一种深海缓波形柔性立管安全性评估方法

技术领域

本发明涉及海洋工程结构物安全诊断技术领域，尤其涉及一种深海缓波形柔性立管安全性评估方法。

背景技术

随着海洋油气开发的脚步迈向深海，其带来的技术难题也层出不穷。柔性立管将海洋平台与海底油气资源相连接，以完成开采等任务。深海工作工况恶劣，在风、浪、流等多种形式载荷作用下，缓波形构型的柔性立管会产生振动且持续时间较长，若长时间处于危险振动的情况则可能会导致立管寿命大幅降低甚至破坏。作为海洋油气开发系统中的“咽喉”部位，一旦柔性立管发生破坏，不仅是开采工作完全瘫痪，产生巨额的经济损失，而且也会对环境造成不可修复的影响，因此关注其是否处在安全的工作状态，进行可靠性的评估，及时检测或者应急响应十分重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种深海缓波形柔性立管安全性评估方法，利用监测数据对模型进行判别或修正后，再利用修正模型对监测数据进行分析并进行安全及可靠性评估，使模型更加精准完善，之后反作用于监测数据，以对立管的工作状态预警、评估并指导诊断决策，为触发评估、检测或者应急响应提供依据，保证了立管长期安全高效工作。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种深海缓波形柔性立管安全性评估方法，其包括如下步骤：

S1:输入深海缓波形柔性立管相关参数，在orcaflex软件中建立缓波形柔性立管模型；

S2:将两种工况的环境参数分别输入到orcaflex软件中，使相应的环境参数施加到缓波形柔性立管模型上，这里的两种工况可以分别是一年一遇与百年一遇工况。

S3:获取缓波形柔性立管模型对应两种工况环境参数下的多个监测节点的线性加速度，绘制出缓波形柔性立管模型在每个监测节点监测时段内的加速度包络线图；

S4:获取监测时段内各监测节点线性加速度的最大值，并将最大值与步骤S3中一年一遇工况缓波形柔性立管模型相应监测节点的加速度包络线图进行比较，若最大值均落在相应的加速度包络线图内，则实际深海缓波形柔性立管视为安全，无需对缓波形柔性立管模型进行修正，直接跳转至步骤S6，若其中有一个监测节点最大值落在相应的加速度包络线图外，则跳转至步骤S5，对缓波形柔性立管模型进行修正；

S5:核对步骤S2中输入的环境参数是否为实际深海缓波形柔性立管所处海域的环境参数，并判断输入的环境参数是否合理，若判断环境参数输入错误或输入环境参数不合理，则重新输入相应的环境参数，重复执行步骤S2-S5，直至所有监测节点线性加速度的最大值均落在相应的加速度包络线图内，视为完成对缓波形柔性立管模型的修正，跳转至步骤S6；

S6:导出缓波形柔性立管模型在一年一遇工况下所有监测节点监测时段内的线性加速度结果，取线性加速度的最大值作为线性加速度的阈值，实时监测实际深海缓波形柔性立管各监测节点的线性加速度数据并与阈值进行比较，若实际深海缓波形柔性立管的线性加速度数据均小于等于阈值，则说明实际深海缓波形柔性立管处于安全工况，若出现实际深海缓波形柔性立管的线性加速度数据大于阈值，则说明实际深海缓波形柔性立管处于危险工况，触发预警程序并采取应急响应措施。

进一步，当步骤S4中实际深海缓波形柔性立管线性加速度最大值均落在相应的加速度包络线图内或者是步骤S5中完成对缓波形柔性立管模型的修正后，进行深海缓波形柔性立管可靠性计算，具体包括如下步骤：

D1:分析参数变化造成的不同疲劳损伤率，根据缓波形柔性立管模型进行疲劳分析后建立各疲劳因素的相关响应面方程，再根据各疲劳因素的相关响应面方程，计算出缓波形柔性立管的波致疲劳损伤D

D2:利用缓波形柔性立管可靠性极限状态方程式(1)，再利用Monte Carlo方法对立管失效概率进行模拟计算，得到此组随机参数下的Z

P

其中：Δ为Miner准则里疲劳失效时的值，X

D3:在设定时间步内多次重复步骤D2，计算出随时间步长变化的双失效模式相关下的失效概率，并绘制出缓波形柔性立管在波致疲劳、涡激疲劳两种失效模式相关下的失效概率曲线；

D4:根据D3的失效概率曲线，当某年的失效概率大于设定的失效概率，则到达某年时开始加强对缓波形柔性立管的监测或者更换缓波形柔性立管。

优化的，步骤S3中选取的监测节点数为2-5个。

优化的，步骤S3、S4中的监测时段为15分钟，相邻监测时段的间隔1小时。

发明的有益效果

本发明提供的一种深海缓波形柔性立管安全性评估方法，具有如下优点：

(1)本发明提出了一种建立更加合理并符合工程实际的立管模型的方法，通过输出结果与监测数据的对比，验证模型与输入参数的合理性，解决了环境参数不能满足模型对环境参数输入的全部要求的问题；(2)本发明提出了一种监测数据使用方法的新体系，通过比较验证是否建立合理的立管模型的基础上，再利用设立阈值的方法反作用于监测数据，对立管的工况判定更为合理，并将模型运用到可靠性评估中，使得立管安全评估体系更加全面立体；

(3)本发明利用可靠性评估指导实时监测的方式，通过逻辑“或”门，在考虑波致、涡激两种最主要的失效模式相关下计算失效概率，针对性的指导监测，提高监测效率；

(4)本发明通过将目前监测数据与模型二者有机结合，在工程实际上有着极高的通用性，对立管的可靠性评估与诊断的决策有指导意义，具有较大的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明总流程图；

图2是缓波形柔性立管模型图；

图3-图5分别是在来流折减系数可能情况1下计算的x、y、z方向下的立管节点与加速度曲线图；

图6-图8分别是在来流折减系数可能情况2下计算的x、y、z方向下的立管节点与加速度曲线图；

图9是缓波形柔性立管随内径变化沿管长分布的波致疲劳损伤率曲线；

图10是缓波形柔性立管在波致疲劳、涡激疲劳两种失效模式相关下的失效概率曲线；

图11是缓波形柔性立管可靠性计算流程图。

具体实施方式

一种深海缓波形柔性立管安全性评估方法，总流程图如附图1所示：其包括如下步骤：

S1:输入深海缓波形柔性立管相关参数，在orcaflex软件中建立缓波形柔性立管模型；具体实施例中相关参数可如表1、表2所示：

表1立管各段长度数据

表2立管参数

在orcaflex软件中输入实际缓波形柔性立管相关数据就可以在软件中建立缓波形柔性立管模型，具体立管模型如说明书附图2所示；S2:将一年一遇与百年一遇两种工况的环境参数分别输入到orcaflex软件中，使相应的环境参数施加到缓波形柔性立管模型上；具体实施例输入的环境参数如下：

一年一遇环境参数：波浪的波高为3m，周期为10s，与正x轴夹角为45度；风速12m/s，与正x轴夹角为45度；来流表面流速为0.25m/s。

百年一遇环境参数：波浪的波高为8.7m，周期为11.6s，与正x轴夹角为0度；风速24.8m/s，与正x轴夹角为0度；来流表面流速为1.850m/s。

这两种工况下的来流状态均假设为阶梯流，其折减系数随水深变化关系有多种，仅以表3、表4所示为例进行说明。

表3来流折减系数随水深变化关系可能情况1

表4来流折减系数随水深变化关系可能情况2

S3:获取缓波形柔性立管模型对应两种工况环境参数下的多个监测节点的线性加速度，绘制出缓波形柔性立管模型在每个监测节点监测时段内的加速度包络线图；

不同区域水域流速如式(3)所示：

根据orcaflex软件进行时域动态分析的运动方程式(4)进行静力学分析的初始状态与边界条件进行时域动态分析，实际工况中设置的监测点位置可以为距离水面深度40m与100m处，将输入环境参数为一年一遇的数值模型的40m、100m监测节点，最终将分析后的加速度结果导出，就可以得到缓波形柔性立管模型在该监测节点的400s-500s内加速度曲线，从而画出该监测节点x、y、z三个方向的加速度包络曲线，包络曲线图及监测节点在包络曲线图中的所在位置，分别如附图3、4、5、6，7，8所示。

M(p,a)+C(p,v)+K(p)＝F(p,v,t) (4)

其中M(p,a)——系统惯性载荷；C(p,v)——系统阻尼载荷；K(p)——系统刚度载荷，F(p,v,t)——系统外部载荷，其中p,v,a分别代表监测节点所处位置、速度与加速度。

S4:获取监测时段内各监测节点线性加速度的最大值，将最大值与步骤S3中一年一遇工况缓波形柔性立管模型相应监测节点的加速度包络线图进行比较，此时会出现两种情况。第一种情况以利用表3提供的折减系数表为例进行计算，此时计算的数值结果与实际监测数据对比如表5所示，发现监测数据最大值均落在相应的加速度包络线图内，属于落在了说明书附图3、4、5所示安全区的情况，则实际深海缓波形柔性立管视为安全，无需对缓波形柔性立管模型进行修正，直接跳转至步骤S6。第二种情况以利用表4提供的折减系数表为例进行计算，此时计算的具体立管模型结果与实际监测数据对比如表6所示，发现其中40m处X方向的加速度最值及100m处X、Y方向的加速度最值均超出一年一遇工况缓波形柔性立管模型相应监测节点的加速度最值，属于落在了说明书附图6、7、8的修正区的情况，则跳转至步骤S5，对缓波形柔性立管模型进行修正。

表5立管数值模型计算结果与监测数据对比

表6立管数值模型计算结果与监测数据对比

通过将模型输出结果与实际监测数据的对比，可以验证模型与输入参数的合理性，解决了环境参数不能满足模型对环境参数输入的全部要求的问题；

S5:核对步骤S2中输入的环境参数是否为实际深海缓波形柔性立管所处海域的环境参数，并判断输入的环境参数是否合理，若判断环境参数输入错误或输入环境参数不合理，则重新输入相应的环境参数，重复执行步骤S2-S5，直至所有监测节点线性加速度的最大值均落在相应的加速度包络线图内，视为完成对缓波形柔性立管模型的修正，跳转至步骤S6；

具体修正时，可以首先查询监测当天的天气情况，是否由于出现恶劣天气等极端工况造成监测数据大于模型数据，如果没有此情况则对环境参数进行修正，可以调整来流形式折减系数等方式来进行进一步修正。

S6:导出缓波形柔性立管模型在一年一遇工况下所有监测节点监测时段内的线性加速度结果，取线性加速度的最大值作为线性加速度的阈值，具体如表7所示,实时监测实际深海缓波形柔性立管各监测节点的线性加速度数据并与阈值进行比较，若实际深海缓波形柔性立管的线性加速度数据均小于等于阈值，则说明实际深海缓波形柔性立管处于安全工况，若出现实际深海缓波形柔性立管的线性加速度数据大于阈值，则说明实际深海缓波形柔性立管处于危险工况，触发预警程序并采取应急响应措施。

表7立管加速度阈值设置

通过比较验证是否建立合理的立管模型的基础上，再利用设立阈值的方法反作用于监测数据，对立管的工况判定更为合理，通过将数据与模型二者有机结合，在工程实际上有着极高的通用性，对立管的可靠性评估与诊断的决策有指导意义，具有较大的工程应用价值。

进一步，当步骤S4中实际深海缓波形柔性立管线性加速度最大值均落在相应的加速度包络线图内或者是步骤S5中完成对缓波形柔性立管模型的修正后，进行深海缓波形柔性立管可靠性计算，具体流程图如附图11所示，其包括如下步骤：

D1:分析参数变化造成的不同疲劳损伤率，根据缓波形柔性立管模型进行疲劳分析后建立各疲劳因素的相关响应面方程，再根据各疲劳因素的相关响应面方程，计算出缓波形柔性立管的波致疲劳损伤D

这里的参数包括：内径、外径、轴向刚度、弯曲刚度、每米重量、风速、波高、流速、SCF、附加质量、拖曳力系数、海底刚度等,具体实施例参数分布情况如表8所示。

表8可靠性的随机变量及统计参数

以考虑波致疲劳时内径为例来说明建立响应面方法。立管内径在0.188～0.282范围内变化，均值为0.235，变异系数为0.1，立管内径取值见表8第一行，对不同的立管内径形成的新模型基础上利用orcaflex对立管进行疲劳寿命分析，进而得到立管随内径变化沿管长分布的波致疲劳损伤率曲线如图9所示，从图9中读取出的具体损伤率如表9所示。而后在内径-损伤率平面对五个点进行拟合，得到一条曲线，此曲线即为响应面D

表9随内径变化的疲劳损伤率

在上述步骤的基础上，我们采取同样的方式可以得到其他参数的响应面方程D

表10考虑各疲劳因素的概率分布及波致疲劳响应面方程

D2:利用缓波形柔性立管可靠性极限状态方程式(1)，再利用Monte Carlo方法对立管失效概率进行模拟计算，得到此组随机参数下的Z

P

其中：Δ为Miner准则里疲劳失效时的值，X

具体的Monte Carlo方法对立管失效概率进行模拟计算原理为：利用Monte Carlo方法进行模拟，根据大数定律，只要当进行模拟的次数够多时，在模拟的次数中发生失效事件的频率则已接近系统失效的概率。具体可选取分析年限为100年，模拟次数为10000次，进行如下操作：在当前年限下，根据X

D3:在设定时间步内多次重复步骤D2，计算出随时间步长变化的双失效模式相关下的失效概率，并绘制出缓波形柔性立管在波致疲劳、涡激疲劳两种失效模式相关下的失效概率曲线，具体如附图10所示。D4:根据步骤D3的失效概率曲线，当某年的失效概率大于设定的失效概率，则到达某年开始加强对缓波形柔性立管的监测或者更换缓波形柔性立管。

根据失效概率曲线可以判断出多少年以后缓波形柔性立管失效概率大于设定值失效概率值，需要在达到该年限之前的一段时间内加密测量评估，或者是及时更换缓波形柔性立管，以保证缓波形柔性立管的安全性及可靠性，该方法具有很强的工程指导意义。

优化的，步骤S3中选取的监测节点数为2-5个。

优化的，步骤S3、S4中的监测时段为15分钟，相邻监测时段的间隔1小时。

综上所述，本发明提供的一种深海缓波形柔性立管安全性评估方法，利用监测数据对模型进行判别或修正后，再利用修正模型对监测数据进行分析并进行安全及可靠性评估，使模型更加精准完善，之后反作用于监测数据，以对立管的工作状态预警、评估并指导诊断决策，为触发评估、检测或者应急响应提供依据，保证了立管长期安全高效工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。