一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法技术

本发明专利技术公开了一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法：(1)计算不采取任何防护措施时管道将会产生的走管值；(2)根据管道所处区域结构承受能力，计算出所能承受的最大走管位移作为走管控制目标值；(3)基于走管控制目标值，对管道端部施加可变轴向阻力，计算可变轴向阻力作用下管道实际产生的走管值；反复调整该阻力值随轴向位移的变化函数，使得实际产生的走管值小于走管控制目标值；(4)设计管道端部的附加结构，使得附加结构沿管道轴向滑移时，附加结构对管道能够产生按照阻力值随轴向位移的变化函数变化的轴向阻力。本发明专利技术通过干扰和抑制走管产生的根本机理，来达到控制和消除深海管道走管效应的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法
本专利技术涉及深海石油管道轴向在位稳定性设计，特别涉及一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，通过主动地对管道走管效应产生机理进行干扰，从而主动消除管道走管效应，减小管道系统出现轴向失稳破坏的风险。
技术介绍
我国深海区域尚存有大量待开发的优质石油资源，发展深海石油开采技术装备对破解我国石油资源短缺的困局意义重大。管道系统是深海石油开采中重要的集疏运手段，深海管道输送的石油资源温度极高，且为保障管道的安全运行需间隔数月进行一次例行检修。管道的反复开启和关闭会引发走管效应，导致管道整体定向滑动，部分工况下每千米管道每年的走管量甚至可达一米，且走动量随管道服役时间而逐年累积。深海石油开发工程中井口远离岸线，因此输油管道长度常达数十公里，如此规模下管道产生的走管量将对管道的连接装置产生巨大的局部应力，威胁管道系统的安全。在以往的国内外工程实践中，人们虽认识到轴向走管效应带来的危害，但尚无科学有效的技术手段对管道进行保护，只能采用成本高昂的高附加拉力吸力锚和锚链组成的锚定系统，强行拖拽住管道，使得管道不至于发生过大轴向变形。但该锚定系统拖拽管道的过程中，使得管道受到极大的附加应力，产生额外的管道破坏风险。同时，锚定系统本身也存在一定的失效风险，导致走管效应不能完全被消除。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，以解决现有管道走管防护实践中采用高附加力锚定结构成本高、不确定性大和防护效果差的问题，达到低成本高收益的工程效果。本专利技术所采用的技术方案是：一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，包括以下步骤：步骤1，根据管道的实际工程参数，计算不采取任何防护措施时管道将会产生的走管值，并计算该数量级的走管量对管线结构安全性的威胁；步骤2，根据管道所处区域结构承受能力，计算出所能承受的最大走管位移，该位移即为走管控制目标值；步骤3，基于走管控制目标值，对管道端部施加可变轴向阻力，计算可变轴向阻力作用下管道实际产生的走管值；反复调整该阻力值随轴向位移的变化函数，使得实际产生的走管值小于走管控制目标值，得到最终的阻力值随轴向位移的变化函数；步骤4，设计管道端部的附加结构，使得附加结构沿管道轴向滑移时，附加结构对管道能够产生按照步骤3得到的最终的阻力值随轴向位移的变化函数变化的轴向阻力，从而消除管道走管效应。进一步地，步骤3进一步包括：步骤3-1，假定一个阻力值随轴向位移的变化函数；步骤3-2，将升温阶段分成若干个均匀的升温步，每一个升温步管道温度增大Δt1；步骤3-3，依次计算每个升温步中管道沿程有效轴力的分布曲线：每个升温步中，温度增大引起管道膨胀，上一个升温步轴力曲线的对称点与计划安装附属结构的管道端部处之间的管道膨胀量，即为所计划安装的管道端部附加结构的轴向膨胀量；根据管道端部的附加结构的轴向膨胀量大小和假定的阻力值随轴向位移的变化函数，更新该升温步结束时管端受到的阻力值，从而更新该升温步结束时管道沿程有效轴力分布曲线；步骤3-4，根据每个升温步中管道沿程有效轴力的分布曲线，计算每个升温步中管道中点产生的轴向位移的大小和方向；步骤3-5，将降温阶段分成若干个均匀的降温步，每一个降温步管道温度减小Δt2；步骤3-6，依次计算每个降温步中管道沿程有效轴力的分布曲线：每个降温步中，温度减小引起管道收缩，上一个降温步轴力曲线的对称点与计划安装附属结构的管道端部处之间的管道收缩量，即为所计划安装的管道端部附加结构的轴向收缩量；根据管道端部的附加结构的轴向收缩量大小和假定的阻力值随轴向位移的变化函数，更新该降温步结束时管端受到的阻力值，从而更新该降温步结束时管道沿程有效轴力分布曲线；步骤3-7，根据每个降温步中管道沿程有效轴力的分布曲线，计算每个降温步中管道中点产生的轴向位移的大小和方向；步骤3-8，将升温阶段管道中点的位移和降温阶段管道中点的位移进行累加，求得一次温度循环后管道的走管值；步骤3-9，判断步骤3-1所假定的阻力值随轴向位移的变化函数下、根据步骤3-2至步骤3-8所获得的管道走管值是否小于走管控制目标值；若小于，则该阻力值随轴向位移的变化函数即为最终的阻力值随轴向位移的变化函数，否则，调整阻力值随轴向位移的变化函数，重复步骤3-2至步骤3-9，直至管道走管值是否小于走管控制目标值。进一步地，步骤4中，所述的附加结构采用固定式防沉板和弹簧，所述固定式防沉板安装在海床上，通过所述弹簧连接所述固定式防沉板和管道。其中，根据步骤3得到的阻力值随轴向位移的变化函数，计算所述弹簧的劲度系数K，并将最大阻力值作为所述固定式防沉板的水平向承载力下限，根据水平向承载力下限确定所述固定式防沉板的长和宽。进一步地，步骤4中，所述的附加结构采用滑动式防沉板，所述滑动式防沉板固定在所述管道上，随管道一起滑动。其中，所述滑动式防沉板的几何尺寸确定方法为：建立滑动时所述滑动式防沉板的几何尺寸与土体阻力的相关性，所述滑动式防沉板的几何尺寸包括长、宽、高；根据步骤3得到的阻力值随轴向位移的变化函数，计算所述滑动式防沉板所需的几何尺寸。进一步地，步骤4中，所述的附加结构采用转动式翼板结构，所述转动式翼板结构包括：套筒，所述套筒固定连接在管道外壁上；翼板，所述翼板包括左翼板和右翼板，所述左翼板和所述右翼板设置在所述套筒的两侧，所述左翼板和所述右翼板的尾端通过铰接的方式与所述套筒的第一端相连接，使得所述左翼板能围绕左翼板根部的铰链自由旋转、所述右翼板能围绕右翼板根部的铰链自由旋转；以及，限位块体，所述限位块体包括左限位块体和右限位块体，所述左限位块体和所述右限位块体设置在所述套筒的两侧并固定连接在所述套筒的第二端上，所述左限位块体与所述左翼板的首端相对布置，所述右限位块体与所述右翼板的首端相对布置，用于限制所述左翼板和所述右翼板的最小张开角度。其中，所述左翼板和所述右翼板的平面形状为菱形，在所述左翼板和所述右翼板张开至设定角度后，所述左翼板的后缘和所述右翼板的后缘贴合于所述套筒的侧壁上；所述设定角度为所述左翼板和所述右翼板的最大张开角度。其中，所述翼板的几何尺寸及相关参数确定方法为：测试所述翼板轴向滑动时翼板转角及土体阻力的变化，建立所述翼板的几何尺寸及相关参数与翼板转角及土体阻力的相关性，所述翼板的几何尺寸包括长和宽，所述翼板的相关参数包括翼板自重、转动阻尼和表面粗糙度；根据步骤3得到的阻力值随轴向位移的变化函数，计算所述翼板所需的几何尺寸及相关参数。本专利技术的有益效果是：本专利技术一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，通过干扰和抑制走管产生的根本机理，来达到控制和消除深海管道走管效应的目的。不同于传统采用锚链系统被动地拖拽住已经产生走管效应的管道，本专利技术是主动对走管效应进行抑制的方法，因此更能达到标本兼治的效果，控制走管效应的可靠度远大于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，根据管道(1)的实际工程参数，计算不采取任何防护措施时管道(1)将会产生的走管值，并计算该数量级的走管量对管线结构安全性的威胁；/n步骤2，根据管道(1)所处区域结构承受能力，计算出所能承受的最大走管位移，该位移即为走管控制目标值；/n步骤3，基于走管控制目标值，对管道端部施加可变轴向阻力，计算可变轴向阻力作用下管道(1)实际产生的走管值；反复调整该阻力值随轴向位移的变化函数，使得实际产生的走管值小于走管控制目标值，得到最终的阻力值随轴向位移的变化函数；/n步骤4，设计管道端部的附加结构(2)，使得附加结构(2)沿管道(1)轴向滑移时，附加结构(2)对管道(1)能够产生按照步骤3得到的最终的阻力值随轴向位移的变化函数变化的轴向阻力，从而消除管道(1)走管效应。/n

【技术特征摘要】
1.一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据管道(1)的实际工程参数，计算不采取任何防护措施时管道(1)将会产生的走管值，并计算该数量级的走管量对管线结构安全性的威胁；
步骤2，根据管道(1)所处区域结构承受能力，计算出所能承受的最大走管位移，该位移即为走管控制目标值；
步骤3，基于走管控制目标值，对管道端部施加可变轴向阻力，计算可变轴向阻力作用下管道(1)实际产生的走管值；反复调整该阻力值随轴向位移的变化函数，使得实际产生的走管值小于走管控制目标值，得到最终的阻力值随轴向位移的变化函数；
步骤4，设计管道端部的附加结构(2)，使得附加结构(2)沿管道(1)轴向滑移时，附加结构(2)对管道(1)能够产生按照步骤3得到的最终的阻力值随轴向位移的变化函数变化的轴向阻力，从而消除管道(1)走管效应。


2.根据权利要求1所述的一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，其特征在于，步骤3进一步包括：
步骤3-1，假定一个阻力值随轴向位移的变化函数；
步骤3-2，将升温阶段分成若干个均匀的升温步，每一个升温步管道温度增大Δt1；
步骤3-3，依次计算每个升温步中管道沿程有效轴力的分布曲线：每个升温步中，温度增大引起管道(1)膨胀，上一个升温步轴力曲线的对称点与计划安装附属结构的管道端部处之间的管道膨胀量，即为所计划安装的管道端部附加结构(2)的轴向膨胀量；根据管道端部的附加结构(2)的轴向膨胀量大小和假定的阻力值随轴向位移的变化函数，更新该升温步结束时管端受到的阻力值，从而更新该升温步结束时管道沿程有效轴力分布曲线；
步骤3-4，根据每个升温步中管道沿程有效轴力的分布曲线，计算每个升温步中管道(1)中点产生的轴向位移的大小和方向；
步骤3-5，将降温阶段分成若干个均匀的降温步，每一个降温步管道温度减小Δt2；
步骤3-6，依次计算每个降温步中管道沿程有效轴力的分布曲线：每个降温步中，温度减小引起管道(1)收缩，上一个降温步轴力曲线的对称点与计划安装附属结构的管道端部处之间的管道收缩量，即为所计划安装的管道端部附加结构(2)的轴向收缩量；根据管道端部的附加结构(2)的轴向收缩量大小和假定的阻力值随轴向位移的变化函数，更新该降温步结束时管端受到的阻力值，从而更新该降温步结束时管道沿程有效轴力分布曲线；
步骤3-7，根据每个降温步中管道沿程有效轴力的分布曲线，计算每个降温步中管道(1)中点产生的轴向位移的大小和方向；
步骤3-8，将升温阶段管道(1)中点的位移和降温阶段管道(1)中点的位移进行累加，求得一次温度循环后管道(1)的走管值；
步骤3-9，判断步骤3-1所假定的阻力值随轴向位移的变化函数下、根据步骤3-2至步骤3-8所获得的管道走管值是否小于走管控制目标值；若小于，则该阻力值随轴向位移的变化函数即为最终的阻力值随轴向位移的变化函数，否则，调整阻力值随轴向位移的变化函数，重复步骤3-2至步骤3-9，直至管道走管值是否小于走管控制目标值。


3.根据权利要求1所述的一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪兆徽，付登锋，刘文彬，闫玥，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12