CN115130314A - 一种在役非粘结柔性立管剩余疲劳寿命评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在役非粘结柔性立管剩余疲劳寿命评估方法，该方法包括：S1：建立非粘结柔性立管的截面力学模型，得到其轴向拉伸刚度、扭转刚度和弯曲刚度等力学属性；S2：测量海洋环境参数，确立海洋生产平台动力参数；S3：建立非粘结柔性立管系统全局模型；S4：获得非粘结柔性立管最危险位置的时域载荷；S5：结合非粘结柔性立管的截面力学模型获得最危险位置处各层的时域应力；S6：确定非粘结柔性立管各层S‑N曲线；S7：根据立管各层时域应力和各层S‑N曲线，基于疲劳累计损伤准则，推算出在役非粘结柔性立管剩余疲劳寿命。本发明的有益效果是，能有效求解非粘结柔性立管最危险位置，并根据环空监测结果更新S‑N曲线，确保剩余疲劳寿命计算精度。

Description

一种在役非粘结柔性立管剩余疲劳寿命评估方法
技术领域
本发明涉及海洋油气资源开采领域，更具体地说，涉及一种用于海洋油气开采的在役非粘结柔性立管的剩余疲劳寿命评估方法。
背景技术
立管连接水面生产平台和海底生产系统，被誉为海洋油气资源开发的生命线。非粘结柔性立管具有安装便捷、可回收、耐热、柔性、防腐、新材料、新结构与平台耦合较弱以及设计空间大等优点。并且，随着国内海洋油气资源开采的不断发展，对非粘结柔性立管的需求逐渐增大。但是，不断增加的海洋开采深度和恶劣的海洋环境，对非粘结柔性立管的应用提出了更高的要求。
非粘结柔性立管的疲劳寿命评估是API标准中的规定内容，也是非粘结柔性立管应用的必要环节。但是，目前我国对非粘结柔性立管的疲劳寿命主要依靠国外，还未形成有效的在役非粘结柔性立管疲劳寿命的评估技术，属我国在深海海洋油气资源开采中的卡脖子技术之一。
因此，亟需提出一种在役非粘结柔性立管疲劳寿命的评估方法，对保障海洋油气资源安全开采具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种在役非粘结柔性立管疲劳寿命的评估方法，对在役非粘结柔性立管的剩余疲劳寿命进行评估，确保海洋油气资源安全开采。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：
一种在役非粘结柔性立管剩余疲劳寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立非粘结柔性立管的截面力学模型，得到非粘结柔性立管轴向拉伸刚度、扭转刚度和弯曲刚度等力学属性；
S2：对非粘结柔性立管及海洋生产平台所处海洋环境进行测量，确立海洋生产平台动力参数；
S3：根据所述非粘结柔性立管的力学属性、立管设计构型、海洋环境和海洋生产平台动力等参数，建立非粘结柔性立管系统全局模型；
S4：利用非粘结柔性立管系统全局模型计算非粘结柔性立管系统静力、动力响应，获得非粘结柔性立管最危险位置，并求得最危险位置的时域载荷；
S5：结合非粘结柔性立管截面力学模型和最危险位置时域载荷，获得最危险位置处非粘结柔性立管各层时域应力；
S6：开展非粘结柔性立管环空检测，获得非粘结柔性立管环空介质，并根据环空介质确定非粘结柔性立管各层S-N曲线；
S7：根据立管各层时域应力和各层S-N曲线，基于疲劳累计损伤准则，计算立管各层疲劳寿命，并以最先失效层疲劳寿命作为立管疲劳失效寿命，推算出在役非粘结柔性立管剩余疲劳寿命。
进一步的，所述非粘结柔性立管至少包括最外密封层、中间层和最内密封层，中间层至少包括两层螺旋缠绕的金属承载层。
进一步的，所述非粘结柔性立管截面力学模型还可求解出不同载荷形式下各层的应力、应变结果。
进一步的，所述海洋环境主要包括风、浪、流等参数，所述海洋生产平台动力参数主要包括运动位移RAO、二阶平均漂移力系数、附加阻尼系数和附加质量等。
进一步的，所述非粘结柔性立管系统全局模型中的波浪载荷可利用JONSWAP谱的随机波理论获得，海流载荷可利用Morison方程获得。
进一步的，所述静力、动力响应主要包括立管所受张力、弯矩和弯曲曲率。
进一步的，所述非粘结柔性立管环空为最外密封层和最内密封层之间的环形空间。
进一步的，所述环空介质主要包括水、二氧化碳及硫化氢等腐蚀介质。
进一步的，所述环空监测为间歇检测，时间间隔为1个月、1个季度或1年不等。
本发明的有益效果：
1)本发明详细提出一种针对非粘结柔性立管的疲劳寿命评估方法及步骤，考虑了实际海洋环境和海洋生产平台动力参数，能有效求解出非粘结柔性立管在静载和动载时的最危险位置；
2)本发明还针对非粘结柔性立管随着时间年限的增加，可能出现的立管环空环境发生变化，创新性的提出了对环境条件进行间歇监测，以获取非粘结柔性立管环空条件变化时对应的各层S-N曲线，确保了计算非粘结柔性立管剩余疲劳寿命精度。
附图说明
图1为本发明的一种在役非粘结柔性立管剩余疲劳寿命评估方法的流程图；
图2为本发明的一种在役非粘结柔性立管剩余疲劳寿命评估方法中非粘结柔性立管系统全局模型示意图；
图3为本发明的一种在役非粘结柔性立管的几何结构示意图；
图中：1-海洋生产平台，2-非粘结柔性立管，3-海平面；4-海床，21-非粘结柔性立管最外密封层，22-非粘结柔性立管环空，23-非粘结柔性立管最内密封层。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示的一种在役非粘结柔性立管剩余疲劳寿命评估方法的流程图，包括以下步骤：
S1：建立非粘结柔性立管的截面力学模型，得到非粘结柔性立管轴向拉伸刚度、扭转刚度和弯曲刚度等力学属性；具体的，所述非粘结柔性立管的截面力学模型可通过理论方法或有限元方法建立，且该模型可求解出不同载荷形式下各层的应力、应变。
S2：对非粘结柔性立管及海洋生产平台所处海洋环境进行测量，确立海洋生产平台动力参数；具体的，海洋环境测量参数包括波浪的有义波高、有义周期、方向概率等，海洋生产平台动力参数包括运动位移RAO、二阶平均漂移力系数、附加阻尼系数和附加质量等。
S3：根据所述非粘结柔性立管的力学属性、立管设计构型、海洋环境和海洋生产平台动力等参数，建立非粘结柔性立管系统全局模型；具体的，非粘结柔性立管系统全局模型如图2所示。
S4：利用非粘结柔性立管系统全局模型计算非粘结柔性立管系统静力、动力响应，获得非粘结柔性立管最危险位置，并求得最危险位置的时域载荷；具体的，非粘结柔性立管系统全局模型中赋予立管重力、波浪载荷、海流载荷等，可求得立管张力、弯矩和弯曲曲率随立管位置的变化曲线，以此确立非粘结柔性立管最危险位置，然后再利用非粘结柔性立管系统全局模型求解出最危险位置所受载荷随时间的变化曲线，即时域载荷。
S5：结合非粘结柔性立管截面力学模型和最危险位置时域载荷，获得最危险位置处非粘结柔性立管各层时域应力；具体的，可利用非粘结柔性立管截面力学模型计算出张力、弯矩等载荷下各层的应力-载荷曲线，再结合最危险位置时域载荷，得到最危险位置时域应力。
S6：开展非粘结柔性立管环空检测，获得非粘结柔性立管环空中的介质，根据环空介质确定非粘结柔性立管各层S-N曲线；具体的，粘结柔性立管环空如图3所示，为最外密封层21与最内密封层23之间的环形空间22，利用非粘结柔性立管环空监测设备获取环空中的介质成分，通常包括水、二氧化碳及硫化氢等腐蚀介质等，这些介质的在环空中的含量不同将影响非粘结柔性立管各层的S-N曲线，因此针对环空监测结果对应得到各层材料的S-N曲线；由于非粘结柔性立管在服役过程中环境复杂，环空条件可能会随着时间推移发生变化，因此需要定期开展环空监测，更新各层材料S-N曲线，更新周期可以是1个月、1个季度或1年不等。
S7：根据立管各层时域应力和各层S-N曲线，基于疲劳累计损伤准则，计算立管各层疲劳寿命，并以最先失效层疲劳寿命作为立管疲劳失效寿命，推算出在役非粘结柔性立管剩余疲劳寿命。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种在役非粘结柔性立管剩余疲劳寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立非粘结柔性立管的截面力学模型，得到非粘结柔性立管轴向拉伸刚度、扭转刚度和弯曲刚度等力学属性；
S2：对非粘结柔性立管及海洋生产平台所处海洋环境进行测量，确立海洋生产平台动力参数；
S3：根据所述非粘结柔性立管的力学属性、立管设计构型、海洋环境和海洋生产平台动力等参数，建立非粘结柔性立管系统全局模型；
S4：利用非粘结柔性立管系统全局模型计算非粘结柔性立管系统静力、动力响应，获得非粘结柔性立管最危险位置，并求得最危险位置的时域载荷；
S5：结合非粘结柔性立管截面力学模型和最危险位置时域载荷，获得最危险位置处非粘结柔性立管各层时域应力；
S6：开展非粘结柔性立管环空检测，获得非粘结柔性立管环空介质，并根据环空介质确定非粘结柔性立管各层S-N曲线；
S7：根据立管各层时域应力和各层S-N曲线，基于疲劳累计损伤准则，计算立管各层疲劳寿命，并以最先失效层疲劳寿命作为立管疲劳失效寿命，推算出在役非粘结柔性立管剩余疲劳寿命。
2.根据权利要求书1所述的剩余疲劳寿命评估方法，其特征在于：所述非粘结柔性立管至少包括最外密封层、中间层和最内密封层，中间层至少包括两层螺旋缠绕的金属承载层。
3.根据权利要求书1所述的剩余疲劳寿命评估方法，其特征在于：所述非粘结柔性立管截面力学模型还可求解出不同载荷形式下各层的应力、应变结果。
4.根据权利要求书1所述的剩余疲劳寿命评估方法，其特征在于：所述海洋环境主要包括风、浪、流等参数，所述海洋生产平台动力参数主要包括运动位移RAO、二阶平均漂移力系数、附加阻尼系数和附加质量等。
5.根据权利要求书1所述的剩余疲劳寿命评估方法，其特征在于：所述非粘结柔性立管系统全局模型中的波浪载荷可利用JONSWAP谱的随机波理论获得，海流载荷可利用Morison方程获得。
6.根据权利要求书1所述的剩余疲劳寿命评估方法，其特征在于：所述静力、动力响应主要包括立管所受张力、弯矩和弯曲曲率。
7.根据权利要求书1所述的剩余疲劳寿命评估方法，其特征在于：所述非粘结柔性立管环空为最外密封层和最内密封层之间的环形空间。
8.根据权利要求书1所述的剩余疲劳寿命评估方法，其特征在于：所述环空介质主要包括水、二氧化碳及硫化氢等腐蚀介质。
9.根据权利要求书1所述的剩余疲劳寿命评估方法，其特征在于：所述环空监测为间歇检测，时间间隔为1个月、1个季度或1年不等。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115615913A (zh) * 2022-10-28 2023-01-17 西南石油大学 一种非粘结柔性立管智能监测系统及方法
CN115758770A (zh) * 2022-11-25 2023-03-07 中国水产科学研究院南海水产研究所 一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法

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