一种海底管道损伤分析方法与流程

1.本发明属于海洋工程防护领域，具体涉及一种海底管道损伤分析方法。


背景技术：

2.海底管道作为国家海洋化石资源工业的主要装备，被广泛应用于海上石油和天然气开采和输送过程中。海底管道遭受落锚冲击荷载后，极易引起凹陷、破裂和贯穿的侵彻问题，对海底管道的服役造成威胁。毁伤分析作为海底管道运营过程中不可或缺的重要环节，能够提供海底管道侵彻的损伤程度与破坏状态的评价。然而，目前还没有完善的海底管道侵彻损伤分析方法，使得国内外规范对海底管道侵彻维修尚未有明确指导。因此，建立一种能够快速判定海底管道在落锚冲击荷载下结构损伤程度的方法对确保海底管道的安全尤为重要。
3.目前有关管道结构的损伤分析方法多集中于振动和压载方面，对于冲击作用对海底管道损伤分析的研究还相对薄弱。尽管在充液有压类管道的侵彻理论与损伤规律上已有相关进展，但仍然存在一些不足：(1)现阶段主要依靠经验或半经验公式来获得海底管道侵彻损伤数据，这些数据通常来自某些特定损伤事故，局限于侵彻损伤数据的迁移应用；(2)由于缺乏适合工程应用的毁伤评价指标，使得准确描述管道侵彻损伤程度和破坏形式仍然无计可施；(3) 由于多参数影响的复杂性以及多种侵彻模式的存在，使得海底管道侵彻损伤分析方法难以代表不同破坏模式，并没有形成统一的损伤分析等级。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，并且提出了一种海底管道损伤分析方法，通过构建约翰逊损伤数和侵彻深度率的两项损伤分析指标，绘制损伤分析曲线，根据不同侵彻模式量化形成统一的定量等级界限，并给予相应的定性损伤评述，由此根据海底管道参数组合点与损伤分析曲线的位置关系判定损伤程度。
5.本发明公开一种海底管道损伤分析方法，其特征在于，包括：
6.获取海底管道外径d、壁厚t与设计内压p，落锚的体积v与底面积a，落锚撞击海底管道时的冲击速度v0，和土体的粘聚力c与内摩擦角θ，基于上述参数构建海底管道损伤分布云图，基于海底管道损伤分布云图甄别不同侵彻模式，并获取各侵彻模式的侵彻深度范围d
s
和侵彻模式转变的临界冲击速度v
s
；
7.获取管壁屈服强度σ
y
，建立以所述临界冲击速度v
s
和管壁屈服强度σ
y
为参数的无量纲约翰逊损伤数指标
8.建立以所述侵彻深度d
s
与管道外径d为参数的无量纲侵彻深度率指标η；
9.以无量纲约翰逊损伤数指标为横坐标，以无量纲侵彻深度率指标η为纵坐标组成损伤指标坐标点并构建管道损伤曲线，根据损伤指标坐标点在所述管道损伤分析曲线上的位置对海底管道遭受冲击荷载后的损伤程度进行分级。
10.进一步地，无量纲约翰逊损伤数指标的计算公式为：
[0011][0012]
式中，为约翰逊损伤数，ρ
g
为锚体等效密度，v
s
为临界冲击速度，σ
y
为海底挂管道屈服强度。
[0013]
进一步地，无量纲侵彻深度率指标η的计算公式为：
[0014]
式中，η为侵彻深度率，d
s
为侵彻深度，d为海底管道外径。
[0015]
进一步地，所述侵彻模式包括：凹陷模式、破裂模式和贯穿模式。
[0016]
进一步地，落锚撞击海底管道时的接触冲击速度v0的公式计算为：
[0017][0018]
式中，v0为落锚撞击海底管道时的冲击速度，m为落锚质量，g为重力加速度，ρ
w
为海水密度，ρ
g
为锚体等效密度，c
d
为拖曳系数。
[0019]
进一步地，锚体等效密度ρ
g
的计算公式为：
[0020][0021]
式中，ρ
g
为锚体等效密度，ρ
a
为锚体密度，c
a
为附加质量系数。
[0022]
进一步地，海底管道遭受冲击荷载后的损伤程度等级包括：
[0023]
轻微凹陷损伤：η≤0.05
[0024]
重度凹陷损伤：0.05<η≤0.25
[0025]
破裂破坏：0.23<η≤0.25
[0026]
贯穿毁伤：η≤0.23
[0027]
。
[0028]
本发明具有的有益效果：
[0029]
(1)本发明综合考量了海底管道致灾原因和宏观表征的两个角度，建立了约翰逊损伤数与侵彻深度率的两项指标，并由此建立了基于两指标的损伤关系曲线，避免了传统层次分析法中选取大量指标体系的复杂性；
[0030]
(2)通过参数变化构建了损伤分析曲线，依据损伤云图和曲线划分不同侵彻模式的等级限值，形成了统一的损伤等级，能够更宏观地评价各类失效模式的情况，实现了损伤分析方法的普适性；
[0031]
(3)本发明仅需判断工程参数坐标点与损伤分析曲线的位置，即可快速获得海底管道撞击损伤程度，相比于试验研究和理论推导，该方法更加快捷、便利，能够在工程事故中快速对管道损伤做出判断。
附图说明
[0032]
图1是本发明的流程示意图。
[0033]
图2是本发明实施例提供的实体模型示意图。
[0034]
图3是本发明实施例提供的损伤分析曲线与损伤等级划分示意图。
[0035]
图4是本发明实施例提供的损伤定量分级与定性评价实例图。
具体实施方式
[0036]
现在将结合参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方法仅仅是示例性的，意在阐明本发明的原理与流程，而并非限制本发明的范围。
[0037]
本发明实施例提供一种海底管道损伤分析方法，如图1所示，包括以下步骤s1～s7：
[0038]
s1、根据事故发生的情况，分别获取该海底管道的外径d、壁厚t与设计内压p，落锚的体积v与底面积a，和土体的粘聚力c与内摩擦角θ的特征参数；按照规范提供公式计算落锚冲击速度v0。通常，海底管道和落锚参数可直接由编制获得，水深可由海洋测绘数据或人为预估获得，海床土体可采用经验数值。
[0039]
具体地，步骤s1还包括以下分步骤：
[0040]
s11、落锚撞击海底管道时的接触冲击速度v0可采用海底管道规范dnv
‑
rp
‑
f107中建议的公式计算：
[0041][0042]
式中，v0为落锚撞击的冲击速度，m为落锚质量，g为重力加速度，ρ
w
为海水密度，ρ
g
为锚体等效密度，c
d
为拖曳系数(可由表1确定)。
[0043]
s12、落锚在水中坠落时会携带附加水质量，附加水质量对撞击结构具有很大的影响。工程中通常锚体等效密度的方法，将附加水质量考虑到锚体质量中。锚体等效密度ρ
g
的计算公式为：
[0044][0045]
式中，ρ
g
为锚体等效密度，ρ
a
为锚体密度，c
a
为附加质量系数(可由表1确定)。
[0046]
表1拖曳系数与附加质量系数
[0047][0048]
s2、如图2所示，按照上述特征参数在ansys/ls
‑
dyna建立海底管道
‑
落锚
‑
土体的实体模型，并输入各实体的物理参数，划分网格并设定边界条件后提交软件内计算。本实施例的有关参数如表2所示。
[0049]
表2本实施例的模型参数
[0050][0051]
由此，通过ansys/ls
‑
dyna的数值仿真计算，获得海底管道损伤分布云图和不同工况下的侵彻深度范围d
s
；甄别不同侵彻模式(包括凹陷、破裂和贯穿)，并根据各类侵彻模式下输入的落锚冲击速度，获得侵彻模式转变的临界冲击速度v
s
。
[0052]
具体地，步骤s2包括以下分步骤：
[0053]
s21、数值模型建立。在软件中按照步骤s1所获取的特征参数，分别建立海底管道、落锚和底床土体的几何实体。优选地，为避免局部边界对管道结构响应的影响，所建海底海底管道的长度应至少大于8～10倍的海底管道外径d，所建土体的长、宽、厚度应至少大于8～10 倍的海底管道外径d。
[0054]
s22、参数定义与划分网格。在软件的材料模块内分别定义海底管道实体密度ρ
p
和锚体等效密度ρ
g
、屈服应力σ
y
和弹性模量e，定义土体实体的密度ρ
s
、粘聚力c与内摩擦角θ。优选地，软件自动划分网格后，设置在海底管道与落锚接触区域和与底床接触区域的网格相对更加密集。
[0055]
s23、边界条件设定。设定海底管道与落锚的接触类型为摩擦型接触(根据工程经验，摩擦系数大致在0.15左右，动力系数大致在0.1左右)；设定荷载，包括落锚的冲击速度v0、海底管道的内压p；设定海底管道两端截面为固定约束，设定土体的侧面和底面为固定约束。
[0056]
s24、结果后处理。通过软件仿真计算后，可导出海底管道撞击后的损伤云图，根据损伤云图可观察并甄别不同的侵彻模式，获取各模式间转变的临界冲击速度v
s
，和该模式下的侵彻深度范围d
s
如表3所示。
[0057]
表3临界冲击速度和侵彻深度范围计算结果
[0058][0059]
s3、由步骤s2中得到的临界冲击速度v
s
和管壁屈服强度σ
y
，按照下式计算各侵彻模式下的约翰逊损伤数指标
[0060]
[0061]
s4、由步骤s2中得到的侵彻深度d
s
和管道外径d，按照下式计算各侵彻模式下的侵彻深度率指标η：
[0062][0063]
s5、如图3所示，以约翰逊损伤数指标为横坐标，以侵彻深度率指标η为纵坐标，绘制计算得到的点(如图3中所示例的a、b、c点)，拟合上述散点得到损伤分析曲线；根据管道损伤云图和损伤分析曲线的趋势，划分不同侵彻模式交界处的界限(如图3中所示例的凹陷阶段、破裂阶段和贯穿阶段)。
[0064]
具体地，步骤s5包括以下分步骤：
[0065]
s51、对于凹陷的侵彻模式，该阶段的判断依据为，随约翰逊损伤数的增大，侵彻深度率η持续增大，在损伤分析曲线达到极值之前均为此阶段；损伤云图显示管道呈现一定深度的凹坑。
[0066]
s52、对于破裂的侵彻阶段，该阶段的判断依据为，损伤分析曲线达到极大值，破裂阶段可认定为某点或较小区间；损伤云图可观察到明显的贯穿性裂缝。
[0067]
s53、对于贯穿的侵彻阶段，该阶段的判断依据为，损伤分析曲线出现平稳或下降；损伤云图显示管道出现贯通性撕裂或破口。
[0068]
s6、按照损伤分析曲线的界限值，获得各侵彻模式的参数范围，由此量化形成统一损伤评价等级及η参数范围；通过大量数值仿真的参数研究，可获得一系列的损伤分析曲线；若再次发生海底管道撞击事故，仅需获得步骤s1中的特征参数，求得坐标点，根据损伤指标坐标点在损伤分析曲线上的位置关系，即可直接对海底管道遭受冲击荷载后的损伤程度进行分级。
[0069]
s7、如图4所示，以本实施例为实例，将海底管道受撞击的损伤程度划分为轻微凹陷损伤、重度凹陷损伤、破裂破坏和贯穿毁伤的四个损伤等级，各损伤等级的参数范围如表 4所示。
[0070]
表4各损伤等级的参数范围
[0071][0072]
按照损伤程度和工程经验，分别对应各损伤等级提出各等级受撞海底管道的破坏模式、破坏程度、维修难易和维修成本的工程评价，用于指导受撞海底管道的维修与更换工作，各损伤等级的损伤评价如表5所示。
[0073]
表5各损伤等级的损伤评价
[0074][0075][0076]
本发明提供的海底管道损伤分析方法，仅需获得该事故的步骤s1特征参数，求得坐标点，根据损伤指标坐标点在损伤分析曲线上的位置关系，即可直接获得海底管道的损伤程度与维修建议，为事故的快速判断与应急维修提供强有力的支撑。该海底管道损伤分析方法能够更宏观地评价各类失效模式的情况，实现了损伤分析方法的普适性；可快速获得海底管道撞击损伤程度与维修建议，具有快捷、便利、高效的特征。
[0077]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。