一种海底崎岖地形长输管线路由选择方法
【专利摘要】本发明公开了一种海底崎岖地形长输管线路由选择方法，包括：建立向量式有限元长输管道快速力学分析模型、嵌入管土耦合模块、确定管土耦合模块参数、不同路由方案下长输管线状态计算、路由方案安全性判断及选择等步骤。本发明通过建立有限元长输管线快速力学分析模型，计算多种传输管线路由设计方案长输管线铺设后的状态，并通过不同的安全准则评价各路由设计方案的长输管线的安全状态，并在满足所有安全准则的路由设计方案中选择最佳，从而提高长输管线路由设计方案选择时的安全性与科学性。
【专利说明】
一种海底崎岷地形长输管线路由选择方法
技术领域
[0001 ]本发明属于海洋油气生产风险管理领域，特别涉及一种海底崎岖地形长输管线路由选择方法。
【背景技术】
[0002]在海洋油气开采和集输过程中，海底长输管线是最重要的油气输运设备，不可避免地将经过海底地形崎岖区域。此时，长输管线路由的选择与设计至关重要，好的设计不仅能节约建造维护成本，而且可大大提高长输管线的安全性。在以往的长输管线路由设计中，对路由方案的评价往往依据行业规范进行。但是，单独利用行业规范对经过崎岖底床时的长输管线进行设计存在困难，并且难以预测长输管线铺设后弯曲变形、应力应变分布和悬跨状态，造成路由设计安全性与科学性不足。因此，需要一种新的方法，更完善地评价经过崎岖底床海底长输管线铺设路由方案的安全性，并进行路由方案选择。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是:提供一种海底崎岖地形长输管线路由选择方法，可计算预知不同长输管线路由设计方案铺设后状态，进一步提高长输管线设计的科学性与安全性。
[0004]本发明的技术方案是:一种海底崎岖地形长输管线路由选择方法，包括以下步骤:
[0005]步骤一:建立向量式有限元长输管线快速力学分析模型；
[0006]步骤二:在向量式有限元长输管线快速力学分析模型中嵌入管土耦合模块；
[0007]步骤三:确定管土耦合模块参数，包括底床在轴向、竖直横向、水平横向的弹性模量和塑性模量；
[0008]步骤四:将管土耦合模块参数代入管土耦合模块，计算多种长输管线路由设计方案下的长输管线状态；
[0009]步骤五:对比多种长输管线路由设计方案下的长输管线状态，找出最佳长输管线路由设计方案。
[0010]更进一步地，所述步骤一建立向量式有限元长输管线快速力学分析模型时采用基于区域分解的并行方案，长输管线结构计算域MPI并行分解的步骤为:
[0011]a.将长输管线进行向量式有限元离散化，得到离散模型，即将长输管线离散为具有质量和转动惯量的结点和连接结点的单元；
[0012]b.将整个计算域进行MPI并行计算区域分解，即将整个计算域分解为互相连接且无交叉的各个子计算域；
[0013]c.依据MPI区域分解算法，将离散模型进行MPI并行区域映射，即不同的子计算域映射至不同的计算机进程；
[0014]d.各计算机进程独立完成子计算域内的计算任务，并与相邻子计算区域的进程发生MPI并行通信；
[0015]e.汇总所有子计算域进程计算结果，得到长输管线的力学计算结果。
[0016]更进一步地，所述步骤二建立管土耦合模块应考虑长输管线与底床间的动态接触过程，判别准则为:
[0017]a.管土接触判别准则:长输管线结点位置位于底床表面坐标以下；
[0018]b.管土分离判别准则:底床对长输管线结点的竖向反力小于等于零。
[0019]更进一步地，所述步骤四计算长输管线状态的步骤为:
[0020]a.使长输管线平直地位于底床上方，且不与底床发生接触；
[0021 ] b.在长输管线两端施加铺设残余张力；
[0022]c.约束长输管线一端，不允许其发生轴向位移和水平横向位移，但允许其发生竖向位移；
[0023]d.对长输管线加载重力和浮力，使长输管线缓慢下落，直到长输管线与底床发生接触且底床对长输管线提供足够支撑，长输管线不再变形；
[0024]e.改变长输管线工况，按时间顺序，使长输管线分别经历各设计工况，并提取长输管线不同工况下的状态。
[0025]更进一步地，所述步骤五对比选择最佳长输管线路由设计方案准则为:
[0026]a.各种设计工况下长输管线的悬跨长度和疲劳寿命不能超出行业规范许可范围；
[0027]b.长输管线需满足在位稳定性条件，在波浪和潮流等流场作用下不产生横向位移;
[0028]c.长输管线应力必须小于行业规范最大许可值；
[0029]d.长输管线应变必须小于行业规范最大许可值；
[0030]e.以上准则若有一条不满足，则认为该路由设计方案失败;若有两个或多个路由设计方案同时满足以上准则，则选择悬跨疲劳寿命最长的路由设计方案。
[0031]本发明通过建立有限元长输管线快速力学分析模型，计算多种传输管线路由设计方案长输管线铺设后的状态，并通过不同的安全准则评价各路由设计方案的长输管线的安全状态，并在满足所有安全准则的路由设计方案中选择最佳，从而提高长输管线路由设计方案选择时的安全性与科学性。
【附图说明】
[0032]图1为本发明步骤不意图；
[0033]图2为本发明向量式有限元并行计算区域分解示意图；
[0034]图3为本发明向量式有限元并行计算区域映射示意图；
[0035]图4为本发明中涉及的崎岖地形长输海管铺设示意图；
[0036]图5为本发明中模拟管道铺设过程示意图；
[0037]图6为本发明经过崎岖底床海底管道在不同工况下的变形和弯矩分布示意图。
【具体实施方式】
[0038]实施例1:参见图1至图6，一种海底崎岖地形长输管线路由选择方法，包括以下步骤:
[0039]步骤一:采用基于区域分解的并行方案，建立向量式有限元长输管线快速力学分析模型，长输管线结构计算域MPI并行分解的步骤为:
[0040]a.将长输管线进行向量式有限元离散化，得到离散模型，即将长输管线离散为具有质量和转动惯量的结点和连接结点的单元；
[0041]b.将整个计算域进行MPI并行计算区域分解，即将整个计算域分解为互相连接且无交叉的各个子计算域；
[0042]c.依据MPI区域分解算法，将离散模型进行MPI并行区域映射，即不同的子计算域映射至不同的计算机进程；
[0043]d.各计算机进程独立完成子计算域内的计算任务，并与相邻子计算区域的进程发生MPI并行通信；
[0044]e.汇总所有子计算域进程计算结果，得到长输管线的力学计算结果。
[0045]步骤二:在向量式有限元长输管线快速力学分析模型中嵌入管土耦合模块，建立管土耦合模块应考虑长输管线与底床间的动态接触过程，判别准则为:
[0046]a.管土接触判别准则:长输管线结点位置位于底床表面坐标以下；
[0047]b.管土分离判别准则:底床对长输管线结点的竖向反力小于等于零。
[0048]步骤三:确定管土耦合模块参数，包括底床在轴向、竖直横向、水平横向的弹性模量和塑性模量；
[0049]步骤四:将管土耦合模块参数代入管土耦合模块，计算多种长输管线路由设计方案下的长输管线状态，计算长输管线状态的步骤为:
[0050]a.使长输管线平直地位于底床上方，且不与底床发生接触；
[0051 ] b.在长输管线两端施加铺设残余张力；
[0052]c.约束长输管线一端，不允许其发生轴向位移和水平横向位移，但允许其发生竖向位移；
[0053]d.对长输管线加载重力和浮力，使长输管线缓慢下落，直到长输管线与底床发生接触且底床对长输管线提供足够支撑，长输管线不再变形；
[0054]e.改变长输管线工况，按时间顺序，使长输管线分别经历各设计工况，并提取长输管线不同工况下的状态；
[0055]步骤五:对比多种长输管线路由设计方案下的长输管线状态，找出最佳长输管线路由设计方案，对比选择最佳长输管线路由设计方案准则为:
[0056]a.各种设计工况下长输管线的悬跨长度和疲劳寿命不能超出行业规范许可范围；
[0057]b.长输管线需满足在位稳定性条件，在波浪和潮流等流场作用下不产生横向位移;
[0058]c.长输管线应力必须小于行业规范最大许可值；
[0059]d.长输管线应变必须小于行业规范最大许可值；
[0060]e.以上准则若有一条不满足，则认为该路由设计方案失败;若有两个或多个路由设计方案同时满足以上准则，则选择悬跨疲劳寿命最长的路由设计方案。
【主权项】
1.一种海底崎岖地形长输管线路由选择方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一:建立向量式有限元长输管线快速力学分析模型； 步骤二:在向量式有限元长输管线快速力学分析模型中嵌入管土耦合模块； 步骤三:确定管土耦合模块参数，包括底床在轴向、竖直横向、水平横向的弹性模量和塑性模量； 步骤四:将管土耦合模块参数代入管土耦合模块，计算多种长输管线路由设计方案下的长输管线状态； 步骤五:对比多种长输管线路由设计方案下的长输管线状态，找出最佳长输管线路由设计方案。2.如权利要求1所述的一种海底崎岖地形长输管线路由选择方法，其特征在于:所述步骤一建立向量式有限元长输管线快速力学分析模型时采用基于区域分解的并行方案，长输管线结构计算域MPI并行分解的步骤为: a.将长输管线进行向量式有限元离散化，得到离散模型，即将长输管线离散为具有质量和转动惯量的结点和连接结点的单元； b.将整个计算域进行MPI并行计算区域分解，即将整个计算域分解为互相连接且无交叉的各个子计算域； c.依据MPI区域分解算法，将离散模型进行MPI并行区域映射，即不同的子计算域映射至不同的计算机进程； d.各计算机进程独立完成子计算域内的计算任务，并与相邻子计算区域的进程发生MPI并行通信； e.汇总所有子计算域进程计算结果，得到长输管线的力学计算结果。3.如权利要求1所述的一种海底崎岖地形长输管线路由选择方法，其特征在于:所述步骤二建立管土耦合模块应考虑长输管线与底床间的动态接触过程，判别准则为: a.管土接触判别准则:长输管线结点位置位于底床表面坐标以下； b.管土分离判别准则:底床对长输管线结点的竖向反力小于等于零。4.如权利要求1所述的一种海底崎岖地形长输管线路由选择方法，其特征在于:所述步骤四计算长输管线状态的步骤为: a.使长输管线平直地位于底床上方，且不与底床发生接触； b.在长输管线两端施加铺设残余张力； c.约束长输管线一端，不允许其发生轴向位移和水平横向位移，但允许其发生竖向位移； d.对长输管线加载重力和浮力，使长输管线缓慢下落，直到长输管线与底床发生接触且底床对长输管线提供足够支撑，长输管线不再变形； e.改变长输管线工况，按时间顺序，使长输管线分别经历各设计工况，并提取长输管线不同工况下的状态。5.如权利要求1所述的一种海底崎岖地形长输管线路由选择方法，其特征在于:所述步骤五对比选择最佳长输管线路由设计方案准则为: a.各种设计工况下长输管线的悬跨长度和疲劳寿命不能超出行业规范许可范围； b.长输管线需满足在位稳定性条件，在波浪和潮流等流场作用下不产生横向位移； C.长输管线应力必须小于行业规范最大许可值； d.长输管线应变必须小于行业规范最大许可值； e.以上准则若有一条不满足，则认为该路由设计方案失败;若有两个或多个路由设计方案同时满足以上准则，则选择悬跨疲劳寿命最长的路由设计方案。
【文档编号】G06F17/50GK106021800SQ201610391474
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】许雷阁, 林缅
【申请人】中国科学院力学研究所