CN111561606B - 一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法：(1)计算不采取任何防护措施时管道将会产生的走管值；(2)根据管道所处区域结构承受能力，计算出所能承受的最大走管位移作为走管控制目标值；(3)基于走管控制目标值，对管道端部施加可变轴向阻力，计算可变轴向阻力作用下管道实际产生的走管值；反复调整该阻力值随轴向位移的变化函数，使得实际产生的走管值小于走管控制目标值；(4)设计管道端部的附加结构，使得附加结构沿管道轴向滑移时，附加结构对管道能够产生按照阻力值随轴向位移的变化函数变化的轴向阻力。本发明通过干扰和抑制走管产生的根本机理，来达到控制和消除深海管道走管效应的目的。

Description

一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法

技术领域

本发明涉及深海石油管道轴向在位稳定性设计，特别涉及一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，通过主动地对管道走管效应产生机理进行干扰，从而主动消除管道走管效应，减小管道系统出现轴向失稳破坏的风险。

背景技术

我国深海区域尚存有大量待开发的优质石油资源，发展深海石油开采技术装备对破解我国石油资源短缺的困局意义重大。管道系统是深海石油开采中重要的集疏运手段，深海管道输送的石油资源温度极高，且为保障管道的安全运行需间隔数月进行一次例行检修。管道的反复开启和关闭会引发走管效应，导致管道整体定向滑动，部分工况下每千米管道每年的走管量甚至可达一米，且走动量随管道服役时间而逐年累积。深海石油开发工程中井口远离岸线，因此输油管道长度常达数十公里，如此规模下管道产生的走管量将对管道的连接装置产生巨大的局部应力，威胁管道系统的安全。

在以往的国内外工程实践中，人们虽认识到轴向走管效应带来的危害，但尚无科学有效的技术手段对管道进行保护，只能采用成本高昂的高附加拉力吸力锚和锚链组成的锚定系统，强行拖拽住管道，使得管道不至于发生过大轴向变形。但该锚定系统拖拽管道的过程中，使得管道受到极大的附加应力，产生额外的管道破坏风险。同时，锚定系统本身也存在一定的失效风险，导致走管效应不能完全被消除。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，以解决现有管道走管防护实践中采用高附加力锚定结构成本高、不确定性大和防护效果差的问题，达到低成本高收益的工程效果。

本发明所采用的技术方案是：一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，包括以下步骤：

步骤1，根据管道的实际工程参数，计算不采取任何防护措施时管道将会产生的走管值，并计算该数量级的走管量对管线结构安全性的威胁；

步骤2，根据管道所处区域结构承受能力，计算出所能承受的最大走管位移，该位移即为走管控制目标值；

步骤3，基于走管控制目标值，对管道端部施加可变轴向阻力，计算可变轴向阻力作用下管道实际产生的走管值；反复调整该阻力值随轴向位移的变化函数，使得实际产生的走管值小于走管控制目标值，得到最终的阻力值随轴向位移的变化函数；

步骤4，设计管道端部的附加结构，使得附加结构沿管道轴向滑移时，附加结构对管道能够产生按照步骤3得到的最终的阻力值随轴向位移的变化函数变化的轴向阻力，从而消除管道走管效应。

进一步地，步骤3进一步包括：

步骤3-1，假定一个阻力值随轴向位移的变化函数；

步骤3-2，将升温阶段分成若干个均匀的升温步，每一个升温步管道温度增大Δt₁；

步骤3-3，依次计算每个升温步中管道沿程有效轴力的分布曲线：每个升温步中，温度增大引起管道膨胀，上一个升温步轴力曲线的对称点与计划安装附加结构的管道端部处之间的管道膨胀量，即为所计划安装的管道端部附加结构的轴向膨胀量；根据管道端部的附加结构的轴向膨胀量大小和假定的阻力值随轴向位移的变化函数，更新该升温步结束时管端受到的阻力值，从而更新该升温步结束时管道沿程有效轴力分布曲线；

步骤3-4，根据每个升温步中管道沿程有效轴力的分布曲线，计算每个升温步中管道中点产生的轴向位移的大小和方向；

步骤3-5，将降温阶段分成若干个均匀的降温步，每一个降温步管道温度减小Δt₂；

步骤3-6，依次计算每个降温步中管道沿程有效轴力的分布曲线：每个降温步中，温度减小引起管道收缩，上一个降温步轴力曲线的对称点与计划安装附加结构的管道端部处之间的管道收缩量，即为所计划安装的管道端部附加结构的轴向收缩量；根据管道端部的附加结构的轴向收缩量大小和假定的阻力值随轴向位移的变化函数，更新该降温步结束时管端受到的阻力值，从而更新该降温步结束时管道沿程有效轴力分布曲线；

步骤3-7，根据每个降温步中管道沿程有效轴力的分布曲线，计算每个降温步中管道中点产生的轴向位移的大小和方向；

步骤3-8，将升温阶段管道中点的位移和降温阶段管道中点的位移进行累加，求得一次温度循环后管道的走管值；

步骤3-9，判断步骤3-1所假定的阻力值随轴向位移的变化函数下、根据步骤3-2至步骤3-8所获得的管道走管值是否小于走管控制目标值；若小于，则该阻力值随轴向位移的变化函数即为最终的阻力值随轴向位移的变化函数，否则，调整阻力值随轴向位移的变化函数，重复步骤3-2至步骤3-9，直至管道走管值小于走管控制目标值。

进一步地，步骤4中，所述的附加结构采用固定式防沉板和弹簧，所述固定式防沉板安装在海床上，通过所述弹簧连接所述固定式防沉板和管道。

其中，根据步骤3得到的阻力值随轴向位移的变化函数，计算所述弹簧的劲度系数K，并将最大阻力值作为所述固定式防沉板的水平向承载力下限，根据水平向承载力下限确定所述固定式防沉板的长和宽。

进一步地，步骤4中，所述的附加结构采用滑动式防沉板，所述滑动式防沉板固定在所述管道上，随管道一起滑动。

其中，所述滑动式防沉板的几何尺寸确定方法为：

建立滑动时所述滑动式防沉板的几何尺寸与土体阻力的相关性，所述滑动式防沉板的几何尺寸包括长、宽、高；

根据步骤3得到的阻力值随轴向位移的变化函数，计算所述滑动式防沉板所需的几何尺寸。

进一步地，步骤4中，所述的附加结构采用转动式翼板结构，所述转动式翼板结构包括：

套筒，所述套筒固定连接在管道外壁上；

翼板，所述翼板包括左翼板和右翼板，所述左翼板和所述右翼板设置在所述套筒的两侧，所述左翼板和所述右翼板的尾端通过铰接的方式与所述套筒的第一端相连接，使得所述左翼板能围绕左翼板根部的铰链自由旋转、所述右翼板能围绕右翼板根部的铰链自由旋转；以及，

限位块体，所述限位块体包括左限位块体和右限位块体，所述左限位块体和所述右限位块体设置在所述套筒的两侧并固定连接在所述套筒的第二端上，所述左限位块体与所述左翼板的首端相对布置，所述右限位块体与所述右翼板的首端相对布置，用于限制所述左翼板和所述右翼板的最小张开角度。

其中，所述左翼板和所述右翼板的平面形状为菱形，在所述左翼板和所述右翼板张开至设定角度后，所述左翼板的后缘和所述右翼板的后缘贴合于所述套筒的侧壁上；所述设定角度为所述左翼板和所述右翼板的最大张开角度。

其中，所述翼板的几何尺寸及相关参数确定方法为：

测试所述翼板轴向滑动时翼板转角及土体阻力的变化，建立所述翼板的几何尺寸及相关参数与翼板转角及土体阻力的相关性，所述翼板的几何尺寸包括长和宽，所述翼板的相关参数包括翼板自重、转动阻尼和表面粗糙度；

根据步骤3得到的阻力值随轴向位移的变化函数，计算所述翼板所需的几何尺寸及相关参数。

本发明的有益效果是：本发明一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，通过干扰和抑制走管产生的根本机理，来达到控制和消除深海管道走管效应的目的。不同于传统采用锚链系统被动地拖拽住已经产生走管效应的管道，本发明是主动对走管效应进行抑制的方法，因此更能达到标本兼治的效果，控制走管效应的可靠度远大于传统方法。同时，本发明对管道造成的附加荷载较小，远小于造成管道破坏的极限荷载值，一般约为传统方法造成的附加荷载的数十至数百分之一，因此该方法不会造成附加的结构安全性威胁。

附图说明

图1：本发明深海管道及附加结构示意图；

图2：本发明的转动式翼板结构示意图；

图3：本发明附加结构对管道的附加荷载随位移的变化趋势示意图；

图4：本发明主动式低附加力的管道走管效应防护方法的作用机理；

图5：本发明实施例1采用本发明方法控制后的管道轴向位移与没有进行防护的管道轴向位移对比图。

附图标注：

1——管道； 2——附加结构；

21——套筒； 22——左翼板；

221——左翼板的后缘； 23——右翼板；

231——右翼板的后缘； 24——铰接；

25——左限位块体； 26——右限位块体；

27——焊接； 3——海床。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本发明一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，在管道端部设置作用力随位移可变的阻力装置，使得管道在膨胀和收缩变形中受到不断变化的阻力，进而影响整条管道沿程上有效轴力的分布曲线，达到改变管道变形对称点的目的，使得膨胀和收缩变形过程中对称点相互趋近，破坏走管效应产生的根本原因，从而实现消除管道走动量的目的。

本发明一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，利用产生有效大小附加作用力的装置，激活管道沿程有效轴力重新分布，从根源上消除走管的产生机制。使用本发明，只需投入较少的设备及安装成本即可达到十分显著且可靠度高的走管防护效果，具有容易推广实施的优势及增加管道系统安全可靠度的优点。

一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，包括以下步骤：

步骤1，根据深海管道1的实际工程参数，计算不采取任何防护措施时管道1将会产生的走管值，并计算该数量级的走管量对管线结构安全性的威胁。

步骤2，根据管道1所处区域结构承受能力，计算出所能承受的最大走管位移，该位移即为走管控制目标值。

步骤3，基于走管控制目标值，对管道端部施加可变轴向阻力，计算可变轴向阻力作用下管道1实际产生的走管值；反复调整该阻力值随轴向位移的变化函数，使得实际产生的走管值小于走管控制目标值，得到最终的阻力值随轴向位移的变化函数。具体包括：

步骤3-1，假定一个阻力值随轴向位移的变化函数；

步骤3-2，将升温阶段分成若干个均匀的升温步，每一个升温步管道温度增大Δt₁；

步骤3-3，依次计算每个升温步中管道沿程有效轴力的分布曲线：每个升温步中，温度增大引起管道1膨胀，上一个升温步轴力曲线的对称点与计划安装附加结构2的管道端部处之间的管道膨胀量，即为所计划安装的管道端部附加结构2的轴向膨胀量；根据管道端部的附加结构2的轴向膨胀量大小和假定的阻力值随轴向位移的变化函数，更新该升温步结束时管端受到的阻力值，从而更新该升温步结束时管道沿程有效轴力分布曲线；

步骤3-4，根据每个升温步中管道沿程有效轴力的分布曲线，计算每个升温步中管道1中点产生的轴向位移的大小和方向；

步骤3-5，将降温阶段分成若干个均匀的降温步，每一个降温步管道温度减小Δt₂；

步骤3-6，依次计算每个降温步中管道沿程有效轴力的分布曲线：每个降温步中，温度减小引起管道1收缩，上一个降温步轴力曲线的对称点与计划安装附加结构2的管道端部处之间的管道收缩量，即为所计划安装的管道端部附加结构2的轴向收缩量；根据管道端部的附加结构2的轴向收缩量大小和假定的阻力值随轴向位移的变化函数，更新该降温步结束时管端受到的阻力值，从而更新该降温步结束时管道沿程有效轴力分布曲线；

步骤3-7，根据每个降温步中管道沿程有效轴力的分布曲线，计算每个降温步中管道1中点产生的轴向位移的大小和方向；

步骤3-8，将升温阶段管道1中点的位移和降温阶段管道1中点的位移进行累加，求得一次温度循环后管道1的走管值；

步骤3-9，判断步骤3-1所假定的阻力值随轴向位移的变化函数下、根据步骤3-2至步骤3-8所获得的管道走管值是否小于走管控制目标值；若小于，则该阻力值随轴向位移的变化函数即为最终的阻力值随轴向位移的变化函数，否则，调整阻力值随轴向位移的变化函数，重复步骤3-2至步骤3-9，直至管道走管值小于走管控制目标值。

步骤4，设计管道端部的附加结构2，使得焊接在管道1上的附加结构2沿管道1轴向滑移时，附加结构2对管道1能够产生按照步骤3得到的最终的阻力值随轴向位移的变化函数变化的轴向阻力，从而消除管道1走管效应。

其中，以三种可选附加结构为例，介绍附加结构的具体设计方法：

(a)第一种附加结构为固定式防沉板和弹簧，固定式防沉板安装在海床3上，通过弹簧连接固定式防沉板和管道1。当管道1滑动时，因固定式防沉板固定于海床3上不会发生滑动，因此滑动中的管道1会受到弹簧产生的拉力(或推力)。设计该种管端附加结构时，需要根据步骤3确定的阻力值随轴向位移的变化函数，计算弹簧的劲度系数K，并将最大阻力值作为固定式防沉板的水平向承载力下限，根据水平向承载力下限确定固定式防沉板的长和宽，使固定式防沉板具有足够抗滑承载力。

(b)第二种附加结构为滑动式防沉板，滑动式防沉板直接固定在管道1上，与管道1一起滑动，滑动过程受到海床3土体的阻力，并将阻力传导至管道1上。设计该种管端附加结构时，需先进行室内模型试验，测试滑动式防沉板轴向滑动时受到的土体阻力，首先，建立滑动时滑动式防沉板的几何尺寸(长、宽、高)等数据与土体阻力的相关性，然后，根据步骤3确定的阻力值随轴向位移的变化函数，计算滑动式防沉板所需的几何尺寸。

(c)第三种附加结构为转动式翼板结构，转动式翼板结构与管道1相连并随管道1发生轴向滑动，滑动时受到海床3土体阻力作用，并将阻力传递至管道1上。转动式翼板结构包括套筒21、翼板(包括左翼板22和右翼板23)和限位块体(包括左限位块体25和右限位块体26)。

套筒21焊接27在管道1外壁上，起连接和固定其余部件并将土体阻力传递至管道1上的作用。套筒21可在管道1安装前焊接27于管道1上，使得转轴式管端结构无需水下安装。

翼板包括左翼板22和右翼板23，左翼板22和右翼板23设置在套筒21的两侧，左翼板22和右翼板23的尾端通过铰接24的方式与套筒21的第一端相连接，使得左翼板22能围绕左翼板22根部的铰链自由旋转、右翼板23能围绕右翼板23根部的铰链自由旋转。左翼板22和右翼板23的平面形状为菱形，在左翼板22和右翼板23张开至设定角度后，左翼板的后缘221和右翼板的后缘231贴合于套筒21的侧壁上；该设定角度即为左翼板22和右翼板23的最大张开角度，最大张开角度受左翼板22和右翼板23的外形控制。

限位块体包括左限位块体25和右限位块体26，左限位块体25和右限位块体26设置在套筒21的两侧并焊接在套筒21的第二端上，左限位块体25与左翼板22的首端相对布置，右限位块体26与右翼板23的首端相对布置，起到限制翼板最小张开角度的作用，使得翼板不能完全贴合于套筒21侧壁上，保证在有限位移内翼板能迅速张开。最小张开角度受左限位块体25和右限位块体26的厚度和块体位置控制。

翼板与海床3土体直接接触，管道1出现膨胀或收缩位移时，带动套筒21产生滑动，进而使得翼板产生轴向位移。由于翼板可自由转动，当翼板前进受到土阻力时翼板张开角度发生改变。同时，翼板张开角度改变造成与周围土体接触面积不同，因此海床3土体对翼板以及整个装置的阻力发生变化，进而影响管道端部的阻力。翼板平面形状为菱形，因此在张开至一定角度后，翼板与套筒21侧壁发生硬性接触，翼板完全贴合于套筒21侧壁上，此后翼板的张开角度不再继续增大。该形状设计可控制翼板的最大张开角度。

设计该种管端结构时，需先进行室内模型试验，测试翼板轴向滑动时翼板转角及土体阻力的变化，建立翼板长、宽、翼板自重、转动阻尼、表面粗糙度等数据与翼板转角及土体阻力的相关性。然后根据步骤3确定的阻力值随轴向位移的变化函数，计算翼板所需的几何尺寸及相关参数。

图3为本发明附加结构对管道的附加荷载随位移的变化趋势示意图，图中，P_h1为升温时初始轴向附加荷载，即管道升温过程中，附加结构即将随管道发生轴向膨胀时，附加结构对管道的附加荷载；β₁为附加结构对管道附加荷载随轴向膨胀位移的增长速率，该示意图中β₁为常数，即附加结构对管道附加荷载随轴向膨胀位移线性增长；s_k为升温时附加结构产生的膨胀位移；P_c1为降温时初始轴向附加荷载，即管道降温过程中，附加结构即将随管道发生轴向收缩时，附加结构对管道的附加荷载；β为附加结构对管道附加荷载随轴向收缩位移的增长速率，该示意图中β为常数，即附加结构对管道附加荷载随轴向收缩位移线性增长；s_k'为降温时附加结构产生的收缩位移。

当管道升温产生膨胀时，带动管端附加结构产生膨胀位移。附加结构在海床上滑动、破坏海床土体，受到土体阻力并反作用于管道。因结构物与海床相互作用特性，该阻力随附加结构膨胀位移的增大而不断增大，管道承受的附加结构的附加荷载也相应增大。在示意图中，附加结构对管道附加荷载随轴向膨胀位移线性增长。但当附加结构类型改变时，附加结构对管道的附加荷载可能随膨胀位移非线性增长。

当管道降温产生收缩时，带动管端附加结构产生收缩位移。附加结构在海床上滑动、破坏海床土体，受到土体阻力并反作用于管线。因结构物与海床相互作用特性，附加结构对管道的附加荷载不断增大。在示意图中，附加结构对管道附加荷载随轴向膨胀位移线性增长。当附加结构类型改变时，附加结构对管道的附加荷载可能随膨胀位移非线性增长。

图4为本发明主动式低附加力的管道走管效应防护方法的作用机理，即管道升、降温过程中有效轴力曲线在附加结构激发的附加荷载影响下的变化过程。图中，A为管道端点；B为管道另一端点；O为管道中点；H₁为第1个升温步时管道沿程有效轴力曲线对称点；H₂为第2个升温步时管道沿程有效轴力曲线对称点；H_k为第k个升温步时管道沿程有效轴力曲线对称点；P_h1为升温时初始轴向附加荷载，即管道升温过程中，附加结构即将随管道发生轴向膨胀时，附加结构对管道的附加荷载；P_h2为第2个升温步时管端附加结构对管道的附加荷载；P_hk为第k个升温步时管端附加结构对管道的附加荷载；C₁为第1个降温步时管道沿程有效轴力曲线对称点；C₂为第2个降温步时管道沿程有效轴力曲线对称点；C_k为第k个降温步时管道沿程有效轴力曲线对称点；P_c1为降温时初始轴向附加荷载，即管道降温过程中，附加结构即将随管道发生轴向收缩时，附加结构对管道的附加荷载；P_c2为第2个降温步时管端附加结构对管道的附加荷载；P_ck为第k个降温步时管端附加结构对管道的附加荷载；P_ci为第i个降温步时管端附加结构对管道的附加荷载；W'为单位长度管道的浮重度；φ为管道所在海床与水平向的夹角，即海床的坡度；L为整条管道的长度。对于管道中点O，当P_ci＞W'·sinφ·L时，管道中点O朝向A点收缩；当P_ci＜W'·sinφ·L时，管道中点O朝向B点收缩。

随着升温的持续，管道带动附加结构膨胀(图3中附加结构安装于管端A点处)，附加结构的膨胀位移引起其对管道附加荷载的不断增大，进而造成管道沿程有效轴力曲线的不断变化，使得有效轴力曲线对称点不断移动，在此过程中管道中点O朝向B点膨胀。随着降温的不断进行，管道带动A点处的附加结构收缩，附加结构的收缩位移引起其对管道附加荷载的不断增大，进而造成管道沿程有效轴力曲线的不断变化，使得有效轴力曲线对称点不断移动，在此过程中管道中点O可能朝向A点收缩也可能朝向B点收缩。最终，一个荷载循环结束后管道中点O的累积位移即为管道的走管量。

本发明主动式低附加力的管道走管效应防护方法，可有效减少升温、降温过程中的中点的位移，且可根据管道走管防护的目标值，通过计算搜寻最佳的附加结构附加荷载增长函数，并设计相应附加结构抑制走管变形，安装成本低、防护方法可靠性高。

实施例1

以某工程算例展示本发明方法的实施效果，铺设于倾角为5°长度为1km的某海底管道，(1)根据工程参数计算得出，在不做任何防护措施下每个荷载循环周期内管道走管值为0.56m，该数值过大严重威胁管道系统的安全。(2)根据管道所在其余的结构承载能力，计算所得的最大走管位移需小于0.1m。(3)基于该目标数值，采用主动式低附加力的管道走管效应防护方法进行控制，将可变阻力管端结构安装于坡顶处的管道端部，控制轴向阻力随位移的变化曲线进行走管控制效果分析。经多次调整，管道端部受到阻力增长系数为43kN/m时轴向走管量能减小至0.054m，约为控制目标值的一半，相对于不做任何防护措施下每个温度循环周期内管道走管值减小90.2％，如图5所示。整个荷载循环过程中，管道端部受到的最大轴向阻力为80kN，附加荷载较小，控制走管效应的结构对管道的影响较小。与之形成对比的是，采用常规大荷载锚链系统，锚链所提供的拉力须达到2550kN才能使得走管值减小至0.061m，本发明主动式低附加力的管道走管效应防护方法为控制走管效应所增加的附加拉力仅为传统锚链系统拉力的1/30。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，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范围之内。

Claims (9)

1.一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据管道(1)的实际工程参数，计算不采取任何防护措施时管道(1)将会产生的走管值，并计算该数量级的走管量对管线结构安全性的威胁；

步骤2，根据管道(1)所处区域结构承受能力，计算出所能承受的最大走管位移，该位移即为走管控制目标值；

步骤3，基于走管控制目标值，对管道端部施加可变轴向阻力，计算可变轴向阻力作用下管道(1)实际产生的走管值；反复调整该阻力值随轴向位移的变化函数，使得实际产生的走管值小于走管控制目标值，得到最终的阻力值随轴向位移的变化函数；

步骤4，设计管道端部的附加结构(2)，使得附加结构(2)沿管道(1)轴向滑移时，附加结构(2)对管道(1)能够产生按照步骤3得到的最终的阻力值随轴向位移的变化函数变化的轴向阻力，从而消除管道(1)走管效应。

2.根据权利要求1所述的一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，其特征在于，步骤3进一步包括：

步骤3-1，假定一个阻力值随轴向位移的变化函数；

步骤3-2，将升温阶段分成若干个均匀的升温步，每一个升温步管道温度增大Δt₁；

步骤3-3，依次计算每个升温步中管道沿程有效轴力的分布曲线：每个升温步中，温度增大引起管道(1)膨胀，上一个升温步轴力曲线的对称点与计划安装附加结构(2)的管道端部处之间的管道膨胀量，即为所计划安装的管道端部附加结构(2)的轴向膨胀量；根据管道端部的附加结构(2)的轴向膨胀量大小和假定的阻力值随轴向位移的变化函数，更新该升温步结束时管端受到的阻力值，从而更新该升温步结束时管道沿程有效轴力分布曲线；

步骤3-4，根据每个升温步中管道沿程有效轴力的分布曲线，计算每个升温步中管道(1)中点产生的轴向位移的大小和方向；

步骤3-5，将降温阶段分成若干个均匀的降温步，每一个降温步管道温度减小Δt₂；

步骤3-6，依次计算每个降温步中管道沿程有效轴力的分布曲线：每个降温步中，温度减小引起管道(1)收缩，上一个降温步轴力曲线的对称点与计划安装附加结构(2)的管道端部处之间的管道收缩量，即为所计划安装的管道端部附加结构(2)的轴向收缩量；根据管道端部的附加结构(2)的轴向收缩量大小和假定的阻力值随轴向位移的变化函数，更新该降温步结束时管端受到的阻力值，从而更新该降温步结束时管道沿程有效轴力分布曲线；

步骤3-7，根据每个降温步中管道沿程有效轴力的分布曲线，计算每个降温步中管道(1)中点产生的轴向位移的大小和方向；

步骤3-8，将升温阶段管道(1)中点的位移和降温阶段管道(1)中点的位移进行累加，求得一次温度循环后管道(1)的走管值；

步骤3-9，判断步骤3-1所假定的阻力值随轴向位移的变化函数下、根据步骤3-2至步骤3-8所获得的管道走管值是否小于走管控制目标值；若小于，则该阻力值随轴向位移的变化函数即为最终的阻力值随轴向位移的变化函数，否则，调整阻力值随轴向位移的变化函数，重复步骤3-2至步骤3-9，直至管道走管值小于走管控制目标值。

3.根据权利要求1所述的一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，其特征在于，步骤4中，所述的附加结构(2)采用固定式防沉板和弹簧，所述固定式防沉板安装在海床(3)上，通过所述弹簧连接所述固定式防沉板和管道(1)。

4.根据权利要求3所述的一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，其特征在于，根据步骤3得到的阻力值随轴向位移的变化函数，计算所述弹簧的劲度系数K，并将最大阻力值作为所述固定式防沉板的水平向承载力下限，根据水平向承载力下限确定所述固定式防沉板的长和宽。

5.根据权利要求1所述的一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，其特征在于，步骤4中，所述的附加结构(2)采用滑动式防沉板，所述滑动式防沉板固定在所述管道(1)上，随管道(1)一起滑动。

6.根据权利要求5所述的一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，其特征在于，所述滑动式防沉板的几何尺寸确定方法为：

建立滑动时所述滑动式防沉板的几何尺寸与土体阻力的相关性，所述滑动式防沉板的几何尺寸包括长、宽、高；

根据步骤3得到的阻力值随轴向位移的变化函数，计算所述滑动式防沉板所需的几何尺寸。

7.根据权利要求1所述的一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，其特征在于，步骤4中，所述的附加结构(2)采用转动式翼板结构，所述转动式翼板结构包括：

套筒(21)，所述套筒(21)固定连接在管道(1)外壁上；

翼板，所述翼板包括左翼板(22)和右翼板(23)，所述左翼板(22)和所述右翼板(23)设置在所述套筒(21)的两侧，所述左翼板(22)和所述右翼板(23)的尾端通过铰接(24)的方式与所述套筒(21)的第一端相连接，使得所述左翼板(22)能围绕左翼板(22)根部的铰链自由旋转、所述右翼板(23)能围绕右翼板(23)根部的铰链自由旋转；以及，

限位块体，所述限位块体包括左限位块体(25)和右限位块体(26)，所述左限位块体(25)和所述右限位块体(26)设置在所述套筒(21)的两侧并固定连接在所述套筒(21)的第二端上，所述左限位块体(25)与所述左翼板(22)的首端相对布置，所述右限位块体(26)与所述右翼板(23)的首端相对布置，用于限制所述左翼板(22)和所述右翼板(23)的最小张开角度。

8.根据权利要求7所述的一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，其特征在于，所述左翼板(22)和所述右翼板(23)的平面形状为菱形，在所述左翼板(22)和所述右翼板(23)张开至设定角度后，所述左翼板的后缘(221)和所述右翼板的后缘(231)贴合于所述套筒(21)的侧壁上；所述设定角度为所述左翼板(22)和所述右翼板(23)的最大张开角度。

9.根据权利要求7所述的一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，其特征在于，所述翼板的几何尺寸及相关参数确定方法为：

测试所述翼板轴向滑动时翼板转角及土体阻力的变化，建立所述翼板的几何尺寸及相关参数与翼板转角及土体阻力的相关性，所述翼板的几何尺寸包括长和宽，所述翼板的相关参数包括翼板自重、转动阻尼和表面粗糙度；

根据步骤3得到的阻力值随轴向位移的变化函数，计算所述翼板所需的几何尺寸及相关参数。

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