海底管道悬跨安全等级分级评价方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及海洋工程结构物风险管理领域【技术领域】，特别涉及一种海底管道悬跨安全等级分级评价方法及装置。该方法包括步骤：确定安全需求等级并准备数据；采用DNV-应力和多跨-应力进行初步评价；采用单跨-应力和DNV-频率进行三级评价；采用单跨-频率、多跨-频率和非线性-应力进行二级评价；采用单跨-寿命指标进行一级评价；输出结果并警示。本发明通过四个安全等级的评价标准来评价悬跨段的安全性，能够在以往凭借单一评价标准识别出的为数众多的“危险”悬跨中甄别出一定数量亟须治理的“高危”悬跨，能够更为合理地利用有限的运维和治理资源，最大化地发挥其保障油气田安全生产的作用。
【专利说明】海底管道悬跨安全等级分级评价方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及海洋工程结构物风险管理领域【技术领域】，特别涉及一种海底管道悬跨安全等级分级评价方法及装置。
【背景技术】
[0002]管道完整性是长距离管道使用过程中评估安全性的关键指标，在管道完整性管理领域，多采用半定量的“肯特打分法”评价管道的安全性，该方法虽然涵盖的风险因素较全面，但具体做法仍较粗糙，打分方式很大程度上依靠经验。即便如此，仅有陆地管道应用该方法，而对于海底管道，尤其是对海管威胁巨大的悬跨段，还没有专门针对之的、系统科学的安全性评价方法。
[0003]其中，悬跨是海底管道安全运行的主要隐患，海洋油气生产部门每年都要对海管的悬跨段有选择地进行治理，预防断裂破坏事故的发生。现有技术中，判断海管悬跨危险程度主要依据的是DNV算法计算出的安全跨长阈值，如果实际悬跨长度大于该阈值，则被看作是危险的、应当采取治理措施的。但实际上，由于我国南海油气田管道附近沙波富集、冲刷严重、地形崎岖，悬空悬跨现象异常频繁和严重，例如有的区段一百公里管线内超过DNV安全跨长阈值的悬跨数量往往有百余处，这对于有限的治理投入资源来讲过于庞大。
【发明内容】
[0004](一)本发明所要解决的技术问题:
[0005]针对现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何科学快速准确进行海管悬跨段安全性评价。
[0006](二)技术方案
[0007]为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种海底管道悬跨安全等级分级评价方法，包括步骤:
[0008]确定当前海底管道的悬跨安全需求的等级，准备所述海底管道的设计参数数据并获取所述海底管道的环境参数数据；
[0009]采用DNV算法的最大静载应力指标计算方式和多跨算法的最大静载应力指标计算方式的组合，对所述海底管道的悬跨段安全进行初步评价；
[0010]对于初步评价不安全的悬跨段或较高级的安全需求，采用单跨算法的最大静载应力指标计算方式和DNV算法的动态响应频率指标计算方式的组合，对所述海底管道的悬跨段安全进行三级评价；
[0011]对于三级评价不安全的悬跨段或更高级的安全需求，采用单跨算法的动态响应频率指标计算方式、多跨算法的动态响应频率指标计算方式和非线性算法的最大静载应力指标计算方式的组合，对所述海底管道的悬跨段安全进行二级评价；
[0012]对于二级评价不安全的悬跨段或最高级的安全需求，采用单跨算法的疲劳寿命指标计算方式，对所述海底管道的悬跨段安全进行一级评价；[0013]输出各级评价超标的悬跨段信息并进行相应的提示或报警。
[0014]优选地，所述方法还包括步骤:对高级别评价超标的悬跨段进行优先报警和/或治理。
[0015]优选地，所述方法中采用单跨算法考虑流速分布下涡激振动的有限元分析进行疲劳寿命指标的测算，考虑单跨响应频率与涡脱落频率的接近程度进行动态响应频率指标的测算，考虑水动力作用下的单跨静态承载力进行最大静载应力指标的测算。
[0016]优选地，所述方法中采用多跨算法考虑多跨响应频率与涡脱落频率的接近程度进行动态响应频率指标的测算，考虑多跨耦合效应的静态承载力进行最大静载应力指标的测笪
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[0017]优选地，所述方法中采用非线性算法考虑长径比大于100悬跨的几何非线性效应进行最大静载应力指标的测算。
[0018]优选地，所述方法中采用DNV算法考虑理论分析结合经验公式本征值分析进行动态响应频率指标的测算，考虑理论分析结合经验公式静态承载力进行最大静载应力指标的测算。
[0019]另一方面，本发明还同时提供了一种海底管道悬跨安全等级分级评价装置，包括:
[0020]准备模块，用于确定当前海底管道的悬跨安全需求的等级，准备所述海底管道的设计参数数据并获取所述海底管道的环境参数数据；
`[0021]初级评价模块，用于采用DNV算法的最大静载应力指标计算方式和多跨算法的最大静载应力指标计算方式的组合，对所述海底管道的悬跨段安全进行初步评价；
[0022]三级评价模块，用于对于初步评价不安全的悬跨段或较高级的安全需求，采用单跨算法的最大静载应力指标计算方式和DNV算法的动态响应频率指标计算方式的组合，对所述海底管道的悬跨段安全进行三级评价；
[0023]二级评价模块，用于对于三级评价不安全的悬跨段或更高级的安全需求，采用单跨算法的动态响应频率指标计算方式、多跨算法的动态响应频率指标计算方式和非线性算法的最大静载应力指标计算方式的组合，对所述海底管道的悬跨段安全进行二级评价；
[0024]一级评价模块，用于对于二级评价不安全的悬跨段或最高级的安全需求，采用单跨算法的疲劳寿命指标计算方式，对所述海底管道的悬跨段安全进行一级评价；
[0025]输出模块，用于输出各级评价超标的悬跨段信息并进行相应的提示或报警。
[0026]优选地，所述输出模块中，对高级别评价超标的悬跨段进行优先报警和/或治理。
[0027](三)技术效果
[0028]相对于现有技术，本发明提供了一种海底管道悬跨安全等级分级评价方法及装置，通过四个安全等级的评价标准来评价悬跨段的安全性，能够在以往凭借单一评价标准识别出的为数众多的“危险”悬跨中甄别出一定数量亟须治理的“高危”悬跨，能够更为合理地利用有限的运维和治理资源，最大化地发挥其保障油气田安全生产的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是不同流速下同一悬跨段的最大静载挠度和应力变化示意图；
[0030]图2是本发明的一个实施例中海底管道悬跨安全等级分级评价方法的流程示意图；
[0031]图3是DNV算法的最大静载挠度计算结果与独立单跨算法结果对比示意图；
[0032]图4是DNV算法的一阶湿模态频率计算结果与独立单跨算法结果对比示意图；
[0033]图5是以两连跨为例考察独立单跨与耦合多跨算法的保守性的示意图；
[0034]图6是一段约70m单跨的前三阶模态示意图；
[0035]图7是多跨间的耦合作用示意图；
[0036]图8是对一系列不同长径比的悬跨段、采用线性的独立单跨算法和非线性算法算得的最大静载挠度结果的对比示意图。
【具体实施方式】
[0037]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]目前，各种海管悬跨段安全性校核的力学指标主要有最大静载挠度、最大静载应力、动态响应频率和疲劳寿命四个，前两个主要用于考察悬跨段的静态安全性，后两个主要用于考察悬跨段的动态安全性。
[0039]最大静载挠度用于考察悬跨段的刚度是否符合正常运行的要求，其安全阈值一般取为0.4%的悬跨长度，通常认为实际最大挠度超过该值则悬跨段无法正常运行，发生刚度失效，但不至于危及安全运行。
[0040]最大静载应力用于考察悬跨段的材料强度是否满足安全运行的要求，其安全阈值一般取为海管所用钢材的许用应力，通常认为实际最大应力超过该值则悬跨段无法安全运行，发生强度失效，需采取措施维护其安全性。
[0041]动态响应频率用于考察悬跨段的动态响应特性是否满足安全运行的要求，在水流的作用下，海管下游产生的涡脱落作为脉动水动力载荷可能会激发悬跨段发生涡激振动，如果悬跨段的固有频率接近涡脱落频率，其导致的动态应力将大幅增加，极大地降低了材料的疲劳寿命。该指标的安全阈值为涡脱落频率范围的极值，通常认为响应频率在该范围内则悬跨段发生涡激振动，即动态失效。但该指标仅能确定悬跨段是否发生涡激振动，而对涡激振动造成的损伤量无法确定。
[0042]疲劳寿命用于考察悬跨段的材料寿命是否满足安全运行的要求，它是一个相对综合性的指标，该指标可以包含静载和动态响应两方面的影响，其安全阈值一般取为海管设计寿命，通常认为实际计算寿命小于该值则悬跨段无法安全运行，存在发生疲劳失效的可能性，需采取措施维护其安全性。
[0043]上述力学指标都需要通过对悬跨段建立力学模型，结合其结构、材料的设计参数以及环境参数来计算求得，而计算模型及所需参数与实际的接近程度可用来衡量这些力学指标作为安全性评价标准的可靠程度。相对来讲，静载挠度和应力值与重力和水动力均值有关，并且悬跨的水动力均值相比重力的量值小得多，所以，这两个指标的计算值相对更接近于实际；而动态响应频率和疲劳寿命受海流速度的影响更为直接，而海流速度的测量非常困难，常常缺少实际海流的测量值，在这两个指标的计算中，往往假定流速的值或分布，这常常造成计算结果与实际情况存在较大偏差。所以从指标本身的可靠性来讲，描述静载安全性的最大静载挠度和应力比动态响应频率和疲劳寿命更加可靠，即动态响应频率和疲劳寿命指标的计算值更具有不确定性。
[0044]从上述指标所表征的失效形式对海管安全性的危害程度来讲，超过最大静载应力和疲劳寿命意味着海管发生断裂破坏，其危害都是致命的；超过最大静载挠度意味着悬跨段过于弯曲，影响输送效率，可能间接地导致静载应力过大；而动态响应频率属于非直接描述海管破坏或其他形式损伤的指标。从此意义上来讲，以静载挠度和动态响应频率来评价悬跨段的安全性比静载应力和疲劳寿命更加偏于保守。
[0045]图1表示的是不同流速下同一悬跨段的最大静载挠度和应力变化，可见相同条件下，挠度指标总是大于应力指标，所以相同条件下更易发生刚度失效。所以，用挠度指标筛选危险悬跨比用应力指标筛选更为严格，即挠度指标更为偏于保守。
[0046]通过上述分析，四个力学指标的特性分类排序如下表所示:
[0047]
【权利要求】
1.一种海底管道悬跨安全等级分级评价方法，其特征在于，所述方法包括步骤: 确定当前海底管道的悬跨安全需求的等级，准备所述海底管道的设计参数数据并获取所述海底管道的环境参数数据； 采用DNV算法的最大静载应力指标计算方式和多跨算法的最大静载应力指标计算方式的组合，对所述海底管道的悬跨段安全进行初步评价； 对于初步评价不安全的悬跨段或较高级的安全需求，采用单跨算法的最大静载应力指标计算方式和DNV算法的动态响应频率指标计算方式的组合，对所述海底管道的悬跨段安全进行三级评价； 对于三级评价不安全的悬跨段或更高级的安全需求，采用单跨算法的动态响应频率指标计算方式、多跨算法的动态响应频率指标计算方式和非线性算法的最大静载应力指标计算方式的组合，对所述海底管道的悬跨段安全进行二级评价； 对于二级评价不安全的悬跨段或最高级的安全需求，采用单跨算法的疲劳寿命指标计算方式，对所述海底管道的悬跨段安全进行一级评价； 输出各级评价超标的悬跨段信息并进行相应的提示或报警。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤:对高级别评价超标的悬跨段进行优先报警和/或治理。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中采用单跨算法考虑流速分布下涡激振动的有限元分析进行疲劳寿命指标的测算，考虑单跨响应频率与涡脱落频率的接近程度进行动态响应频率指标的测算，考虑水动力作用下的单跨静态承载力进行最大静载应力指标的测算。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中采用多跨算法考虑多跨响应频率与涡脱落频率的接近程度进行动态响应频率指标的测算，考虑多跨耦合效应的静态承载力进行最大静载应力指标的测算。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中采用非线性算法考虑长径比大于100悬跨的几何非线性效应进行最大静载应力指标的测算。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中采用DNV算法考虑理论分析结合经验公式本征值分析进行动态响应频率指标的测算，考虑理论分析结合经验公式静态承载力进行最大静载应力指标的测算。
7.一种海底管道悬跨安全等级分级评价装置，其特征在于，所述装置包括: 准备模块，用于确定当前海底管道的悬跨安全需求的等级，准备所述海底管道的设计参数数据并获取所述海底管道的环境参数数据； 初级评价模块，用于采用DNV算法的最大静载应力指标计算方式和多跨算法的最大静载应力指标计算方式的组合，对所述海底管道的悬跨段安全进行初步评价； 三级评价模块，用于对于初步评价不安全的悬跨段或较高级的安全需求，采用单跨算法的最大静载应力指标计算方式和DNV算法的动态响应频率指标计算方式的组合，对所述海底管道的悬跨段安全进行三级评价； 二级评价模块，用于对于三级 评价不安全的悬跨段或更高级的安全需求，采用单跨算法的动态响应频率指标计算方式、多跨算法的动态响应频率指标计算方式和非线性算法的最大静载应力指标计算方式的组合，对所述海底管道的悬跨段安全进行二级评价；一级评价模块，用于对于二级评价不安全的悬跨段或最高级的安全需求，采用单跨算法的疲劳寿命指标计算方式，对所述海底管道的悬跨段安全进行一级评价； 输出模块，用于输出各级评价超标的悬跨段信息并进行相应的提示或报警。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述输出模块中，对高级别评价超标的悬跨段进行优先报警和 /或治理。
【文档编号】G06F17/50GK103810380SQ201410037596
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】李磊, 江文滨, 林缅 申请人:中国科学院力学研究所