[发明专利]一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置及方法

说明书

本发明公开了一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置及方法，保护装置包括高压喷嘴排、行走小车系统、自动判断和控制系统、电力系统；高压喷嘴排由支撑架、转向轴、水泵和高压喷嘴组成，支撑架的顶部通过转向轴等间距的排列连接高压喷嘴；行走小车系统由行走小车、行走小车支架、车轮、步进电机和传动装置组成；自动判断和控制系统由自动控制开关、超声测距仪和内置控制芯片组成；电力系统由电源和导线组成，为高压喷嘴排、行走小车系统以及自动判断和控制系统提供能量。本发明对各种海床地质条件、水流条件有着良好的适应性，对各种海床地质条件和水流条件都可以起到良好的保护效果。

技术领域

本发明属于海底管道建设与运行技术领域，具体涉及一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置及方法。

背景技术

海底管线是用于海底输送油气资源的重要设施，其正常运行是海上油气田安全生产的重要保证，其结构安全是海洋油气资源开发的重要课题。裸露铺设于海床上的管线往往会改变海床底部的局部流场结构，产生三维涡流及水流紊动增强等现象，这样的水动力结构进一步驱动管线附近海床泥沙的运动，尤其是在砂质和粉砂质海床上，强烈的泥沙运动将在管线周围快速形成局部冲刷坑。沿管线不均匀分布的冲刷坑形成后，管线发生悬跨。当悬跨长度超过规定最大长度后，海底管线在自重作用下将发生显著弯曲而失效，另外，在水流作用下，悬跨段海底管线后方将形成交替脱落的漩涡结构，当脱涡频率与管线结构固有频率接近时，将发生共振，形成管线的涡激振动，引起海底管线的疲劳损伤。在海洋石油工程中，因海底管线局部冲刷引发的管线结构破坏时有发生，既对工程本身造成损失，又给周围海域带来溢油等环境污染。因此，开发新型的、实用的海底管理冲刷防护技术具有非常重要的工程意义和应用价值。

目前，海底管线的主要保护技术有挖槽、碎石覆盖、管线自埋、导流等方式。其中，挖槽是指管线敷设前在海床上开挖明槽，一般深1m左右，然后将管线置于槽中，以防止局部冲刷和涡激振动。由于水下开挖需要高强度人、机作业，挖槽费用一般非常高，且仅适用于较浅的海域；碎石覆盖指管线敷设后利用碎石等大颗粒材料覆盖在管道上方，形成保护，防止局部冲刷。这种方法需要大量的碎石材料，且水下作业困难，往往仅适用于短距离的局部管段；管线自埋则利用水流对管线附近泥沙的掏刷，形成管道的自然掩埋，这种方式在管线敷设时不需任何防护，节省建设成本，在很多海域大量采用。然而这种方法使用的前提条件是当地海床土质以及水流条件能够形成有效的自埋，实际上，在我国很多海域，海床的土质并不能满足形成自埋的条件；导流就是在管道上面安装导流装置来引导水流方向，通过改变局部水流结构减少冲刷，但这种方法的效果不是很明显，而且导流装置一般都不是柔性的，容易对海底生物造成伤害。受海洋油气资源开发的推动，近年来不断有新型的管线冲刷防护技术出现，例如利用“人工草”、“仿生海藻”等防护管线周围的海床、在管道上安装柔性浮帘截沙促淤、在管道下方铺设不透水板，以减少因管道两侧渗流力而产生的管涌型冲刷等。这些方法体现了人们从各个方面对海底管线局部冲刷问题进行探索的有效尝试，但由于实际海洋工程受应用效果、建设成本、施工技术水平等条件限制，这些方法目前并未能广泛应用于海洋油气资源开发中，新型的、更加实用的管线冲刷防护技术函待开发。另一方面，不同的管线冲刷防护技术往往适用于特定的海床地质条件、水流条件、以及当地原材料供给条件等。另外，这些方案还有一个共同的特点，就是被动地对海底管道进行防护，试图通过控制局部水流强度减少冲刷，对不同泥沙特性、水流条件的适用性较差，且在实施过程中需要沿整个管线长度进行布设，建造和运行维护成本较高。实际工程应用需要我们提出更多新型的、高效且低成本的管线冲刷悬跨防护技术方案。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种促进冲刷、防止海底管线悬跨的主动保护装置及方法，解决因海底管线局部冲刷引起悬跨以及管线破坏的问题，为海底管道的建设及正常运行提供技术支持。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：