CN114676605A - 一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，该方法针对海底管道在服役期间产生的棘轮效应风险，结合海底管道流动保障要求以及管土作用的影响，创新性的提出了基于诱发机理的海底管道棘轮效应的筛选判别方法及有限元评估方法，从而使工程设计更符合海底管道真实的服役状态，在工程实践中具有较好的应用及推广价值，填补了国内在相关工程设计领域的空白。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程设计技术领域，具体而言，特别是涉及一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法。
背景技术
棘轮效应广泛存在于服役期关断操作频繁的海底管道中，影响海底管道的在位状态及结构安全。海底管道在运营期间根据作业需要经常会出现输送关断的情况，而重复进行输送启动、关断操作所产生的循环荷载会对海底管道的在位状态造成影响，诱使海底管道在服役过程中产生棘轮效应。目前国内外对于棘轮效应的研究主要集中在材料领域，针对海底管道工程的棘轮效应研究较少。在海底管道工程设计领域，目前国内外的标准规范体系对于棘轮效应的影响没有提供明确的评估方法，工程设计中通常是在热膨胀位移的基础上考虑一定的设计余量，缺少定量的分析评估，从而使设计结果偏于保守。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可以对海底管道的棘轮效应进行评估的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，其特征在于，包括有以下步骤：
S1：进行海底管道棘轮效应评估的前期准备；
S2：计算海底管道的全约束有效轴力增量，记为ΔS；
S3：依据上述全约束有效轴力增量，计算稳定循环下海底管道受到的恒定摩擦力fA，计算膨胀过程中单位长度海底管道受到的土壤摩擦力fB；
S4：比较上述fA和fB的大小完成海底管道棘轮效应的初步筛选，筛选出符合2≥fB/fA≥1的海底管道；
S5：针对上述符合2≥fB/fA≥1的海底管道，确定该海底管道的热循环次数并建立有限元模型；
S6：在上述有限元模型中对海底管道进行加压、升温、降压、降温的热循环加载并进行计算；
S7：依据上述的有限元计算结果绘制出海底管道在热循环荷载作用下的棘轮效应位移-循环曲线；
S8：判定上述位移-循环曲线的收敛性，并计算出位移-循环曲线收敛的海底管道的管端总位移；
S9：将上述计算出的管端总位移作为基础数据，用于与海底管道相连接的水下结构物的结构设计，完成海底管道棘轮效应的评估。
根据本发明优选的实施例，所述步骤S1中，需要确定海底管道全服役期的流动保障要求和海底管道全路由的管土作用数据。
根据本发明优选的实施例，所述步骤S2中，采用以下公式计算：
ΔS＝-(p2-p1)·Ai·(1-2·υ)-E·As·α·(T2-T1)
其中，ΔS为全约束有效轴力增量；p2为关断后的压力；p1为关断前的压力；Ai为管道内截面积，As为钢管截面积，E为杨氏模量，α为热膨胀系数；ν为泊松比；T2为关断后的温度；T1为关断前的温度。
根据本发明优选的实施例，所述步骤S2中，全约束有效轴力增量为海底管道在运行期间的启动、关停作业的循环加载时，在完全约束有效轴向力卸载情况下的增量。
根据本发明优选的实施例，所述步骤S3中，采用以下公式计算：
其中，fA为稳定循环下的恒定摩擦力；L为海底管道长度；
fB＝μWsub
其中，fB为单位长度管道膨胀过程中的土壤摩擦力；μ为土壤摩擦系数；Wsub为单位长度管道水下重。
根据本发明优选的实施例，所述步骤S4中，初步筛选的判定准则为：当fB/fA＞2时，认为管道是处于全约束状态；当2≥fB/fA≥1时，应在工程设计中考虑棘轮效应对于海底管道和水下结构物的影响，并对海底管道进行全服役期的棘轮效应有限元评估；当fB/fA＜1时，认为海底管道处于自由移动的状态，此时的海底管道存在发生行走的风险。
根据本发明优选的实施例，所述步骤S5中，热循环次数为海底管道全服役期的热循环次数。
根据本发明优选的实施例，所述步骤S5中，有限元模型应依据海底管道安装期及服役期的状态建立。
根据本发明优选的实施例，所述步骤S6中，热循环加载应依据海底管道服役期的启动、关断情况进行。
根据本发明优选的实施例，所述步骤S8中，当位移-循环曲线呈发散状态时，海底管道在服役期间存在行走风险，应采取工程抑制措施。
本发明的技术效果在于：
1、本发明一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，该方法通过考虑服役期间真实的流动保障要求和管土作用影响，准确的模拟了海底管道服役过程中启动、关断操作对于管道在位状态的影响，并通过绘制棘轮效应位移-循环曲线计算出管道在热循环荷载作用下所产生的棘轮位移，将计算出的管端总位移作为基础数据，用于与海底管道相连接的水下结构物的结构设计，从而实现了对海底管道进行棘轮效应的评估的有益效果。
2、本发明一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，通过绘制棘轮效应位移-循环曲线计算出管道在热循环荷载作用下所产生的棘轮位移，实现了对棘轮效应影响的定量分析，进而在相关水下结构设施的设计中加以考虑，使工程设计的成果更加符合管道真实的服役状态。
3、本发明一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，使海底管道棘轮效应评估技术填补了国内在相关工程设计领域的空白，从设计方法上实现了对海底管道相关标准、规范的补充。
附图说明
图1是本发明一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法的评估流程示意图；
图2是本发明一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法的ABAQUS有限元分析的模型图；
图3是本发明一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法的海底管道棘轮效应位移-循环曲线。
附图标记：1-海床；2-海底管道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对发明的限定。
如图1到图3所示，本发明公开了一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，每一步的具体实施如下：
以36英寸单点系泊系统中的外输海底管道工程作为案例：
一、确定海底管道2全服役期的流动保障要求，设计温度为55℃，最高操作温度为45℃，设计压力为4.2MPa。
二、确定海底管道2全路由的管土作用数据，包括全路由的轴向土壤摩擦系数、侧向土壤摩擦系数、管道沉降、等效土壤刚度。
三、考虑海底管道2在运行期间的启动、关停作业的循环加载时，采用以下公式计算在完全约束有效轴向力卸载情况下全约束有效轴力的增量：
ΔS＝-(p2-p1)·Ai·(1-2·υ)-E·As·α·(T2-T1)
其中，ΔS为全约束有效轴力增量；公式中参数下标1和2表示关断操作前后的变化，p2为关断后的压力；p1为关断前的压力；Ai为管道内截面积，As为钢管截面积，E为杨氏模量，α为热膨胀系数；ν为泊松比；T2为关断后的温度；T1为关断前的温度。
计算出全约束有效轴力的增量为6375kN。
四、依据全约束有效轴力增量，采用以下公式计算稳定循环下的恒定摩擦力：
其中，fA为稳定循环下的恒定摩擦力；L为海底管道长度。
计算出全稳定循环下的恒定摩擦力为1275N/m。
五、对于膨胀过程中单位长度海底管道2受到的土壤摩擦力可以依据以下公式计算：
fB＝μWsub
其中，fB为单位长度管道膨胀过程中的土壤摩擦力；μ为土壤摩擦系数；Wsub为单位长度管道水下重。
计算出单位长度海底管道2受到的土壤摩擦力为2432N/m。
六、依据计算出的全稳定循环下的恒定摩擦力和单位长度海底管道2受到的土壤摩擦力，计算出：fB/fA＝1.91。
七、依据2≥fB/fA≥1的筛选判定准则，应在工程设计中考虑棘轮效应对于海底管道2和水下结构物的影响，并对海底管道2进行全服役期的棘轮效应有限元评估。
八、海底管道2的设计寿命为25年，根据外输作业要求，全服役期的启动、关断次数考虑为1600次。
九、依据海底管道2安装期及服役期的状态应用ABAQUS软件建立有限元模型，如图2所示，海底管道2置于海床1中。
十、在ABAQUS有限元模型中对海底管道2进行“加压”、“升温”、“降压”、“降温”的热循环加载。
十一、依据有限元计算结果绘制出海底管道2在热循环荷载作用下的棘轮效应位移-循环曲线，如图3所示。
十二、图3所绘制出的棘轮效应位移-循环曲线呈收敛状态；图3中，A点为海底管道2第一次热循环启动后对应的管端轴向膨胀位移，B点为第一次输送关断后管道收缩对应的轴向位移，C点为海底管道2第二次热循环启动后对应的管端轴向膨胀位移，D点为海底管道2处于稳定膨胀状态后对应的管端轴向位移。A点和D点之间的位移差即为海底管道2在棘轮效应影响下产生的轴向端部总位移，即端部总位移为0.09m。
十三、将0.09m的棘轮效应管端总位移作为基础数据，用于与海底管道2相连接的水下结构物的设计。
十四、完成海底管道2棘轮效应的评估。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，其特征在于，包括有以下步骤：
S1：进行海底管道棘轮效应评估的前期准备；
S2：计算海底管道的全约束有效轴力增量，记为ΔS；
S3：依据上述全约束有效轴力增量，计算稳定循环下海底管道受到的恒定摩擦力fA，计算膨胀过程中单位长度海底管道受到的土壤摩擦力fB；
S4：比较上述fA和fB的大小完成海底管道棘轮效应的初步筛选，筛选出符合2≥fB/fA≥1的海底管道；
S5：针对上述符合2≥fB/fA≥1的海底管道，确定该海底管道的热循环次数并建立有限元模型；
S6：在上述有限元模型中对海底管道进行加压、升温、降压、降温的热循环加载并进行计算；
S7：依据上述的有限元计算结果绘制出海底管道在热循环荷载作用下的棘轮效应位移-循环曲线；
S8：判定上述位移-循环曲线的收敛性，并计算出位移-循环曲线收敛的海底管道的管端总位移；
S9：将上述计算出的管端总位移作为基础数据，用于与海底管道相连接的水下结构物的结构设计，完成海底管道棘轮效应的评估。
2.根据权利要求1所述的一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，其特征在于，所述步骤S1中，需要确定海底管道全服役期的流动保障要求和海底管道全路由的管土作用数据。
3.根据权利要求1所述的一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用以下公式计算：
ΔS＝-(p2-p1)·Ai·(1-2·υ)-E·As·α·(T2-T1)
其中，ΔS为全约束有效轴力增量；p2为关断后的压力；p1为关断前的压力；Ai为管道内截面积，As为钢管截面积，E为杨氏模量，α为热膨胀系数；ν为泊松比；T2为关断后的温度；T1为关断前的温度。
4.根据权利要求1所述的一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，其特征在于，所述步骤S2中，全约束有效轴力增量为海底管道在运行期间的启动、关停作业的循环加载时，在完全约束有效轴向力卸载情况下的增量。
5.根据权利要求1所述的一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用以下公式计算：
其中，fA为稳定循环下的恒定摩擦力；L为海底管道长度；
fB＝μWsub
其中，fB为单位长度管道膨胀过程中的土壤摩擦力；μ为土壤摩擦系数；Wsub为单位长度管道水下重。
6.根据权利要求1所述的一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，其特征在于，所述步骤S4中，初步筛选的判定准则为：当fB/fA＞2时，认为管道是处于全约束状态；当2≥fB/fA≥1时，应在工程设计中考虑棘轮效应对于海底管道和水下结构物的影响，并对海底管道进行全服役期的棘轮效应有限元评估；当fB/fA＜1时，认为海底管道处于自由移动的状态，此时的海底管道存在发生行走的风险。
7.根据权利要求1所述的一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，其特征在于，所述步骤S5中，热循环次数为海底管道全服役期的热循环次数。
8.根据权利要求1所述的一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，其特征在于，所述步骤S5中，有限元模型应依据海底管道安装期及服役期的状态建立。
9.根据权利要求1所述的一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，其特征在于，所述步骤S6中，热循环加载应依据海底管道服役期的启动、关断情况进行。
10.根据权利要求1所述的一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，其特征在于，所述步骤S8中，当位移-循环曲线呈发散状态时，海底管道在服役期间存在行走风险，应采取工程抑制措施。
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