复杂地貌条件下海管连续悬跨的识别和评估方法与流程

本发明属于深水海洋工程，尤其涉及一种复杂地貌条件下海管连续悬跨的识别和评估方法。

背景技术：

1、深水(水深500米以上)海管的设计是开发深水油田的关键，由于深水海管的挖沟十分困难，加之其受到落物、拖网、拖锚破坏的概率极小，所以深水海管一般是直接放置于海床上。如果海管遇到如存在硬质凸起、海底陡坎以及沙波区等引起的海床高低起伏较严重的复杂地形地貌时，海管会存在大量的悬跨。

2、现有技术中，对于海管悬跨的设计方法是将海管路由上的全部悬跨按照彼此独立考虑，通过规范推荐公式计算独立悬跨的自振频率和模态应力，开展相应的涡激振动疲劳分析，在此前提下判断是否对悬跨进行处理。现有方法往往存在设计结果不准确或过分保守的情况，主要有以下原因：一是两个或多个的悬跨如果彼此距离较小时其振动是相互影响的，按独立悬跨进行设计是不准确的；二是悬跨模态只考虑了第一阶情况，没有考虑高阶情况；三是规范推荐的自振频率计算方法是将独立悬跨的海管作为简支梁处理没有考虑土壤对悬跨海管振动的影响。由于以上原因，使用现有设计方法往往会导致对于悬跨处理工程量(如吹扫、支撑等措施)巨大，大大增加深水工程投资费用。

3、因此，亟需设计一种复杂地貌条件下海管连续悬跨的识别和评估方法，解决以上提到的现有设计方法会导致对于悬跨处理工程量巨大，增加深水工程投资费用，降低工作效率的问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中提及的现有设计方法会导致对于悬跨处理工程量巨大，增加深水工程投资费用，降低工作效率的技术问题，提供一种复杂地貌条件下海管连续悬跨的识别和评估方法，以解决上述的问题。

2、为实现上述目的，本发明的复杂地貌条件下海管连续悬跨的识别和评估方法的具体技术方案如下：

3、一种复杂地貌条件下海管连续悬跨的识别和评估方法，包括如下步骤：

4、s1：根据海管路由水深构建数字孪生海床；

5、s2：根据海管路由土壤钻孔数据计算接触数据集；

6、s3：建立海管路由与孪生海床的接触关系；

7、s4：基于海管与海床接触数据集，对连续悬跨位置进行识别；

8、s5：选取连续悬跨数据集中的一组连续悬跨，建立细化的耦合有限元模型进行评估；

9、s6：根据s5建立的连续悬跨海管、海床的耦合有限元模型，模拟海管调试及操作过程，完成静态评估分析；

10、s7：基于静态分析结果建立重启动模型；

11、s8：计算连续悬跨海管前7阶的振型和频率；

12、s9：对筛选出的每一处连续悬跨进行设计评估；

13、s10：完成海管路由全部连续悬跨的识别和评估。

14、进一步，在s2中，根据海管路由土壤钻孔数据计算接触数据集包括：

15、s21：海管路由区域内的多个土壤钻孔点作为一个样本，分别计算样本中土壤剪切强度和单位水下重的均值和标准差；

16、s22：以s21中计算得到的均值和标准差构建具有25000个样本符合正态分布的土壤剪切强度和单位水下数据集；

17、s23：基于新构建的土壤剪切强度和单位水下数据集，计算数字海床弹性刚度数据集；

18、s24：基于构建的土壤剪切强度、土壤单位水下重、海管沉降量数据集，计算数字海床轴向摩擦系数数据集和土壤等效支撑刚度；

19、s25：基于海管路由物探数据，获得沿海管路由每1米间隔的水深数据，使用有限元方法建立数字孪生模型模拟海管铺设后的连续海床；

20、s26：使用三节点管单元，以1米为单元长度，根据海管路由全长度建立有限元模型。

21、进一步，在s5中，选取连续悬跨数据集中的一组连续悬跨，建立细化耦合模型，以待评估的连续悬跨作为中心位置，海管路由与孪生海床向连续悬跨边界各延伸2000米，海管模型单元长度为0.5米。

22、进一步，在s7中，基于静态分析结果建立重启动模型包括：

23、s71：对模型连续悬跨范围进行重新划分，同样将海管节点与孪生海床的接触间隙＞0.1d的位置作为悬跨点，将中心处连续悬跨的范围进行调整，得到正常操作状态下连续悬跨的边界及与孪生海床接触的跨肩位置；

24、s72：针对s71中得到的连续悬跨段，开展自振频率及模态的评估分析。

25、进一步，基于新构建的土壤剪切强度和单位水下数据集，计算数字海床弹性刚度数据集，通过管道在土壤沉降量与管体自身重量的对应关系进行计算，公式如下：

26、

27、式中：z为海管沉降量；w为海管的单位水下重力,即管体与土壤接触力；d为海管的外径，su为土壤剪切强度。

28、进一步，基于构建的土壤剪切强度、土壤单位水下重、海管沉降量数据集，计算数字海床轴向摩擦系数数据集和土壤等效支撑刚度，公式分别如下：

29、

30、式中：μa为轴向摩擦系数，γ为土壤单位水下重；

31、

32、式中：kv为土壤等效支撑刚度。

33、进一步，在s4中，基于海管与海床接触数据集，对连续悬跨位置进行识别，识别方法按以下步骤进行：

34、s41：将管节点与海床的接触间隙＞0.1d(d为海管外径)的位置作为归集悬跨点，≤0.1d的位置作归集非悬跨点；

35、s42：基于某一处连续的悬跨点计算此处悬跨长度，连续的非悬跨点计算跨肩长度，由此组成由悬跨长度、跨肩长度相间隔的一连串悬跨数据；

36、s43：基于s42获得的悬跨数据集，将其中某一处悬跨长度记作li，与之相邻的前一处悬跨长度记作li-1，两处悬跨之间的跨肩长度记作lsh，当三者满足如下关系时应作为连续悬跨处理：

37、

38、当

39、当

40、s44：使用s43中描述的标准，对每一处悬跨及其前一处悬跨进行识别，将连续满足上述悬跨标准的作为一组连续悬跨，并全部识别出的连续悬跨组成数据集。

41、进一步，在s6中，根据s5建立的连续悬跨海管、海床的耦合有限元模型，模拟海管调试及操作过程，完成静态评估分析，按以下步骤模拟海管调试及操作过程：

42、s61：空管放置海床，海管单位重量不考虑腐蚀余量和内部介质重量，端部施加铺设残余张力，部分启动海管与海床相互作用；

43、s62：海管充水，海管单位重量考虑充满海水；

44、s63：水压试验，在考虑充满海水的海管单位重量基础上，施加水压试验内部压力和温度，充分启动海管与海床相互作用；

45、s64：泄压，模拟海管水压试验之后的状态，不考虑海管内压，保持水压试验时的海管温度；

46、s65：正常操作，在考虑充满正常生产的海管单位重量基础上，施加海管设计内部压力和设计温度，完成对连续悬跨状态下海管正常操作状态的模拟。

47、进一步，针对s8中得到的连续悬跨段，按以下步骤开展海管前7阶振型和频率：

48、s81:以静态分析最后一个分析步为起点，建立重启动模型，模型中将识别出的连续悬跨以外的管节点全部采用完全约束；

49、s82:在连续悬跨临界边界以及中间存在的所有跨肩位置使用弹簧单元模拟海床的影响，弹簧刚度使用s5中计算的kv，开展静态分析；

50、s83:基于上一步的静态分析，使用子空间方法进行连续悬跨段自振频率及模态的评估，提取前7阶的模态振型和频率。

51、本发明的复杂地貌条件下海管连续悬跨的识别和评估方法具有以下优点：

52、与现有技术相比，本发明对复杂地貌下海底管道连续悬跨位置长度识别及模态频率评估方法，可以基于海管运行状态对连续悬跨范围进行判断识别，在评估分析中采用等效刚度的方法考虑海床土壤对连续悬跨海管模态振型和自振频率的影响，使用该方法评估得到的连续悬跨模态和自振频率可用于后续海管涡激振动疲劳寿命计算，避免了常规计算方法的过分保守的结果，达到了在确保管道设计的安全性和可靠性的基础上，合理开发工程方案，减少工程处理量，减低工程开发费用，提高了工作效率。