CN111504244A - 海底管道在位状态的检测方法及检测系统 - Google Patents

海底管道在位状态的检测方法及检测系统 Download PDF

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CN111504244A CN201910093776.5A CN201910093776A CN111504244A CN 111504244 A CN111504244 A CN 111504244A CN 201910093776 A CN201910093776 A CN 201910093776A CN 111504244 A CN111504244 A CN 111504244A
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刘锦昆
冯春健
张先锋
蒋习民
陈同彦
王保计
徐辉
邵怀海
高文
季文峰
王林燕
崔书杰
杨东方
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China Petroleum and Chemical Corp
Sinopec Oilfield Service Corp
Sinopec Petroleum Engineering Corp
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China Petroleum and Chemical Corp
Sinopec Oilfield Service Corp
Sinopec Petroleum Engineering Corp
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种海底管道在位状态的检测方法及检测系统，其中该检测方法包括：确定需要进行在位状态检测的一段海底管道被测段；沿海底管道被测段水平间隔一测量距离以测取海底管道被测段的数个三维坐标；分别确定各三维坐标在同一水平面以及同一垂直面上的曲率；分别确定各三维坐标在同一水平面以及同一垂直面上的弯曲应变；与依据所获取的海底管道被测段特性参数确定的海底管道被测段的横截面设计允许应变进行比较，判断海底管道被测段的在位状态；本发明可对海底管道在位状态进行检测，且不受挖沟下沉深度不均匀、地基下沉、侧向滑移等因素影响，可为定量评估海底管道健康状态及制定海底管道隐患治理方案提供基础性数据。

Description

海底管道在位状态的检测方法及检测系统
技术领域
本发明涉及海底管道结构工程领域，尤其是涉及一种海底管道在位状态的检测方法及检测系统。
背景技术
海底管道敷设至海床后，受海床起伏、挖沟下沉不均、波流作用等影响，管道在垂直向和水平向都会发生弯曲变形。目前，海底管道的在位形态预测都是以海床面形态为基础，采用有限单元法进行海底管道应变预测，该有限单元法是以海床面的高低起伏为约束边界条件，利用海底管道所受荷载、管道刚度、变形三者之间的力学对应关系，求解得出与海床面形态相适应的应变状态。但是，该有限单元法通常需要提前获知管道所承受的荷载或强制位移及其变形历程，因此，只能应用于海底管道挖沟埋设前的力学状态分析。当海底管道埋设后，由于很难考虑其横向变形，并且受挖沟下沉深度不均匀、地基下沉、侧向滑移等影响，有限单元法对于海底管道在位形态测量的准确性差强人意。
发明内容
针对相关技术中仅能预测海底管道的应变状态而无法分析海底管道挖沟埋设后海底管道的在位状态的技术问题，本发明提供了一种海底管道在位状态的检测方法及检测系统。
为达成上述目的，本技术方案提供了一种海底管道在位状态的检测方法，其步骤包括：确定需要进行在位状态检测的一段海底管道被测段；沿海底管道被测段水平间隔一测量距离以测取海底管道被测段的数个三维坐标；分别确定各三维坐标在同一水平面上的曲率以及在同一垂直面上的曲率；依据各所述三维坐标在同一水平面上的曲率以及在同一垂直面上的曲率，分别确定各三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变；依据所获取的海底管道被测段的特性参数确定海底管道被测段的横截面设计允许应变；将各三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变分别与海底管道被测段的横截面设计允许应变进行比较，以判断海底管道被测段的在位状态。
作为本技术方案的另一种实施，通过单波束或多波束测取海底管道被测段的数个三维坐标。
作为本技术方案的另一种实施，通过三次样条函数分别确定各三维坐标在同一水平面上的曲率以及在同一垂直面上的曲率。
作为本技术方案的另一种实施，通过三次样条函数确定各三维坐标在同一水平面上的曲率，其方法包含：
计算第i个三维坐标在同一水平面上的坐标(xi,yi)的二阶导数MH,i，其中i≥1，计算方法为：
Figure BDA0001963995920000021
其中hH,i＝xi-xi-1，
Figure BDA0001963995920000022
dH,i＝6f[xH,i-1,xH,i,xH,i+1]；
计算第i个三维坐标在同一水平面上的坐标(xi,yi)的一阶导数mH,i，其中i≥1，计算方法为：
Figure BDA0001963995920000023
计算第i个三维坐标在同一水平面上的曲率κH,i，
计算方法为：
Figure BDA0001963995920000024
通过三次样条函数确定各三维坐标在同一垂直面上的曲率，其方法包含：
计算第i个三维坐标在同一垂直面上的坐标(Li,Zi)的二阶导数MV,i，其中Li为第i个三维坐标距离海底管道被测段的起点的长度，Zi为第i个三维坐标相对于海底管道被测段的起点的垂直变化量，i≥1，
计算方法为：
Figure BDA0001963995920000025
其中hv,i＝Li-Li-1，
Figure BDA0001963995920000026
dv,i＝6f[Lv,i-1,Lv,i,Lv,i+1]；
计算第i个三维坐标在同一垂直面上的坐标(Li,Zi)的一阶导数mv,i，其中i≥1，计算方法为：
Figure BDA0001963995920000031
计算第i个三维坐标在同一垂直面上的曲率κV,i，
计算方法为：
Figure BDA0001963995920000032
作为本技术方案的另一种实施，分别确定各三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变的具体方法为，计算第i个三维坐标在同一水平面上的弯曲应变εH,i,计算方法为：
Figure BDA0001963995920000033
计算第i个三维坐标在同一垂直面上的弯曲应变εv,i,计算方法为：
Figure BDA0001963995920000034
式中，D为海底管道被测段的外径。
作为本技术方案的另一种实施，依据所获取的海底管道被测段的特性参数确定海底管道被测段的横截面设计允许应变的方法为：
Figure BDA0001963995920000035
其中
Figure BDA0001963995920000036
式中εd为海底管道被测段的横截面设计允许应变，特性参数包括：γε为应变抗力因子，t2为考虑腐蚀后的管道壁厚，D为海底管道被测段的外径，σh为管道环形应力，Fy为管道最下屈服强度，αh为管道屈强比，αgw为对接焊缝系数。
作为本技术方案的另一种实施，判断海底管道被测段的在位状态的方法为：当第i个三维坐标在同一水平面上或者在同一垂直面上的弯曲应变大于海底管道被测段的横截面设计允许应变时，其中i≥1，则第i个三维坐标所表示的管道段为不健康状态，否则第i个三维坐标所表示的管道段为健康状态。
为达成上述目的，本技术方案还提供了一种海底管道在位状态的检测系统，包括：测量装置、存储器、输入装置、处理器以及存储在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，其中测量装置与处理器电性连接，用以测取海底管道被测段的数个三维坐标；输入装置与处理器电性连接，用以输入海底管道被测段的特性参数；处理器执行计算机程序时实现以下步骤：分别确定各三维坐标在同一水平面上的曲率以及在同一垂直面上的曲率；依据各三维坐标在同一水平面上的曲率以及在同一垂直面上的曲率，分别确定各三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变；依据海底管道被测段的特性参数确定海底管道被测段的横截面设计允许应变；将各三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变分别与海底管道被测段的横截面设计允许应变进行比较，以判断海底管道被测段的在位状态。
作为本技术方案的另一种实施，测量装置是通过单波束或多波束测取海底管道被测段的数个三维坐标。
作为本技术方案的另一种实施，还包括输出装置，用以输出海底管道被测段的横截面设计允许应变及/或海底管道被测段各三维坐标在同一水平面及同一垂直面上的曲率及/或弯曲应变及/或在位状态。
本技术方案是以海底管道在位状态下的三维坐标为基础，分别求出海底管道在水平面和垂直面的弯曲曲率，进而得出海底管道在水平面和垂直面的弯曲应变，从而准确地反映海底管道的变形情况以及应力应变水平，本技术方案的海底管道在位状态的检测方法及检测系统可对敷设或埋设的海底管道在位状态进行实时检测，并且检测过程与结果不受挖沟下沉深度不均匀、地基下沉、侧向滑移等因素的影响，通过本技术方案检测的海底管道的在位状态可为定量评估海底管道的健康状态以及制定海底管道隐患治理方案提供重要的基础性数据。
附图说明
图1为本发明海底管道在位状态的检测方法的步骤流程图。
图2为本发明海底管道在位状态的检测系统的装置结构图。
附图中的标注符号说明：
101测量装置；102输入装置；103处理器。
具体实施方式
有关本发明的详细说明及技术内容，配合图式说明如下，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
本发明提供了一种以海底管道在位状态下的三维坐标为检测基础的海底管道在位状态的检测方法，其是通过三次样条函数分别求出海底管道在水平面和垂直面的弯曲曲率，进而得出海底管道在水平面和垂直面的弯曲应变，再结合海底管道被测段的横截面设计允许应变进行分析，从而准确地反映海底管道的变形情况以及应力应变水平。
如图1所示，为本发明海底管道在位状态的检测方法的一实施例，其步骤包括：
步骤S1：确定需要进行在位状态检测的一段海底管道被测段；
步骤S2：沿海底管道被测段水平间隔一测量距离以测取海底管道被测段的数个三维坐标，其中该测量距离可以不相等，也可以相等；
步骤S3：分别确定各三维坐标在同一水平面上的曲率以及在同一垂直面上的曲率；
步骤S4：依据各所述三维坐标在同一水平面上的曲率以及在同一垂直面上的曲率，分别确定各三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变；
步骤S5：依据所获取的海底管道被测段的特性参数确定海底管道被测段的横截面设计允许应变；在本发明中，依据特性参数确定海底管道被测段的横截面设计允许应变的步骤可以在判断海底管道被测段的在位状态的步骤前的任意步骤中执行。
步骤S6：将各三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变分别与海底管道被测段的横截面设计允许应变进行比较，以判断海底管道被测段的在位状态。
本发明中计算各三维坐标在同一水平面以及同一垂直面上的曲率是应用三次样条函数计算的，其具体为，通过三次样条函数确定各三维坐标在同一水平面上的曲率，其方法包含：
计算第i个三维坐标在同一水平面上的坐标(xi,yi)的二阶导数MH,i，其中i≥1，计算方法为：
Figure BDA0001963995920000051
其中hH,i＝xi-xi-1，
Figure BDA0001963995920000052
dH,i＝6f[xH,i-1,xH,i,xH,i+1]；
计算第i个三维坐标在同一水平面上的坐标(xi,yi)的一阶导数mH,i，其中i≥1，计算方法为：
Figure BDA0001963995920000053
计算第i个三维坐标在同一水平面上的曲率κH,i，计算方法为：
Figure BDA0001963995920000054
通过三次样条函数计算各三维坐标在同一垂直面上的曲率，其方法包含：
计算第i个三维坐标在同一垂直面上的坐标(Li,Zi)的二阶导数MV,i，其中Li为第i个三维坐标距离海底管道被测段的起点的长度，Zi为第i个三维坐标相对于海底管道被测段的起点的垂直变化量，i≥1，计算方法为：
Figure BDA0001963995920000061
其中hv,i＝Li-Li-1，
Figure BDA0001963995920000062
dv,i＝6f[Lv,i-1,Lv,i,Lv,i+1]；
计算第i个三维坐标在同一垂直面上的坐标(Li,Zi)的一阶导数mv,i，其中i≥1，计算方法为：
Figure BDA0001963995920000063
计算第i个三维坐标在同一垂直面上的曲率κV,i，计算方法为：
Figure BDA0001963995920000064
本发明中分别确定各三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变的方法为：计算第i个三维坐标在同一水平面上的弯曲应变εH,i,计算方法为：
Figure BDA0001963995920000065
计算第i个三维坐标在同一垂直面上的弯曲应变εv,i,计算方法为：
Figure BDA0001963995920000066
式中，D为海底管道被测段的外径。
本发明中依据海底管道被测段的特性参数确定海底管道被测段的横截面设计允许应变的方法是根据《海底管线系统》(SY/T 10037-2010)得到的，其方法为：
Figure BDA0001963995920000067
其中
Figure BDA0001963995920000068
式中εd为海底管道被测段的横截面设计允许应变，其中特性参数包括：γε为应变抗力因子，t2为考虑腐蚀后的管道壁厚，D为海底管道被测段的外径，σh为管道环形应力，Fy为管道最下屈服强度，Δh为管道屈强比，αgw为对接焊缝系数。
本发明中判断海底管道被测段的在位状态的具体方法为：当第i个三维坐标在同一水平面上或者在同一垂直面上的弯曲应变大于海底管道被测段的横截面设计允许应变时，其中i≥1，则第i个三维坐标所表示的管道段为不健康状态，否则第i个三维坐标所表示的管道段为健康状态。
如图2所示，为本发明的另一实施例，一种海底管道在位状态的检测系统，包括：测量装置101、存储器(图未标示)、输入装置102、处理器103以及存储在存储器上并能够在处理器103上运行的计算机程序，其中测量装置101与处理器103电性连接，用以测取海底管道被测段的数个三维坐标；输入装置102与处理器103电性连接，用以输入海底管道被测段的特性参数；处理器103执行计算机程序时实现以下步骤：分别确定各三维坐标在同一水平面上的曲率以及在同一垂直面上的曲率；依据各三维坐标在同一水平面上的曲率以及在同一垂直面上的曲率，分别确定各三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变；依据海底管道被测段的特性参数确定海底管道被测段的横截面设计允许应变；将各三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变分别与海底管道被测段的横截面设计允许应变进行比较，以判断海底管道被测段的在位状态。
本发明中的测量装置101选自安装于测量载具(测量船)底部的测量装置，其通过水平间隔一测量距离(测量船沿海底管道方向行驶间隔不相同或相同的距离)发射单波束或多波束以测取海底管道被测段的数个(i个)三维坐标(Xi、Yi、Zi)，其中海底管道被测段的起点(起测点，i＝0)的三维坐标可定义为(0、0、0)。本发明也可采用其它测量方法测取海底管道的三维坐标，如磁力测量法、超低频电磁定位技术、GPS/INS组合定位技术等，目前，对于海底管道的测量、测绘、建模等技术已较为成熟，于本发明中，此部分技术不再赘述。
本发明中的输入装置102用以输入用于确定海底管道被测段的横截面设计允许应变以及管道段弯曲应变的特性参数，该输入装置102可以为键盘、触摸板或触摸屏、数据输入端口等，本发明对此不进行限定。该特性参数包括：γε为应变抗力因子，t1为考虑腐蚀后的管道壁厚，D为海底管道被测段的外径，σh为管道环形应力，Fy为管道最下屈服强度，αh为管道屈强比，αgw为对接焊缝系数。
本发明还可以进一步包括输出装置(图未标示)，以将处理器103运算得出的海底管道被测段各三维坐标在同一水平面及同一垂直面上的曲率及/或弯曲应变及/或在位状态，及/或海底管道被测段的横截面设计允许应变进行输出，该输出装置可为显示装置、打印装置、移动终端等，本发明对此不进行限定。
以下通过本发明所测量的中国某沿海区域某海底管道的一段数据来说明依据本发明所测量的结果。海底管道被测段的钢管规格为762mm×17.5mm，钢管材质为API X60，钢材的屈服强度为415MPa。该海底管道被测段中的一段测量坐标如下：
Figure BDA0001963995920000081
海底管道被测段中的该段管道的曲率及弯曲应变见下表：
Figure BDA0001963995920000082
根据海底管道被测段的特性参数，当前状态下，海底管道被测段的横截面设计允许应变为2.6‰，由此可知，该海底管道被测段中的该段管道的弯曲应变在设计允许范围内。
本发明的海底管道在位状态的检测方法及检测系统可为定量评估海底管道的健康状态，以及为海底管道完整性管理和制定隐患治理方案提供重要基础性数据。
以上仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的专利范围，其他运用本发明的专利构思所做的等效变化，均应属于本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种海底管道在位状态的检测方法，其特征在于，步骤包括：
确定需要进行在位状态检测的一段海底管道被测段；
沿所述海底管道被测段水平间隔一测量距离以测取所述海底管道被测段的数个三维坐标；
分别确定各所述三维坐标在同一水平面上的曲率以及在同一垂直面上的曲率；
依据各所述三维坐标在同一水平面上的曲率以及在同一垂直面上的曲率，分别确定各所述三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变；
依据所获取的所述海底管道被测段的特性参数确定所述海底管道被测段的横截面设计允许应变；
将各所述三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变分别与所述海底管道被测段的横截面设计允许应变进行比较，以判断所述海底管道被测段的在位状态。
2.根据权利要求1所述的海底管道在位状态的检测方法，其特征在于，通过单波束或多波束测取所述海底管道被测段的数个三维坐标。
3.根据权利要求1所述的海底管道在位状态的检测方法，其特征在于，通过三次样条函数分别确定各所述三维坐标在同一水平面上的曲率以及在同一垂直面上的曲率。
4.根据权利要求3所述的海底管道在位状态的检测方法，其特征在于，通过三次样条函数确定各所述三维坐标在同一水平面上的曲率，其方法包含：
计算第i个三维坐标在同一水平面上的坐标(xi,yi)的二阶导数MH,i，其中i≥1，
计算方法为：
Figure FDA0001963995910000011
其中hH,i＝xi-xi-1，
Figure FDA0001963995910000012
dH,i＝6f[xH,i-1,xH,i,xH,i+1]；
计算第i个三维坐标在同一水平面上的坐标(xi,yi)的一阶导数mH,i，其中i≥1，
计算方法为：
Figure FDA0001963995910000013
计算第i个三维坐标在同一水平面上的曲率κH,i，
计算方法为：
Figure FDA0001963995910000021
通过三次样条函数确定各所述三维坐标在同一垂直面上的曲率，其方法包含：
计算第i个三维坐标在同一垂直面上的坐标(Li,Zi)的二阶导数MV,i，其中Li为第i个三维坐标距离所述海底管道被测段的起点的长度，Zi为第i个三维坐标相对于所述海底管道被测段的起点的垂直变化量，i≥1，
计算方法为：
Figure FDA0001963995910000022
其中hv,i＝Li-Li-1，
Figure FDA0001963995910000023
dv,i＝6f[Lv,i-1,Lv,i,Lv,i+1]；
计算第i个三维坐标在同一垂直面上的坐标(Li,Zi)的一阶导数mv,i，其中i≥1，
计算方法为：
Figure FDA0001963995910000024
计算第i个三维坐标在同一垂直面上的曲率κV,i，
计算方法为：
Figure FDA0001963995910000025
5.根据权利要求4所述的海底管道在位状态的检测方法，其特征在于，分别确定各所述三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变的具体方法为，计算第i个三维坐标在同一水平面上的弯曲应变εH,i,计算方法为：
Figure FDA0001963995910000026
计算第i个三维坐标在同一垂直面上的弯曲应变εv,i,计算方法为：
Figure FDA0001963995910000031
式中，D为所述海底管道被测段的外径。
6.根据权利要求1所述的海底管道在位状态的检测方法，其特征在于，依据所获取的所述海底管道被测段的特性参数确定所述海底管道被测段的横截面设计允许应变的方法为：
Figure FDA0001963995910000032
其中
Figure FDA0001963995910000033
式中εd为所述海底管道被测段的横截面设计允许应变，所述特性参数包括：γε为应变抗力因子，t2为考虑腐蚀后的管道壁厚，D为所述海底管道被测段的外径，σh为管道环形应力，Fy为管道最下屈服强度，αh为管道屈强比，αgw为对接焊缝系数。
7.根据权利要求1所述的海底管道在位状态的检测方法，其特征在于，判断所述海底管道被测段的在位状态的方法为：当第i个三维坐标在同一水平面上或者在同一垂直面上的弯曲应变大于所述海底管道被测段的横截面设计允许应变时，其中i≥1，则所述第i个三维坐标所表示的管道段为不健康状态，否则所述第i个三维坐标所表示的管道段为健康状态。
8.一种海底管道在位状态的检测系统，包括：测量装置、存储器、输入装置、处理器以及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，其中所述测量装置与所述处理器电性连接，用以测取海底管道被测段的数个三维坐标；所述输入装置与所述处理器电性连接，用以输入所述海底管道被测段的特性参数；其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
分别确定各所述三维坐标在同一水平面上的曲率以及在同一垂直面上的曲率；
依据各所述三维坐标在同一水平面上的曲率以及在同一垂直面上的曲率，分别确定各所述三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变；
依据所述海底管道被测段的特性参数确定所述海底管道被测段的横截面设计允许应变；
将各所述三维坐标在同一水平面上的弯曲应变以及在同一垂直面上的弯曲应变分别与所述海底管道被测段的横截面设计允许应变进行比较，以判断所述海底管道被测段的在位状态。
9.根据权利要求8所述的海底管道在位状态的检测系统，其特征在于，所述测量装置是通过单波束或多波束测取所述海底管道被测段的数个三维坐标。
10.根据权利要求8所述的海底管道在位状态的检测系统，其特征在于，还包括输出装置，用以输出所述海底管道被测段的横截面设计允许应变及/或所述海底管道被测段各三维坐标在同一水平面及同一垂直面上的曲率及/或弯曲应变及/或在位状态。
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