CN108804817A - 一种钢悬链线立管触地疲劳不确定性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢悬链线立管触地疲劳不确定性分析方法：构建钢悬链线立管系统进行立管疲劳分析；引入Morris方法进行立管触地点疲劳损伤的敏感性分析；采用蒙特卡洛方法模拟研究触地点疲劳寿命不确定性。本发明提高了钢悬链线立管触地点疲劳分析精度，使钢悬链线立管的分析设计更加符合工程实际情况。

Description

一种钢悬链线立管触地疲劳不确定性分析方法

技术领域

本发明属于深海立管研究技术，更具体的说，是涉及一种钢悬链线立管触地疲劳不确定性分析方法。

背景技术

立管用于连接海面浮体与海底井口、运送油气资源，是深海油气开发的关键设备，具有不可替代的作用。随着水深增加，立管系统建造、安装成本与难度迅速变大，合理的深海立管解决方案成为深海油气开发领域的重要问题。

钢悬链线立管(SCR)作为一种新型立管，在成本、工作水深、顺应性方面具有独特的优势，已经得到广泛运用；另一方面，钢悬链线立管非线性动力特性明显，其设计、建造、安装和安全工作也面临新的挑战。疲劳损伤是限制钢悬链线立管的广泛应用的重要因素，钢悬链线立管疲劳损伤主要来自以下几个方面：波浪直接作用引起的疲劳；水面浮体运动引起的疲劳；海流作用下的涡激震动(VIV)引起的疲劳；海流作用下涡激浮体运动(VIM)引起的疲劳；以及安装时产生疲劳问题。

由于所在海域不同，浮体结构类型不同等因素的影响，来自不同方面的钢悬链线立管疲劳损伤所占的比重就不同。在工作状态时，沿着钢悬链线立管的长度疲劳损伤因其所处位置而各异，一般受到损伤最严重的位置是在顶部立管和浮体的连接处和钢悬链线立管开始和海底接触的部位(触地点，touch down point)。其中钢悬链线立管触地点处的疲劳损伤又尤其严重，现行的关于触地点处疲劳损伤计算方法做了大量假设。但是过于保守的疲劳损伤算法给钢悬链线立管的设计带来更大的挑战。关于钢悬链线立管触地点疲劳计算方法的过于保守和不确定性已经有所研究。但是，以往研究工作或是从试验的角度来研究钢悬链线立管和土壤的相互作用及对疲劳的影响，或是针对钢悬链线立管疲劳寿命不确定性中的个别因素进行了理论分析，尚未见到关于钢悬链线立管疲劳寿命不确定性的全面系统理论研究。由于深海环境具有很强的随机性，而海床土壤又具有很强的不确定性，这些环境条件与立管自身材料和建造的偶然性，一起决定了立管触地点疲劳问题的复杂性。这些问题具体表现为：

1)深海环境远远复杂于陆地和近海环境。靠近水面的区域更多地受到波浪浪影响，而海床处则可能受到复杂的海流影响。复杂海况下立管触地点动力响应是研究热点。

2)海床土壤存在非线性反力和吸力，同时涉及到大变形问题，所以模拟钢悬链线立管的真实状态十分困难。特别是触地点区域，立管随时间嵌入或拔出海床，海床刚度发生退化，且土壤作用力随嵌入深度和速度变化。准确模拟管土作用是研究难点。

3)影响触地点疲劳寿命因素众多，包括水动力系数、土壤特性等，特别是浮体的二阶慢漂运动，会显著改变立管触地点。如何对参数重要性排名还需要进行敏感性分析。

4)影响立管触地点疲劳寿命的众多因素包含强烈不确定性，输入参数不确定性对疲劳结果的影响需要通过不确定性分析获得。疲劳寿命确定性分析和不确定性分析异同还需更多探讨。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种钢悬链线立管触地疲劳不确定性分析方法，从而提高钢悬链线立管触地点疲劳分析精度，使钢悬链线立管的分析设计更加符合工程实际情况。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的钢悬链线立管触地疲劳不确定性分析方法，包括以下步骤：

步骤一，构建钢悬链线立管系统进行立管疲劳分析：

分别建立立管与FPSO耦合模型和包含吸力的非线性土壤模型，对立管触地点处的管土作用进行静力分析，得到嵌入土壤深度时程曲线、土壤作用力时程曲线、包含不同运动循环次数的位移-作用力曲线，对立管进行整体水动力分析，得到特征载荷时程曲线和触地点处应力最值分布，结合静力分析和水动力分析的结果对立管进行疲劳分析；

步骤二，引入Morris方法进行立管触地点疲劳损伤的敏感性分析：

根据Morris方法选择n个输入参数，组成一个n维的超级立方体，采用Matlab进行矩阵运算，获得一条计算轨道，使用OrcaFlex构造n+1个模型，每个模型的输入参数就是矩阵中的任意一行，分别求得n个输入参数的基本单元，计算各输入参数的基本单元的均值μ、标准差σ、绝对值均值μ^*，并根据单元值均值-标准差和绝对值均值-标准差两个衡量标准计算得到输入参数对立管触地点疲劳寿命影响重要性排名；

步骤三，采用蒙特卡洛方法模拟研究触地点疲劳寿命不确定性：

基于拉丁超立方抽样技术，使用风险分析软件@Risk对敏感性分析中的n个输入参数各抽样m次，用抽样得到的输入参数的组合构造m个计算模型，对每个计算模型分别进行不规则波时域分析，统计每组输入参数下触地区疲劳特征，对触地区中每个节点疲劳寿命进行数据统计，给出累计概率密度曲线，得到疲劳失效概率沿立管长度分布。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明新型非线性土壤模型分析立管触地点管土作用。

(2)本发明将Morris方法引入立管触地点疲劳敏感性分析，突破了产生基本单元所需的矩阵运算和抽样还原方法，经过较少的运算得出了参数重要性，将疲劳寿命影响因素从众多参数中抽取出来，直接祛除次要因素，避免次要因素引起主要失误。

(3)本发明引入蒙特卡洛法并基于拉丁超立方抽样技术进行抽样研究了触地点疲劳寿命不确定性。蒙特卡洛模拟结果与确定性方法对比，地得出了诸如慢漂、管内密度变化、海生物附着等对触地点寿命的影响。

附图说明

图1是本发明的主要技术流程图；

图2是非线性土壤位移-作用力曲线图；

图3是本发明实施例计算出的失效概率沿立管长度分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的钢悬链线立管触地疲劳不确定性分析方法，如图1所示，具体流程如下：

步骤一，构建钢悬链线立管系统进行立管疲劳分析：

根据不确定性因素(包括不规则海洋波浪、非线性洋流、浮体一阶与高阶运动等)分别建立立管与FPSO耦合模型和包含吸力的非线性土壤模型，构成钢悬链线立管系统。根据上述两个模型对立管触地点处的管土作用进行静力分析，得到嵌入土壤深度时程曲线、土壤作用力时程曲线、包含不同运动循环次数的位移-作用力曲线。根据上述两个模型对立管进行整体水动力分析，得到特征载荷时程曲线和触地点处应力最值分布。结合上述静力分析和水动力分析的结果对立管进行疲劳分析，得出疲劳沿立管分布形式。

步骤二，引入Morris方法进行立管触地点疲劳损伤的敏感性分析：

根据Morris方法选择n个输入参数，作为立管触地区疲劳敏感性分析参数，组成一个n维的超级立方体，超级立方体每条边代表一个输入参数，每个边都是单位长度。依据Morris方法步骤，采用Matlab进行矩阵运算，获得一条计算轨道，使用OrcaFlex构造n+1个模型，每个模型的输入参数就是矩阵中的任意一行，分别求得n个输入参数的基本单元。根据Morris方法计算各输入参数的基本单元的均值μ、标准差σ、绝对值均值μ^*，并根据单元值均值-标准差和绝对值均值-标准差两个衡量标准，计算得到输入参数对立管触地点疲劳寿命影响重要性排名。

步骤三，采用蒙特卡洛方法模拟研究触地点疲劳寿命不确定性：

蒙特卡洛模拟需要已知各输入参数的分布形式和统计特征中的均值、标准差，可根据DNV规范获得。基于拉丁超立方抽样技术，使用风险分析软件@Risk对敏感性分析中的n个输入参数各抽样m次，用抽样得到的输入参数的组合构造m个计算模型，对每个计算模型分别进行不规则波时域分析，统计每组输入参数下触地区疲劳特征，对触地区中每个节点疲劳寿命进行数据统计，给出累计概率密度曲线等结果，最后得到疲劳失效概率沿立管长度分布。

蒙特卡洛模拟中的目标函数是输入变量的函数，n个输入参数与疲劳寿命的关系可表达为：

y_fatigue＝g(x₁,x₂,...,x_n) (1)

其中，y_fatigue是疲劳寿命，x₁,x₂,...,x_n是n个输入参数。

具体实施例：

建立特定波浪谱和典型土壤参数下立管与FPSO耦合模型，统计得出短期海况下触地点位置分布概率密度函数和累计概率函数，得出触地点位置90％置信区间；建立包含吸力的非线性土壤模型，如图2所示；构成钢悬链线立管系统。根据上述两个模型对立管触地点处的管土作用进行静力分析，得到嵌入土壤深度时程曲线、土壤作用力时程曲线，并且给出包含不同运动循环次数的位移-作用力曲线。根据上述两个模型对立管进行整体水动力分析，得到特征载荷时程曲线和触地点处应力最值分布。结合上述静力分析和水动力分析的结果对立管进行疲劳分析，得出疲劳沿立管分布形式。

应用Morris方法开展钢悬链线立管触地点疲劳损伤的敏感性分析。根据规范选择浮体慢漂、立管拖曳力系数、附加质量系数、立管外径、海生物附着、管内流体密度等14个输入参数(如表1所示)作为立管触地区疲劳敏感性分析参数，组成一个14维的超级立方体。超级立方体每条边代表一个输入参数，每个边都是单位长度。其中，选择抽样水平p＝20，轨道数量r＝50。令△为预先设定的1/(p-1)的倍数，所以Δ＝p/[2(p-1)]＝10/19，基向量x^*从{0,1/(p-1),2/(p-1),...,1-Δ}＝{0,1/19,2/19,...,9/19}中随机抽取产生。

依据Morris方法步骤，采用Matlab编程进行矩阵运算，获得一条计算轨道，使用OrcaFlex构造15个模型，每个模型的输入参数就是矩阵中的任意一行，经过750次运算，分别求得14个输入参数的基本单元。根据Morris方法计算各输入参数的基本单元的均值μ、标准差σ、绝对值均值μ^*，并根据单元值均值-标准差和绝对值均值-标准差两个衡量标准，计算得到这些输入参数对立管触地点疲劳寿命影响重要性排名，发现浮体漂移和土壤特性对疲劳影响最大。

引入不确定性分析中的蒙特卡洛方法，研究触地点疲劳寿命不确定性。蒙特卡洛模拟需要已知各输入参数的分布形式和统计特征中的均值、标准差。根据DNV规范，所选的14个输入参数的分布形式和统计特征见表1。

表1参数分布形式和统计特征

编号	变量	分布	均值	标准差
					1	FPSO面内偏移	normal	0m	5m
2	FPSO面外偏移	Normal	0m	5m
					3	拖曳力系数	Lognormal	0.8	0.2
4	附加质量系数	Lognormal	0.8	0.1
					5	立管外径	Normal	0.232	0.464mm
6	海床土壤剪切强度	Lognormal	2.6kPa	1kPa
					7	土壤剪切梯度	Lognormal	1.4kPa/m	1kPa/m
8	土壤饱和密度	Lognormal	1.5t/m3	0.1t/m3
					9	土壤吸力系数fsuc	Beta	0.4	0.132
10	土壤吸力衰减系数	Beta	0.5	0.1342
					11	土壤再嵌入参数	Beta	0.55	0.201
12	管内流体密度	Normal	0.89t/m3	0.06t/m3
					13	海生物附着厚度	Normal	100mm	0.05
14	海生物附着密度	Normal	1.325t/m3	0.15t/m3

基于拉丁超立方抽样技术进行抽样，使用风险分析软件@Risk对敏感性分析中的14个输入参数各抽样5000次，然后用抽样得到的输入参数的组合构造5000个计算模型，对每个模型分别进行不规则波时域分析。输入参数抽样均值和方差见表2，与总体均值和方差相比，抽样5000次已经能够很好地模拟总体的分布特征。

表2参数抽样均值和方差

蒙特卡洛模拟计算立管触地区疲劳时考虑了全年海域的方向性，出于简化目的，选择波浪方向为0°、90°和180°，每个方向出现概率相等，这样就涵盖了浮体向近地点运动、远地点运动和面外运动。每个方向下的模型参数是一样的，即一组输入参数构成的立管系统分别进行三个方向的时域分析，然后计算三个方向下的累计疲劳。最后统计每组输入参数下触地区疲劳特征，对触地区中的每个节点疲劳寿命进行数据统计。

鉴于输入参数的不确定性，每个位置的疲劳寿命都是不确定的，其疲劳寿命是一个变化范围，每个数值对应一定概率。若立管设计寿命为20年，则不同位置的疲劳失效对应不同概率。沿立管长度方向几个特征位置的疲劳概率分布如表3所示。对立管不同位置，相同的抽样其收敛性不相同：触地点集中区域收敛性差，远离触地点位置收敛性好。这是由于触地点管土作用过程复杂，非线性强，因而收敛性差。

表3沿立管长度方向几个特征位置的疲劳概率

最后得到疲劳失效概率沿立管长度分布，如图3所示。这种分析更加符合工程实际，每个点的失效都是概率事件，而不是确定的。结合实际工程中海况和土壤条件，可以求得疲劳寿命和失效概率沿立管长度分布，这对立管安全和设计建造具有指导作用。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种钢悬链线立管触地疲劳不确定性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，构建钢悬链线立管系统进行立管疲劳分析：

分别建立立管与FPSO耦合模型和包含吸力的非线性土壤模型，构成钢悬链线立管系统，对立管触地点处的管土作用进行静力分析，得到嵌入土壤深度时程曲线、土壤作用力时程曲线、包含不同运动循环次数的位移-作用力曲线，对立管进行整体水动力分析，得到特征载荷时程曲线和触地点处应力最值分布，结合静力分析和水动力分析的结果对立管进行疲劳分析；

步骤二，引入Morris方法进行立管触地点疲劳损伤的敏感性分析：

根据Morris方法选择n个输入参数，组成一个n维的超级立方体，采用Matlab进行矩阵运算，获得一条计算轨道，使用OrcaFlex构造n+1个模型，每个模型的输入参数就是矩阵中的任意一行，分别求得n个输入参数的基本单元，计算各输入参数的基本单元的均值μ、标准差σ、绝对值均值μ^*，并根据单元值均值-标准差和绝对值均值-标准差两个衡量标准计算得到输入参数对立管触地点疲劳寿命影响重要性排名；

步骤三，采用蒙特卡洛方法模拟研究触地点疲劳寿命不确定性：

基于拉丁超立方抽样技术，使用风险分析软件@Risk对敏感性分析中的n个输入参数各抽样m次，用抽样得到的输入参数的组合构造m个计算模型，对每个计算模型分别进行不规则波时域分析，统计每组输入参数下触地区疲劳特征，对触地区中每个节点疲劳寿命进行数据统计，给出累计概率密度曲线，得到疲劳失效概率沿立管长度分布。