一種海底崎嶇地形長輸管線路由選擇方法
【專利摘要】本發明公開了一種海底崎嶇地形長輸管線路由選擇方法，包括：建立向量式有限元長輸管道快速力學分析模型、嵌入管土耦合模塊、確定管土耦合模塊參數、不同路由方案下長輸管線狀態計算、路由方案安全性判斷及選擇等步驟。本發明通過建立有限元長輸管線快速力學分析模型，計算多種傳輸管線路由設計方案長輸管線鋪設后的狀態，并通過不同的安全準則評價各路由設計方案的長輸管線的安全狀態，并在滿足所有安全準則的路由設計方案中選擇最佳，從而提高長輸管線路由設計方案選擇時的安全性與科學性。
【專利說明】
一種海底崎岷地形長輸管線路由選擇方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于海洋油氣生產風險管理領域，特別涉及一種海底崎嶇地形長輸管線路由選擇方法。
【背景技術】
[0002]在海洋油氣開采和集輸過程中，海底長輸管線是最重要的油氣輸運設備，不可避免地將經過海底地形崎嶇區域。此時，長輸管線路由的選擇與設計至關重要，好的設計不僅能節約建造維護成本，而且可大大提高長輸管線的安全性。在以往的長輸管線路由設計中，對路由方案的評價往往依據行業規范進行。但是，單獨利用行業規范對經過崎嶇底床時的長輸管線進行設計存在困難，并且難以預測長輸管線鋪設后彎曲變形、應力應變分布和懸跨狀態，造成路由設計安全性與科學性不足。因此，需要一種新的方法，更完善地評價經過崎嶇底床海底長輸管線鋪設路由方案的安全性，并進行路由方案選擇。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是:提供一種海底崎嶇地形長輸管線路由選擇方法，可計算預知不同長輸管線路由設計方案鋪設后狀態，進一步提高長輸管線設計的科學性與安全性。
[0004]本發明的技術方案是:一種海底崎嶇地形長輸管線路由選擇方法，包括以下步驟:
[0005]步驟一:建立向量式有限元長輸管線快速力學分析模型；
[0006]步驟二:在向量式有限元長輸管線快速力學分析模型中嵌入管土耦合模塊；
[0007]步驟三:確定管土耦合模塊參數，包括底床在軸向、豎直橫向、水平橫向的彈性模量和塑性模量；
[0008]步驟四:將管土耦合模塊參數代入管土耦合模塊，計算多種長輸管線路由設計方案下的長輸管線狀態；
[0009]步驟五:對比多種長輸管線路由設計方案下的長輸管線狀態，找出最佳長輸管線路由設計方案。
[0010]更進一步地，所述步驟一建立向量式有限元長輸管線快速力學分析模型時采用基于區域分解的并行方案，長輸管線結構計算域MPI并行分解的步驟為:
[0011]a.將長輸管線進行向量式有限元離散化，得到離散模型，即將長輸管線離散為具有質量和轉動慣量的結點和連接結點的單元；
[0012]b.將整個計算域進行MPI并行計算區域分解，即將整個計算域分解為互相連接且無交叉的各個子計算域；
[0013]c.依據MPI區域分解算法，將離散模型進行MPI并行區域映射，即不同的子計算域映射至不同的計算機進程；
[0014]d.各計算機進程獨立完成子計算域內的計算任務，并與相鄰子計算區域的進程發生MPI并行通信；
[0015]e.匯總所有子計算域進程計算結果，得到長輸管線的力學計算結果。
[0016]更進一步地，所述步驟二建立管土耦合模塊應考慮長輸管線與底床間的動態接觸過程，判別準則為:
[0017]a.管土接觸判別準則:長輸管線結點位置位于底床表面坐標以下；
[0018]b.管土分離判別準則:底床對長輸管線結點的豎向反力小于等于零。
[0019]更進一步地，所述步驟四計算長輸管線狀態的步驟為:
[0020]a.使長輸管線平直地位于底床上方，且不與底床發生接觸；
[0021 ] b.在長輸管線兩端施加鋪設殘余張力；
[0022]c.約束長輸管線一端，不允許其發生軸向位移和水平橫向位移，但允許其發生豎向位移；
[0023]d.對長輸管線加載重力和浮力，使長輸管線緩慢下落，直到長輸管線與底床發生接觸且底床對長輸管線提供足夠支撐，長輸管線不再變形；
[0024]e.改變長輸管線工況，按時間順序，使長輸管線分別經歷各設計工況，并提取長輸管線不同工況下的狀態。
[0025]更進一步地，所述步驟五對比選擇最佳長輸管線路由設計方案準則為:
[0026]a.各種設計工況下長輸管線的懸跨長度和疲勞壽命不能超出行業規范許可范圍；
[0027]b.長輸管線需滿足在位穩定性條件，在波浪和潮流等流場作用下不產生橫向位移;
[0028]c.長輸管線應力必須小于行業規范最大許可值；
[0029]d.長輸管線應變必須小于行業規范最大許可值；
[0030]e.以上準則若有一條不滿足，則認為該路由設計方案失敗;若有兩個或多個路由設計方案同時滿足以上準則，則選擇懸跨疲勞壽命最長的路由設計方案。
[0031]本發明通過建立有限元長輸管線快速力學分析模型，計算多種傳輸管線路由設計方案長輸管線鋪設后的狀態，并通過不同的安全準則評價各路由設計方案的長輸管線的安全狀態，并在滿足所有安全準則的路由設計方案中選擇最佳，從而提高長輸管線路由設計方案選擇時的安全性與科學性。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發明步驟不意圖；
[0033]圖2為本發明向量式有限元并行計算區域分解示意圖；
[0034]圖3為本發明向量式有限元并行計算區域映射示意圖；
[0035]圖4為本發明中涉及的崎嶇地形長輸海管鋪設示意圖；
[0036]圖5為本發明中模擬管道鋪設過程示意圖；
[0037]圖6為本發明經過崎嶇底床海底管道在不同工況下的變形和彎矩分布示意圖。
【具體實施方式】
[0038]實施例1:參見圖1至圖6，一種海底崎嶇地形長輸管線路由選擇方法，包括以下步驟:
[0039]步驟一:采用基于區域分解的并行方案，建立向量式有限元長輸管線快速力學分析模型，長輸管線結構計算域MPI并行分解的步驟為:
[0040]a.將長輸管線進行向量式有限元離散化，得到離散模型，即將長輸管線離散為具有質量和轉動慣量的結點和連接結點的單元；
[0041]b.將整個計算域進行MPI并行計算區域分解，即將整個計算域分解為互相連接且無交叉的各個子計算域；
[0042]c.依據MPI區域分解算法，將離散模型進行MPI并行區域映射，即不同的子計算域映射至不同的計算機進程；
[0043]d.各計算機進程獨立完成子計算域內的計算任務，并與相鄰子計算區域的進程發生MPI并行通信；
[0044]e.匯總所有子計算域進程計算結果，得到長輸管線的力學計算結果。
[0045]步驟二:在向量式有限元長輸管線快速力學分析模型中嵌入管土耦合模塊，建立管土耦合模塊應考慮長輸管線與底床間的動態接觸過程，判別準則為:
[0046]a.管土接觸判別準則:長輸管線結點位置位于底床表面坐標以下；
[0047]b.管土分離判別準則:底床對長輸管線結點的豎向反力小于等于零。
[0048]步驟三:確定管土耦合模塊參數，包括底床在軸向、豎直橫向、水平橫向的彈性模量和塑性模量；
[0049]步驟四:將管土耦合模塊參數代入管土耦合模塊，計算多種長輸管線路由設計方案下的長輸管線狀態，計算長輸管線狀態的步驟為:
[0050]a.使長輸管線平直地位于底床上方，且不與底床發生接觸；
[0051 ] b.在長輸管線兩端施加鋪設殘余張力；
[0052]c.約束長輸管線一端，不允許其發生軸向位移和水平橫向位移，但允許其發生豎向位移；
[0053]d.對長輸管線加載重力和浮力，使長輸管線緩慢下落，直到長輸管線與底床發生接觸且底床對長輸管線提供足夠支撐，長輸管線不再變形；
[0054]e.改變長輸管線工況，按時間順序，使長輸管線分別經歷各設計工況，并提取長輸管線不同工況下的狀態；
[0055]步驟五:對比多種長輸管線路由設計方案下的長輸管線狀態，找出最佳長輸管線路由設計方案，對比選擇最佳長輸管線路由設計方案準則為:
[0056]a.各種設計工況下長輸管線的懸跨長度和疲勞壽命不能超出行業規范許可范圍；
[0057]b.長輸管線需滿足在位穩定性條件，在波浪和潮流等流場作用下不產生橫向位移;
[0058]c.長輸管線應力必須小于行業規范最大許可值；
[0059]d.長輸管線應變必須小于行業規范最大許可值；
[0060]e.以上準則若有一條不滿足，則認為該路由設計方案失敗;若有兩個或多個路由設計方案同時滿足以上準則，則選擇懸跨疲勞壽命最長的路由設計方案。
【主權項】
1.一種海底崎嶇地形長輸管線路由選擇方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:建立向量式有限元長輸管線快速力學分析模型； 步驟二:在向量式有限元長輸管線快速力學分析模型中嵌入管土耦合模塊； 步驟三:確定管土耦合模塊參數，包括底床在軸向、豎直橫向、水平橫向的彈性模量和塑性模量； 步驟四:將管土耦合模塊參數代入管土耦合模塊，計算多種長輸管線路由設計方案下的長輸管線狀態； 步驟五:對比多種長輸管線路由設計方案下的長輸管線狀態，找出最佳長輸管線路由設計方案。2.如權利要求1所述的一種海底崎嶇地形長輸管線路由選擇方法，其特征在于:所述步驟一建立向量式有限元長輸管線快速力學分析模型時采用基于區域分解的并行方案，長輸管線結構計算域MPI并行分解的步驟為: a.將長輸管線進行向量式有限元離散化，得到離散模型，即將長輸管線離散為具有質量和轉動慣量的結點和連接結點的單元； b.將整個計算域進行MPI并行計算區域分解，即將整個計算域分解為互相連接且無交叉的各個子計算域； c.依據MPI區域分解算法，將離散模型進行MPI并行區域映射，即不同的子計算域映射至不同的計算機進程； d.各計算機進程獨立完成子計算域內的計算任務，并與相鄰子計算區域的進程發生MPI并行通信； e.匯總所有子計算域進程計算結果，得到長輸管線的力學計算結果。3.如權利要求1所述的一種海底崎嶇地形長輸管線路由選擇方法，其特征在于:所述步驟二建立管土耦合模塊應考慮長輸管線與底床間的動態接觸過程，判別準則為: a.管土接觸判別準則:長輸管線結點位置位于底床表面坐標以下； b.管土分離判別準則:底床對長輸管線結點的豎向反力小于等于零。4.如權利要求1所述的一種海底崎嶇地形長輸管線路由選擇方法，其特征在于:所述步驟四計算長輸管線狀態的步驟為: a.使長輸管線平直地位于底床上方，且不與底床發生接觸； b.在長輸管線兩端施加鋪設殘余張力； c.約束長輸管線一端，不允許其發生軸向位移和水平橫向位移，但允許其發生豎向位移； d.對長輸管線加載重力和浮力，使長輸管線緩慢下落，直到長輸管線與底床發生接觸且底床對長輸管線提供足夠支撐，長輸管線不再變形； e.改變長輸管線工況，按時間順序，使長輸管線分別經歷各設計工況，并提取長輸管線不同工況下的狀態。5.如權利要求1所述的一種海底崎嶇地形長輸管線路由選擇方法，其特征在于:所述步驟五對比選擇最佳長輸管線路由設計方案準則為: a.各種設計工況下長輸管線的懸跨長度和疲勞壽命不能超出行業規范許可范圍； b.長輸管線需滿足在位穩定性條件，在波浪和潮流等流場作用下不產生橫向位移； C.長輸管線應力必須小于行業規范最大許可值； d.長輸管線應變必須小于行業規范最大許可值； e.以上準則若有一條不滿足，則認為該路由設計方案失敗;若有兩個或多個路由設計方案同時滿足以上準則，則選擇懸跨疲勞壽命最長的路由設計方案。
【文檔編號】G06F17/50GK106021800SQ201610391474
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月6日
【發明人】許雷閣, 林緬
【申請人】中國科學院力學研究所