[發明專利]一種基于懸跨渦激振動疲勞壽命的海底管道設計方法

有效

• 申請號: 201711039220.5
• 申請日: 2017-10-31
• 公開（公告）號: CN107742039B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: 董杰;陳學東;王冰;關衛和;范志超;許明
• 申請（專利權）人: 合肥通用機械研究院有限公司;合肥通用機械研究院特種設備檢驗站有限公司
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F119/04
• 代理公司: 合肥和瑞知識產權代理事務所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺;鄭琍玉

技術領域

本發明屬于海底管道設計技術領域，具體是涉及一種基于懸跨渦激振動疲勞壽命的海底管道設計方法。

背景技術

海底管道具有連續、快捷、輸送量大等優點,是海上油氣集輸的主要形式。由于受到海流、航海、漁業生產、地震等多種因素影響，海底管道服役條件遠比陸上管道苛刻，其安全問題更需要關注，這不僅關系到我國海上石油的正常生產，還關系到我國海上石油的戰略資源安全以及海洋環境污染等重大問題。

海底管道受到海床、海流等影響，難免會產生懸跨。海水在流經懸跨段時會出現旋渦發放現象，引發周期性交替變化作用力，使管道產生渦激振動造成疲勞失效，這是懸跨的一種重要失效模式。由于海上治理懸跨的費用十分高昂，動輒上千萬，因此在設計時就應對懸跨進行渦激振動疲勞壽命評價，在保證管道安全運行的同時，避免后期維修產生的巨額治理費用。這將為建立基于壽命的海底管道設計標準提供關鍵技術支撐。

國外針對海底管道懸跨渦激振動疲勞壽命評價已開展了一些研究工作，并已逐漸發展形成了以約化速度為關鍵控制參數的海底管道懸跨渦激振動疲勞壽命分析方法。如目前最完善的懸跨評估規范挪威船級社DNV的DNV-RP-F105，該規范即是以約化速度來分析計算海底管道渦激振動結構響應。該規范的其它特點還包括：考慮疲勞和局部屈曲失效兩種模式，分析海底管道懸跨的安全狀況；疲勞分析可采用免評準則，當滿足免評準則時，不需要考慮懸跨的疲勞失效問題；基于Weibull分布模型，考慮了長期環境載荷隨時間的分布；考慮了湍流強度、流速方向對管道振動振幅的影響；通過波浪理論，將波浪載荷轉化成與管道水深相同處的海流速度，以考慮波浪載荷對管道結構響應的影響。DNV-RP-F105規范進行懸跨疲勞壽命評估時需要的參數包括：管道結構尺寸、彈性模量、結構模態阻尼比、有效波高、有效波周期、單位振幅振動時的管道應力、懸跨處溝壑深度、湍流強度、雷諾數、疲勞壽命S-N曲線、管道振動振型函數等，并已形成海底管道常用材料的性能數據庫。

但挪威船級社DNV的DNV-RP-F105規范在我國海底管道懸跨疲勞壽命預測方面難以應用，其原因：一是規范主要是針對已投用海底管道懸跨的疲勞壽命預測；二是標準中一些處理方式過于保守，例如將懸跨承受渦激振動時受迫振動頻率按照共振頻率考慮；三是分析過程復雜，涉及的數據較多，由于實際海底管道服役狀態隨環境始終是變化的，因此有些數據難以確定。

我國目前尚缺乏專門針對懸跨渦激振動疲勞壽命的海底管道設計方法，在海底管道設計時是從避免發生渦激振動的角度分析懸跨的安全性，沒有考慮懸跨管道的疲勞損傷累積，這顯然過于保守，無法實現基于壽命的海底管道結構設計。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供一種基于懸跨渦激振動疲勞壽命的海底管道設計方法。

為了實現本發明的目的，本發明采用了以下技術方案：

一種基于懸跨渦激振動疲勞壽命的海底管道設計方法，包括如下步驟：

S1、計算海底管道環向應力允許值σ_c：

由設計溫度下海底管道用材屈服強度σ_s、抗拉強度σ_u、屈服強度安全系數η_s、抗拉強度安全系數η_u來計算海底管道環向應力允許值σ_c，計算公式如下：

σ_c＝min(η_sσ_s，η_uσ_u)(1)

式中，η_s取為0.77，η_u取為0.64；

S2、初步設計確定海底管道壁厚t：

由設計海底管道內部壓力p_i、設計海底管道外部壓力p_e、環向應力允許值σ_c、海底管道外徑D、預期壁厚腐蝕裕量參數t_c初步設計確定海底管道壁厚t，計算公式如下：

S3、計算海底管道懸跨結構固有頻率f_n以及海底管道渦激振動載荷頻率f_L：

由海底管道最大懸跨長度L、海底管道用材彈性模量E、海底管道截面慣性矩I、單位長度有效質量m_e計算海底管道懸跨結構固有頻率f_n，計算公式如下：

式中，m_e包括海底管道質量、混凝土配重層質量、內部介質質量以及海底管道排開海水的質量；