度的增加，会加剧海流对海底的冲刷，能
够使带阻流板的海底管道实现自埋。夏于飞和顾建
宁
[7J
针对杭州湾特殊的自然环境，在海底管线铺设工
程项目中评估了不同类型的管道掩埋方法，并最终确
定了杭州湾的最佳解决方案为阻流器管道自掩埋法，
通过连续几年的勘测证明该方法取得了成功。
根据刚性导流板对管线的影响分析，本文提出采
用柔性材料代替刚性导流板安装在管线顶部(见图1)。
柔性导流板与刚性导流板的相同之处是同样增加阻水
面积，使冲刷加剧，冲刷坑深度增大，并促使管线下沉
自埋;与刚性导流板的不同之处是柔性导流板顶端可
以随流向摆动，起到导流的作用，可以减缓刚性导流板
对管线上部水流的扰动强度和尾流涡旋的扰动强度，
减小管线的振动，并且减小管线下游床面的冲刷，对防
*基金项目
2
国家高技术研究发展计划项目
(2008AA09Z309)
;国家自然科学基金项目
(50879084)
资助
收稿日期
:2011-04
二
28;
修订日期
:2011-10-12
作者简介
2
阮雪景
0986
寸，女，博士生。
E-mail:
xuejingruan@163.com
‘
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