一種海底懸跨管道開挖治理模型確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種海底懸跨管道開挖治理模型確定方法，其技術(shù)方案包括：懸跨參數(shù)和底床參數(shù)提取、確定管道截面剛度參數(shù)、建立動態(tài)管土相互作用模型、確定懸跨管道殘余張力估計值、開挖治理前懸跨管道的復現(xiàn)和開挖治理后懸跨管道狀態(tài)的預測等步驟。本發(fā)明可重現(xiàn)懸跨海管開挖治理前的狀態(tài)并預測懸跨海管開挖治理后的狀態(tài)，進一步提高了懸跨海管開挖治理的有效性與科學性。
【專利說明】
一種海底懸跨管道開挖治理模型確定方法
技術(shù)領域
[0001 ]本發(fā)明屬于海洋油氣生產(chǎn)風險管理領域，特別涉及一種海底懸跨管道開挖治理模型確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在海洋油氣開采和集輸過程中，海底管道是最重要的油氣輸運設備，不可避免地將經(jīng)過海底地形崎嶇區(qū)域。此時海管將出現(xiàn)嚴重的懸跨現(xiàn)象，威脅管道安全。一種有效消除懸跨的方法是開挖治理。開挖治理雖能有效消除危險懸跨并在一定程度上阻止二次懸跨的出現(xiàn)。但是現(xiàn)有開挖治理模型不能綜合考慮開挖治理前后懸跨管道與底床間的動態(tài)相互作用過程，所以設計的開挖治理方案往往并非最優(yōu)方案。因此，需要一種可結(jié)合管道力學分析和管土動態(tài)接觸算法的管道開挖治理模型，以更便捷地進行開挖治理方案設計，并提高治理方案的有效性與科學性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是:提供一種海底懸跨管道開挖治理模型確定方法，以便在懸跨開挖治理的設計或施工階段復現(xiàn)開挖治理前懸跨管道的位形和內(nèi)力分布，同時預測開挖治理后懸跨管道的位形和內(nèi)力分布，從而提高懸跨海管開挖治理的有效性和科學性。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種海底懸跨管道開挖治理模型確定方法，包括以下步驟:
[0005]步驟一:依據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，確定懸跨狀態(tài)，包括懸跨起點、終點、管道位形和地形沿路由的高程分布，確定懸跨管道沿程的底床沙質(zhì)情況，包括沙質(zhì)級配、比重和內(nèi)摩擦角；
[0006]步驟二:依據(jù)設計和施工文件，確定管道截面參數(shù)和內(nèi)外腐蝕情況，并據(jù)此計算管道截面剛度參數(shù)；
[0007]步驟三:建立基于向量式有限元的動態(tài)管土相互作用模型，包括:
[0008]I)設置每個向量式有限元結(jié)點的土反力初始值；
[0009]2)計算每一單元內(nèi)力，求和得到每個結(jié)點在當前變形狀態(tài)下的受力，即相鄰單元對本結(jié)點的作用力；
[0010]3)判斷管土是否接觸或分離，若管土接觸，計算土體對結(jié)點的作用力，否則本結(jié)點土體作用力為零；
[0011]4)得到結(jié)點不平衡力，包括內(nèi)力、重力以及土體作用力；
[0012]5)根據(jù)牛頓第二定律計算本時間步結(jié)點位移，更新結(jié)點位置，返回2)。
[0013]步驟四:確定懸跨段管道殘余張力估計值，包括:
[0014]I)將管道平直放置于底床上方；
[0015]2)對管道兩端施加殘余張力為設計文件中的殘余張力；
[0016]3)對管道加載浮力和重力，使其緩慢下落于底床之上；
[0017]4)對比計算得到的管道懸跨狀態(tài)與ROV調(diào)查得到的懸跨狀態(tài)；
[0018]5)若計算得到的懸跨段管道彎曲更嚴重，則緩慢增大管道殘余張力，直至懸跨長度與ROV調(diào)查數(shù)據(jù)一致;若計算得到的懸跨段管道彎曲更緩和，則緩慢減小管道殘余張力，直至懸跨長度與ROV調(diào)查數(shù)據(jù)一致;此時得到的管道殘余張力值即為本方法得到的殘余張力估計值。
[0019]步驟五:由向量式有限元動態(tài)管土相互作用模型重現(xiàn)懸跨管道開挖治理前的狀態(tài)，得到懸跨管道開挖治理前的位形和內(nèi)力分布，包括:
[0020]I)將管道平直放置于底床上方；
[0021]2)對管道兩端施加殘余張力估計值；
[0022]3)對管道加載浮力和重力，使其緩慢下落于底床之上；
[0023]4)記錄此時管道的位形分布、內(nèi)力分布和底床塑性變形。
[0024]步驟六:由向量式有限元動態(tài)管土相互作用模型預測開挖治理后管道的位形和內(nèi)力狀態(tài)，包括:
[0025]I)由開挖治理方案中提取開挖治理起點與終點；
[0026]2)由施工方案確定開挖治理時沖溝深度沿管道路由的變化；
[0027]3)在動態(tài)管土耦合模型中改變底床高程，底床高程沿路由的變化應與開挖治理施工方案一致，并且高程變化速度應與高壓水槍行進速度一致；
[0028]4)在底床高程變化過程中，管道在自重作用下會在開挖治理后的底床上達到新的平衡狀態(tài)，待施工過程模擬結(jié)束，輸出管道位形、內(nèi)力、開挖治理后的底床高程分布及新的懸跨狀態(tài)。
[0029]本發(fā)明通過采用基于向量式有限元方法管土動態(tài)接觸模型，建立海底懸跨管道開挖治理模型，并通過該模型復現(xiàn)懸跨管道開挖治理前的狀態(tài)，同時預測懸跨管道開挖治理后的狀態(tài)，進一步提高了懸跨海管開挖治理的有效性和科學性。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明步驟。
[0031 ]圖2為本發(fā)明中涉及的懸跨開挖治理方法的示意圖。
[0032]圖3為本發(fā)明中某兩懸跨海底管道開挖治理前后的狀態(tài)及內(nèi)力分布。
【具體實施方式】
[0033]實施例1:參考圖1，一種海底懸跨管道開挖治理模型確定方法，包括以下步驟:
[0034]步驟一:依據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，確定懸跨狀態(tài)，包括懸跨起點、終點、管道位形和地形沿路由的高程分布，確定懸跨管道沿程的底床沙質(zhì)情況，包括沙質(zhì)級配、比重和內(nèi)摩擦角；
[0035]步驟二:依據(jù)設計和施工文件，確定管道截面參數(shù)和內(nèi)外腐蝕情況，并據(jù)此計算管道截面剛度參數(shù)；
[0036]步驟三:建立基于向量式有限元的動態(tài)管土相互作用模型，包括:
[0037 ] I)設置每個向量式有限元結(jié)點的土反力初始值；
[0038]2)計算每一單元內(nèi)力，求和得到每個結(jié)點在當前變形狀態(tài)下的受力，即相鄰單元對本結(jié)點的作用力；
[0039]3)判斷管土是否接觸或分離，若管土接觸，計算土體對結(jié)點的作用力，否則本結(jié)點土體作用力為零；
[0040]4)得到結(jié)點不平衡力，包括內(nèi)力、重力以及土體作用力；
[0041]5)根據(jù)牛頓第二定律計算本時間步結(jié)點位移，更新結(jié)點位置，返回2)。
[0042]步驟四:確定懸跨段管道殘余張力估計值，包括:
[0043]I)將管道平直放置于底床上方；
[0044]2)對管道兩端施加殘余張力為設計文件中的殘余張力；
[0045]3)對管道加載浮力和重力，使其緩慢下落于底床之上；
[0046]4)對比計算得到的管道懸跨狀態(tài)與ROV調(diào)查得到的懸跨狀態(tài)；
[0047]5)若計算得到的懸跨段管道彎曲更嚴重，則緩慢增大管道殘余張力，直至懸跨長度與ROV調(diào)查數(shù)據(jù)一致;若計算得到的懸跨段管道彎曲更緩和，則緩慢減小管道殘余張力，直至懸跨長度與ROV調(diào)查數(shù)據(jù)一致;此時得到的管道殘余張力值即為本方法得到的殘余張力估計值。
[0048]步驟五:由向量式有限元動態(tài)管土相互作用模型重現(xiàn)懸跨管道開挖治理前的狀態(tài)，得到懸跨管道開挖治理前的位形和內(nèi)力分布，包括:
[0049]I)將管道平直放置于底床上方；
[0050]2)對管道兩端施加殘余張力估計值；
[0051 ] 3)對管道加載浮力和重力，使其緩慢下落于底床之上；
[0052]4)記錄此時管道的位形分布、內(nèi)力分布和底床塑性變形。
[0053]步驟六:由向量式有限元動態(tài)管土相互作用模型預測開挖治理后管道的位形和內(nèi)力狀態(tài)，包括:
[0054]I)由開挖治理方案中提取開挖治理起點與終點；
[0055]2)由施工方案確定開挖治理時沖溝深度沿管道路由的變化；
[0056]3)在動態(tài)管土耦合模型中改變底床高程，底床高程沿路由的變化應與開挖治理施工方案一致，并且高程變化速度應與高壓水槍行進速度一致；
[0057]4)在底床高程變化過程中，管道在自重作用下會在開挖治理后的底床上達到新的平衡狀態(tài)，待施工過程模擬結(jié)束，輸出管道位形、內(nèi)力、開挖治理后的底床高程分布及新的懸跨狀態(tài)。
[0058]如圖3所示為某段管道開挖治理前后管道和底床狀態(tài)，以及相應的管道彎矩分布。說明本方法能夠重現(xiàn)開挖前管道狀態(tài)及管道內(nèi)力分布，同時預測開挖后管道狀態(tài)和內(nèi)力分布。因此，在懸跨海管開挖治理設計與施工過程中，可以運行該模型提高懸跨管道開挖治理的有效性與科學性。
【主權(quán)項】
1.一種海底懸跨管道開挖治理模型確定方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:依據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，確定懸跨狀態(tài)，包括:確定懸跨起點、終點、管道位形和地形沿路由的高程分布，確定懸跨管道沿程的底床沙質(zhì)級配、比重和內(nèi)摩擦角； 步驟二:依據(jù)設計和施工文件，確定管道截面參數(shù)和內(nèi)外腐蝕情況，并據(jù)此計算管道截面剛度參數(shù)； 步驟三:建立基于向量式有限元的動態(tài)管土相互作用模型； 步驟四:確定懸跨段管道殘余張力估計值； 步驟五:由向量式有限元動態(tài)管土相互作用模型重現(xiàn)懸跨管道開挖治理前的狀態(tài)，得到懸跨管道開挖治理前的位形和內(nèi)力分布； 步驟六:由向量式有限元動態(tài)管土相互作用模型預測開挖治理后管道的位形和內(nèi)力狀??τ O2.如權(quán)利要求1所述的一種海底懸跨管道開挖治理模型確定方法，其特征在于，所述步驟三中，向量式有限元的動態(tài)管土相互作用模型求解時的循環(huán)步驟包括: a.設置每個向量式有限元結(jié)點的土反力初始值； b.計算每一單元內(nèi)力，求和得到每個結(jié)點在當前變形狀態(tài)下的受力，即相鄰單元對本結(jié)點的作用力； c.判斷管土是否接觸或分離，若管土接觸，計算土體對結(jié)點的作用力，否則本結(jié)點土體作用力為零； d.得到結(jié)點不平衡力，包括內(nèi)力、重力以及土體作用力； e.根據(jù)牛頓第二定律計算本時間步結(jié)點位移，更新結(jié)點位置，返回步驟b。3.如權(quán)利要求1所述的一種海底懸跨管道開挖治理模型確定方法，其特征在于，所述步驟四中，確定懸跨段管道殘余張力的步驟包括: a.將管道平直放置于底床上方； b.對管道兩端施加殘余張力為設計文件中的殘余張力； c.對管道加載浮力和重力，使其緩慢下落于底床之上； d.對比計算得到的管道懸跨狀態(tài)與ROV調(diào)查得到的懸跨狀態(tài)； e.若計算得到的懸跨段管道彎曲更嚴重，則緩慢增大管道殘余張力，直至懸跨長度與ROV調(diào)查數(shù)據(jù)一致;若計算得到的懸跨段管道彎曲更緩和，則緩慢減小管道殘余張力，直至懸跨長度與ROV調(diào)查數(shù)據(jù)一致;此時得到的管道殘余張力值即為本方法得到的殘余張力估計值。4.如權(quán)利要求1所述的一種海底懸跨管道開挖治理模型確定方法，其特征在于，所述步驟五中，重現(xiàn)懸跨管道開挖治理前的狀態(tài)的步驟包括: a.將管道平直放置于底床上方； b.對管道兩端施加殘余張力估計值； c.對管道加載浮力和重力，使其緩慢下落于底床之上； d.記錄此時管道的位形分布、內(nèi)力分布和底床塑性變形。5.如權(quán)利要求1所述的一種海底懸跨管道開挖治理模型確定方法，其特征在于，所述步驟六中，預測開挖治理后管道的位形和內(nèi)力狀態(tài)的步驟為: a.由開挖治理方案中提取開挖治理起點與終點； b.由施工方案確定開挖治理時沖溝深度沿管道路由的變化； C.在動態(tài)管土耦合模型中改變底床高程，底床高程沿路由的變化應與開挖治理施工方案一致，并且高程變化速度應與高壓水槍行進速度一致； d.在底床高程變化過程中，管道在自重作用下會在開挖治理后的底床上達到新的平衡狀態(tài)，待施工過程模擬結(jié)束，輸出管道位形、內(nèi)力、開挖治理后的底床高程分布及新的懸跨狀態(tài)。
【文檔編號】G06F17/50GK106021774SQ201610373383
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】許雷閣, 林緬
【申請人】中國科學院力學研究所