CN106021774A - 一种海底悬跨管道开挖治理模型确定方法 - Google Patents

一种海底悬跨管道开挖治理模型确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海底悬跨管道开挖治理模型确定方法，其技术方案包括：悬跨参数和底床参数提取、确定管道截面刚度参数、建立动态管土相互作用模型、确定悬跨管道残余张力估计值、开挖治理前悬跨管道的复现和开挖治理后悬跨管道状态的预测等步骤。本发明可重现悬跨海管开挖治理前的状态并预测悬跨海管开挖治理后的状态，进一步提高了悬跨海管开挖治理的有效性与科学性。

Description

一种海底悬跨管道开挖治理模型确定方法
技术领域
本发明属于海洋油气生产风险管理领域，特别涉及一种海底悬跨管道开挖治理模型确定方法。
背景技术
在海洋油气开采和集输过程中，海底管道是最重要的油气输运设备，不可避免地将经过海底地形崎岖区域。此时海管将出现严重的悬跨现象，威胁管道安全。一种有效消除悬跨的方法是开挖治理。开挖治理虽能有效消除危险悬跨并在一定程度上阻止二次悬跨的出现。但是现有开挖治理模型不能综合考虑开挖治理前后悬跨管道与底床间的动态相互作用过程，所以设计的开挖治理方案往往并非最优方案。因此，需要一种可结合管道力学分析和管土动态接触算法的管道开挖治理模型，以更便捷地进行开挖治理方案设计，并提高治理方案的有效性与科学性。
发明内容
本发明的目的是：提供一种海底悬跨管道开挖治理模型确定方法，以便在悬跨开挖治理的设计或施工阶段复现开挖治理前悬跨管道的位形和内力分布，同时预测开挖治理后悬跨管道的位形和内力分布，从而提高悬跨海管开挖治理的有效性和科学性。
本发明的技术方案是：一种海底悬跨管道开挖治理模型确定方法，包括以下步骤：
步骤一：依据调查数据，确定悬跨状态，包括悬跨起点、终点、管道位形和地形沿路由的高程分布，确定悬跨管道沿程的底床沙质情况，包括沙质级配、比重和内摩擦角；
步骤二：依据设计和施工文件，确定管道截面参数和内外腐蚀情况，并据此计算管道截面刚度参数；
步骤三：建立基于向量式有限元的动态管土相互作用模型，包括：
1)设置每个向量式有限元结点的土反力初始值；
2)计算每一单元内力，求和得到每个结点在当前变形状态下的受力，即相邻单元对本结点的作用力；
3)判断管土是否接触或分离，若管土接触，计算土体对结点的作用力，否则本结点土体作用力为零；
4)得到结点不平衡力，包括内力、重力以及土体作用力；
5)根据牛顿第二定律计算本时间步结点位移，更新结点位置，返回2)。
步骤四：确定悬跨段管道残余张力估计值，包括：
1)将管道平直放置于底床上方；
2)对管道两端施加残余张力为设计文件中的残余张力；
3)对管道加载浮力和重力，使其缓慢下落于底床之上；
4)对比计算得到的管道悬跨状态与ROV调查得到的悬跨状态；
5)若计算得到的悬跨段管道弯曲更严重，则缓慢增大管道残余张力，直至悬跨长度与ROV调查数据一致；若计算得到的悬跨段管道弯曲更缓和，则缓慢减小管道残余张力，直至悬跨长度与ROV调查数据一致；此时得到的管道残余张力值即为本方法得到的残余张力估计值。
步骤五：由向量式有限元动态管土相互作用模型重现悬跨管道开挖治理前的状态，得到悬跨管道开挖治理前的位形和内力分布，包括：
1)将管道平直放置于底床上方；
2)对管道两端施加残余张力估计值；
3)对管道加载浮力和重力，使其缓慢下落于底床之上；
4)记录此时管道的位形分布、内力分布和底床塑性变形。
步骤六：由向量式有限元动态管土相互作用模型预测开挖治理后管道的位形和内力状态，包括：
1)由开挖治理方案中提取开挖治理起点与终点；
2)由施工方案确定开挖治理时冲沟深度沿管道路由的变化；
3)在动态管土耦合模型中改变底床高程，底床高程沿路由的变化应与开挖治理施工方案一致，并且高程变化速度应与高压水枪行进速度一致；
4)在底床高程变化过程中，管道在自重作用下会在开挖治理后的底床上达到新的平衡状态，待施工过程模拟结束，输出管道位形、内力、开挖治理后的底床高程分布及新的悬跨状态。
本发明通过采用基于向量式有限元方法管土动态接触模型，建立海底悬跨管道开挖治理模型，并通过该模型复现悬跨管道开挖治理前的状态，同时预测悬跨管道开挖治理后的状态，进一步提高了悬跨海管开挖治理的有效性和科学性。
附图说明
图1为本发明步骤。
图2为本发明中涉及的悬跨开挖治理方法的示意图。
图3为本发明中某两悬跨海底管道开挖治理前后的状态及内力分布。
具体实施方式
实施例1：参考图1，一种海底悬跨管道开挖治理模型确定方法，包括以下步骤：
步骤一：依据调查数据，确定悬跨状态，包括悬跨起点、终点、管道位形和地形沿路由的高程分布，确定悬跨管道沿程的底床沙质情况，包括沙质级配、比重和内摩擦角；
步骤二：依据设计和施工文件，确定管道截面参数和内外腐蚀情况，并据此计算管道截面刚度参数；
步骤三：建立基于向量式有限元的动态管土相互作用模型，包括：
1)设置每个向量式有限元结点的土反力初始值；
2)计算每一单元内力，求和得到每个结点在当前变形状态下的受力，即相邻单元对本结点的作用力；
3)判断管土是否接触或分离，若管土接触，计算土体对结点的作用力，否则本结点土体作用力为零；
4)得到结点不平衡力，包括内力、重力以及土体作用力；
5)根据牛顿第二定律计算本时间步结点位移，更新结点位置，返回2)。
步骤四：确定悬跨段管道残余张力估计值，包括：
1)将管道平直放置于底床上方；
2)对管道两端施加残余张力为设计文件中的残余张力；
3)对管道加载浮力和重力，使其缓慢下落于底床之上；
4)对比计算得到的管道悬跨状态与ROV调查得到的悬跨状态；
5)若计算得到的悬跨段管道弯曲更严重，则缓慢增大管道残余张力，直至悬跨长度与ROV调查数据一致；若计算得到的悬跨段管道弯曲更缓和，则缓慢减小管道残余张力，直至悬跨长度与ROV调查数据一致；此时得到的管道残余张力值即为本方法得到的残余张力估计值。
步骤五：由向量式有限元动态管土相互作用模型重现悬跨管道开挖治理前的状态，得到悬跨管道开挖治理前的位形和内力分布，包括：
1)将管道平直放置于底床上方；
2)对管道两端施加残余张力估计值；
3)对管道加载浮力和重力，使其缓慢下落于底床之上；
4)记录此时管道的位形分布、内力分布和底床塑性变形。
步骤六：由向量式有限元动态管土相互作用模型预测开挖治理后管道的位形和内力状态，包括：
1)由开挖治理方案中提取开挖治理起点与终点；
2)由施工方案确定开挖治理时冲沟深度沿管道路由的变化；
3)在动态管土耦合模型中改变底床高程，底床高程沿路由的变化应与开挖治理施工方案一致，并且高程变化速度应与高压水枪行进速度一致；
4)在底床高程变化过程中，管道在自重作用下会在开挖治理后的底床上达到新的平衡状态，待施工过程模拟结束，输出管道位形、内力、开挖治理后的底床高程分布及新的悬跨状态。
如图3所示为某段管道开挖治理前后管道和底床状态，以及相应的管道弯矩分布。说明本方法能够重现开挖前管道状态及管道内力分布，同时预测开挖后管道状态和内力分布。因此，在悬跨海管开挖治理设计与施工过程中，可以运行该模型提高悬跨管道开挖治理的有效性与科学性。

Claims (5)

1.一种海底悬跨管道开挖治理模型确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：依据调查数据，确定悬跨状态，包括：确定悬跨起点、终点、管道位形和地形沿路由的高程分布，确定悬跨管道沿程的底床沙质级配、比重和内摩擦角；
步骤二：依据设计和施工文件，确定管道截面参数和内外腐蚀情况，并据此计算管道截面刚度参数；
步骤三：建立基于向量式有限元的动态管土相互作用模型；
步骤四：确定悬跨段管道残余张力估计值；
步骤五：由向量式有限元动态管土相互作用模型重现悬跨管道开挖治理前的状态，得到悬跨管道开挖治理前的位形和内力分布；
步骤六：由向量式有限元动态管土相互作用模型预测开挖治理后管道的位形和内力状态。
2.如权利要求1所述的一种海底悬跨管道开挖治理模型确定方法，其特征在于，所述步骤三中，向量式有限元的动态管土相互作用模型求解时的循环步骤包括：
a.设置每个向量式有限元结点的土反力初始值；
b.计算每一单元内力，求和得到每个结点在当前变形状态下的受力，即相邻单元对本结点的作用力；
c.判断管土是否接触或分离，若管土接触，计算土体对结点的作用力，否则本结点土体作用力为零；
d.得到结点不平衡力，包括内力、重力以及土体作用力；
e.根据牛顿第二定律计算本时间步结点位移，更新结点位置，返回步骤b。
3.如权利要求1所述的一种海底悬跨管道开挖治理模型确定方法，其特征在于，所述步骤四中，确定悬跨段管道残余张力的步骤包括：
a.将管道平直放置于底床上方；
b.对管道两端施加残余张力为设计文件中的残余张力；
c.对管道加载浮力和重力，使其缓慢下落于底床之上；
d.对比计算得到的管道悬跨状态与ROV调查得到的悬跨状态；
e.若计算得到的悬跨段管道弯曲更严重，则缓慢增大管道残余张力，直至悬跨长度与ROV调查数据一致；若计算得到的悬跨段管道弯曲更缓和，则缓慢减小管道残余张力，直至悬跨长度与ROV调查数据一致；此时得到的管道残余张力值即为本方法得到的残余张力估计值。
4.如权利要求1所述的一种海底悬跨管道开挖治理模型确定方法，其特征在于，所述步骤五中，重现悬跨管道开挖治理前的状态的步骤包括：
a.将管道平直放置于底床上方；
b.对管道两端施加残余张力估计值；
c.对管道加载浮力和重力，使其缓慢下落于底床之上；
d.记录此时管道的位形分布、内力分布和底床塑性变形。
5.如权利要求1所述的一种海底悬跨管道开挖治理模型确定方法，其特征在于，所述步骤六中，预测开挖治理后管道的位形和内力状态的步骤为：
a.由开挖治理方案中提取开挖治理起点与终点；
b.由施工方案确定开挖治理时冲沟深度沿管道路由的变化；
c.在动态管土耦合模型中改变底床高程，底床高程沿路由的变化应与开挖治理施工方案一致，并且高程变化速度应与高压水枪行进速度一致；
d.在底床高程变化过程中，管道在自重作用下会在开挖治理后的底床上达到新的平衡状态，待施工过程模拟结束，输出管道位形、内力、开挖治理后的底床高程分布及新的悬跨状态。
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