CN110826277B - 一种预测柔性或钢制悬链线型立管与海床土体相互作用所形成海沟长度与位置的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种预测柔性或钢制悬链线型立管与海床土体相互作用所形成海沟长度与位置的计算方法。在进行动态分析之前将海沟的相关参数确定下来并将其加入到有限元软件中，再进行整体动态分析将会节省大量的时间，同时，充分考虑了海沟对悬链线型立管疲劳寿命的影响，提高了悬链线型立管疲劳寿命评估的准确性。

Description

一种预测柔性或钢制悬链线型立管与海床土体相互作用所形 成海沟长度与位置的计算方法
技术领域
本发明属于海洋工程立管设计领域，具体是一种计算钢悬链线立管与海床相互作用所形成海沟长度与位置的方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
海底地层中蕴含丰富的石油与天然气资源，近年各大石油公司都将石油资源开发的目标投向了深海。近几年，柔性或钢制悬链线型立管(flexible or steel catenaryrisers,下文简称悬链线型立管)在深海油气输送领域中广泛使用。海洋中环境条件十分复杂，悬链线型立管面临着波浪、海流等多种环境荷载的作用，在这些荷载的作用下，悬链线型立管可能会发生疲劳失效破坏，造成巨大的经济损失、严重的环境破坏甚至人员伤亡，因此悬链线型立管的疲劳寿命评估至关重要，其中触地区域(Touchdown Zone,TDZ)的疲劳寿命预测是关键。在触地区域悬链线型立管与海床土体相互作用会形成海沟并且根据现场观测，海沟的最大深度在达到4-5倍的管径后趋于稳定。
在工程实际中，进行悬链线型立管的整体有限元分析时，触地区域的海床通常采用的是平坦海床，忽略了海沟对疲劳寿命的影响，这主要是因为在有限元软件中对于某一个海流方向模拟出一定深度的海沟需要很长的时间，显然不适合在工程中应用。
发明内容
为了节约时间，在工程设计上忽略了海沟的存在对悬链线型立管疲劳寿命的影响。如果在进行动态分析之前将海沟的相关参数确定下来并将其加入到有限元软件中，再进行整体动态分析将会节省大量的时间，因此，本申请提出一种在某海流方向下海沟长度和位置的计算方法。海沟的相关参数如图1所示。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种预测柔性或钢制悬链线型立管与海床土体相互作用所形成海沟长度与位置的计算方法，包括以下步骤：
1)建立悬链线型立管模型；
2)获取平坦海床时悬链线型立管触地点位置RTDP；
3)设置海流流向角度；
4)输入D1、D2的值；
5)计算D＝1/3(D1+D2)；
6)输入L1、L2的值；
7)计算L＝1/3(L1+L2)；
8)建立海沟模型；
9)采用有限元软件Orcaflex进行静态分析；
10)若属于区域A，判断L是否较上次收敛；
其中，对于L是否较上次收敛的判读结果，若是，则输出L和D；若否，则判定L2＝L，返回步骤5)；
11)若属于区域B，则D2＝D，并判断D是否较上次收敛，若是，则判定L1＝L，返回步骤5)；若否，则返回步骤7)；
12)若属于区域C，则D1＝D，并判断D是否较上次收敛，若是，则判定L1＝L，返回步骤5)；若否，则返回步骤7)；
其中，区域A为TDP在TBP和TMP之间；
区域B为TDP在TBP左边；
区域C为TDP在TMP右边；
L1和L2分别代表海沟长度的上下限，D1与D2分别表示TBP到RTDP距离的上下限；
TBP＝海沟起始位置点，RTDP＝平坦海床时悬链线型立管与海床的第一接触点，ΔTP＝TBP与RTDP的距离，TDP＝悬链线型立管与海沟的第一接触点，TMP＝海沟最深点，L＝海沟长度。
在一些实施例中，所述悬链线型立管模型如下图3所示，最上方红色长方体为浮式平台，蓝线代表海平面，绿曲线代表悬链线型立管，黄线代表海床，白线代表海床与悬链线型立管接触的部分。
在一些实施例中，所述获取平坦海床时悬链线型立管触地点位置RTDP的具体方法为：在Orcaflex中建立好悬链线型立管模型之后，进行静态分析，分析结束后，从Results菜单中选取触地点(Touchdown node)为对象，获取其坐标值，即得到RTDP。如下图4，RTDP的位置为446.0032m。
在一些实施例中，海流流向角度的选择范围是0-360°。
在一些实施例中，所述海沟模型采用三次指数方程为
Figure BDA0002262336520000031
表示海沟轮廓，其中，s为到TBP的距离，d(s)为在s位置处的海沟深度。
在一些实施例中，所述判断LT是否较上次收敛的方法为：本次-上次≦1。
在一些实施例中，所述判断△TP是否较上次收敛的方法为本次-上次≦1。
本发明的有益效果在于：
(1)本申请充分考虑了海沟对悬链线型立管疲劳寿命的影响，在进行动态分析之前将海沟的相关参数确定下来并将其加入到有限元软件中，再进行整体动态分析，既节省大量的时间，又提高了悬链线型立管疲劳寿命评估的准确性。
(2)本申请的计算方法简单、高效、重复性好，易于推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为海沟的相关参数。
图2为本申请的计算流程。
图3为实施例1的悬链线型立管模型；
图4为软件中获取的RTDP位置。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，针对目前工程设计上忽略了海沟的存在对悬链线型立管疲劳寿命的影响，以及模拟出一定深度的海沟需要很长的时间，不适合在工程中应用的问题。因此，本发明提出一种在某海流方向下海沟长度和位置的计算方法，包括以下步骤：
1)建立悬链线型立管模型；
2)获取平坦海床时悬链线型立管触地点位置RTDP；
3)设置海流流向角度；
4)输入D1、D2的值；
5)计算D＝1/3(D1+D2)；
6)输入L1、L2的值；
7)计算L＝1/3(L1+L2)；
8)建立海沟模型；
9)采用有限元软件Orcaflex进行静态分析；
10)若属于区域A，判断L是否较上次收敛；
其中，对于L是否较上次收敛的判读结果，若是，则输出L和D；若否，则判定L2＝L，返回步骤5)；
11)若属于区域B，则D2＝D，并判断D是否较上次收敛，若是，则判定L1＝L，返回步骤5)；若否，则返回步骤7)；
12)若属于区域C，则D1＝D，并判断D是否较上次收敛，若是，则判定L1＝L，返回步骤5)；若否，则返回步骤7)；
其中，区域A为TDP在TBP和TMP之间；
区域B为TDP在TBP左边；
区域C为TDP在TMP右边；
L1和L2分别代表海沟长度的上下限，D1与D2分别表示TBP到RTDP距离的上下限；
TBP＝海沟起始位置点，RTDP＝平坦海床时悬链线型立管与海床的第一接触点，ΔTP＝TBP与RTDP的距离，TDP＝悬链线型立管与海沟的第一接触点，TMP＝海沟最深点，L＝海沟长度。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
一种在某海流方向下海沟长度和位置的计算方法。海沟的相关参数如图1所示，
包括以下步骤：
1)建立悬链线型立管模型；
2)获取平坦海床时悬链线型立管触地点位置RTDP；
3)设置海流流向角度；
4)输入D1、D2的值；
5)计算D＝1/3(D1+D2)；
6)输入L1、L2的值；
7)计算L＝1/3(L1+L2)；
8)建立海沟模型；
9)采用有限元软件Orcaflex进行静态分析；
10)若属于区域A，判断L是否较上次收敛；
其中，对于L是否较上次收敛的判读结果，若是，则输出L和D；若否，则判定L2＝L，返回步骤5)；
11)若属于区域B，则D2＝D，并判断D是否较上次收敛，若是，则判定L1＝L，返回步骤5)；若否，则返回步骤7)；
12)若属于区域C，则D1＝D，并判断D是否较上次收敛，若是，则判定L1＝L，返回步骤5)；若否，则返回步骤7)；
TBP＝海沟起始位置点，RTDP＝平坦海床时悬链线型立管与海床的第一接触点，ΔTP＝TBP与RTDP的距离，TDP＝悬链线型立管与海沟的第一接触点，TMP＝海沟最深点，L＝海沟长度。
其中区域A为TDP在TBP和TMP之间。区域B为TDP在TBP左边。区域C为TDP在TMP右边。另外L1和L2分别代表海沟长度的上下限，D1与D2分别表示TBP到RTDP距离的上下限。用于表示海沟轮廓的三次指数方程为
Figure BDA0002262336520000071
其中s为到TBP的距离，d(s)为在s位置处的海沟深度，该计算方法中的静态分析需要使用商业有限元软件Orcaflex。
实施例2：
一种在某海流方向下海沟长度和位置的计算方法，包括以下步骤：
1)建立悬链线型立管模型；如下图3所示，最上方红色长方体为浮式平台，蓝线代表海平面，绿曲线代表悬链线型立管，黄线代表海床，白线代表海床与悬链线型立管接触的部分。
2)获取平坦海床时悬链线型立管触地点位置RTDP；在Orcaflex中建立好悬链线型立管模型之后，进行静态分析，分析结束后，从Results菜单中选取触地点(Touchdownnode)为对象，获取其坐标值，即得到RTDP。如下图4，RTDP的位置为446.0032m。
3)设置海流流向角度；
4)输入D1、D2的值；
5)计算D＝1/3(D1+D2)；
6)输入L1、L2的值；
7)计算L＝1/3(L1+L2)；
8)建立海沟模型；
9)采用有限元软件Orcaflex进行静态分析；
10)若属于区域A，判断L是否较上次收敛；
其中，对于L是否较上次收敛的判读结果，若是，则输出L和D；若否，则判定L2＝L，返回步骤5)；
11)若属于区域B，则D2＝D，并判断D是否较上次收敛，若是，则判定L1＝L，返回步骤5)；若否，则返回步骤7)；
12)若属于区域C，则D1＝D，并判断D是否较上次收敛，若是，则判定L1＝L，返回步骤5)；若否，则返回步骤7)；
其中，区域A为TDP在TBP和TMP之间；
区域B为TDP在TBP左边；
区域C为TDP在TMP右边；
L1和L2分别代表海沟长度的上下限，D1与D2分别表示TBP到RTDP距离的上下限；
TBP＝海沟起始位置点，RTDP＝平坦海床时悬链线型立管与海床的第一接触点，ΔTP＝TBP与RTDP的距离，TDP＝悬链线型立管与海沟的第一接触点，TMP＝海沟最深点，L＝海沟长度。
所述判断L是否较上次收敛的方法为：本次-上次≦1。
所述判断D是否较上次收敛的方法为:本次-上次≦1。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种预测柔性或钢制悬链线型立管与海床土体相互作用所形成海沟长度与位置的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立悬链线型立管模型；
2)获取平坦海床时悬链线型立管触地点位置RTDP；
3)设置海流流向角度；
4)输入D1、D2的值；
5)计算D＝1/3(D1+D2)；
6)输入L1、L2的值；
7)计算L＝1/3(L1+L2)；
8)建立海沟模型；
9)采用有限元软件Orcaflex进行静态分析；
10)若属于区域A，判断L是否较上次收敛；
其中，对于L是否较上次收敛的判读结果，若是，则输出L和D；若否，则判定L2＝L，返回步骤5)；
11)若属于区域B，则D2＝D，并判断D是否较上次收敛，若是，则判定L1＝L，返回步骤5)；若否，则返回步骤7)；
12)若属于区域C，则D1＝D，并判断D是否较上次收敛，若是，则判定L1＝L，返回步骤5)；若否，则返回步骤7)；
其中，区域A为TDP在TBP和TMP之间；
区域B为TDP在TBP左边；
区域C为TDP在TMP右边；
L1和L2分别代表海沟长度的上下限，D1与D2分别表示TBP到RTDP距离的上下限；
TBP＝海沟起始位置点，RTDP＝平坦海床时悬链线型立管与海床的第一接触点，ΔTP＝TBP与RTDP的距离，TDP＝悬链线型立管与海沟的第一接触点，TMP＝海沟最深点，L＝海沟长度。
2.如权利要求1所述的预测柔性或钢制悬链线型立管与海床土体相互作用所形成海沟长度与位置的计算方法，其特征在于，所述悬链线型立管模型中，最上方红色长方体为浮式平台，蓝线代表海平面，绿曲线代表悬链线型立管，黄线代表海床，白线代表海床与悬链线型立管接触的部分。
3.如权利要求1所述的预测柔性或钢制悬链线型立管与海床土体相互作用所形成海沟长度与位置的计算方法，其特征在于，所述获取平坦海床时悬链线型立管触地点位置RTDP的具体方法是：在Orcaflex中建立好悬链线型立管模型之后，进行静态分析，分析结束后，从Results菜单中选取触地点Touchdown node为对象，获取其坐标值，即得到RTDP。
4.如权利要求1所述的预测柔性或钢制悬链线型立管与海床土体相互作用所形成海沟长度与位置的计算方法，其特征在于，所述海流流向角度的选择范围是0-360°。
5.如权利要求1所述的预测柔性或钢制悬链线型立管与海床土体相互作用所形成海沟长度与位置的计算方法，其特征在于，所述海沟模型采用三次指数方程为
Figure FDA0002262336510000021
表示海沟轮廓，其中，s为到TBP的距离，d(s)为在s位置处的海沟深度。
6.如权利要求1所述的预测柔性或钢制悬链线型立管与海床土体相互作用所形成海沟长度与位置的计算方法，其特征在于，所述判断L是否较上次收敛的方法为：本次-上次≦1。
7.如权利要求1所述的预测柔性或钢制悬链线型立管与海床土体相互作用所形成海沟长度与位置的计算方法，其特征在于，所述判断D是否较上次收敛的方法为本次-上次≦1。
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深水钢悬链线立管疲劳寿命计算方法;王宴滨等;《应用力学学报》;20160430(第02期);全文 *

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