一种基于悬跨涡激振动疲劳寿命的海底管道设计方法

摘要

本发明公开了一种基于悬跨涡激振动疲劳寿命的海底管道设计方法，包括如下步骤：1计算管道环向应力允许值；2初步设计确定管道壁厚；3计算海底管道悬跨结构固有频率以及海底管道涡激振动载荷频率；4判断海底管道悬跨是否发生共振；5计算约化速度；6确定海底管道悬跨涡激振动振幅；7计算海底管道悬跨涡激振动应力范围；8确定海底管道允许疲劳循环周次；9计算海底管道悬跨涡激振动疲劳寿命；10判断是否满足海底管道设计寿命要求；11设计改进；12完成基于悬跨涡激振动疲劳寿命的海底管道设计。本发明为我国建立基于寿命的海底管道设计标准提供了技术支撑。

说明书

技术领域

本发明属于海底管道设计技术领域，具体是涉及一种基于悬跨涡激振动疲劳寿命的海底管道设计方法。

背景技术

海底管道具有连续、快捷、输送量大等优点,是海上油气集输的主要形式。由于受到海流、航海、渔业生产、地震等多种因素影响，海底管道服役条件远比陆上管道苛刻，其安全问题更需要关注，这不仅关系到我国海上石油的正常生产，还关系到我国海上石油的战略资源安全以及海洋环境污染等重大问题。

海底管道受到海床、海流等影响，难免会产生悬跨。海水在流经悬跨段时会出现旋涡发放现象，引发周期性交替变化作用力，使管道产生涡激振动造成疲劳失效，这是悬跨的一种重要失效模式。由于海上治理悬跨的费用十分高昂，动辄上千万，因此在设计时就应对悬跨进行涡激振动疲劳寿命评价，在保证管道安全运行的同时，避免后期维修产生的巨额治理费用。这将为建立基于寿命的海底管道设计标准提供关键技术支撑。

国外针对海底管道悬跨涡激振动疲劳寿命评价已开展了一些研究工作，并已逐渐发展形成了以约化速度为关键控制参数的海底管道悬跨涡激振动疲劳寿命分析方法。如目前最完善的悬跨评估规范挪威船级社DNV的DNV-RP-F105，该规范即是以约化速度来分析计算海底管道涡激振动结构响应。该规范的其它特点还包括：考虑疲劳和局部屈曲失效两种模式，分析海底管道悬跨的安全状况；疲劳分析可采用免评准则，当满足免评准则时，不需要考虑悬跨的疲劳失效问题；基于Weibull分布模型，考虑了长期环境载荷随时间的分布；考虑了湍流强度、流速方向对管道振动振幅的影响；通过波浪理论，将波浪载荷转化成与管道水深相同处的海流速度，以考虑波浪载荷对管道结构响应的影响。DNV-RP-F105规范进行悬跨疲劳寿命评估时需要的参数包括：管道结构尺寸、弹性模量、结构模态阻尼比、有效波高、有效波周期、单位振幅振动时的管道应力、悬跨处沟壑深度、湍流强度、雷诺数、疲劳寿命S-N曲线、管道振动振型函数等，并已形成海底管道常用材料的性能数据库。

但挪威船级社DNV的DNV-RP-F105规范在我国海底管道悬跨疲劳寿命预测方面难以应用，其原因：一是规范主要是针对已投用海底管道悬跨的疲劳寿命预测；二是标准中一些处理方式过于保守，例如将悬跨承受涡激振动时受迫振动频率按照共振频率考虑；三是分析过程复杂，涉及的数据较多，由于实际海底管道服役状态随环境始终是变化的，因此有些数据难以确定。

我国目前尚缺乏专门针对悬跨涡激振动疲劳寿命的海底管道设计方法，在海底管道设计时是从避免发生涡激振动的角度分析悬跨的安全性，没有考虑悬跨管道的疲劳损伤累积，这显然过于保守，无法实现基于寿命的海底管道结构设计。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于悬跨涡激振动疲劳寿命的海底管道设计方法。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于悬跨涡激振动疲劳寿命的海底管道设计方法，包括如下步骤：

S1、计算海底管道环向应力允许值σ_c：

由设计温度下海底管道用材屈服强度σ_s、抗拉强度σ_u、屈服强度安全系数η_s、抗拉强度安全系数η_u来计算海底管道环向应力允许值σ_c，计算公式如下：

σ_c＝min(η_sσ_s，η_uσ_u)(1)

式中，η_s取为0.77，η_u取为0.64；

S2、初步设计确定海底管道壁厚t：

由设计海底管道内部压力p_i、设计海底管道外部压力p_e、环向应力允许值σ_c、海底管道外径D、预期壁厚腐蚀裕量参数t_c初步设计确定海底管道壁厚t，计算公式如下：

S3、计算海底管道悬跨结构固有频率f_n以及海底管道涡激振动载荷频率f_L：

由海底管道最大悬跨长度L、海底管道用材弹性模量E、海底管道截面惯性矩I、单位长度有效质量m_e计算海底管道悬跨结构固有频率f_n，计算公式如下：

式中，m_e包括海底管道质量、混凝土配重层质量、内部介质质量以及海底管道排开海水的质量；

由悬跨处海流速度u、斯特罗哈尔数S_t、海底管道外径D计算海底管道涡激振动载荷频率f_L，计算公式如下：

式中，S_t取0.27；

S4、判断海底管道悬跨是否发生共振：

海底管道悬跨发生共振的判断条件为：

0.7f_n≤f_L≤1.3f_n(5)

若发生共振，则执行第S11步；若不发生共振，管道振动频率f_v＝f_L，执行步骤S5；

S5、计算约化速度V_r：

由悬跨处海流速度u、海底管道悬跨结构固有频率f_n、海底管道外径D计算约化速度V_r，计算公式如下：

S6、确定海底管道悬跨涡激振动振幅w：

由约化速度V_r、海底管道外径D确定海底管道悬跨涡激振动振幅w，公式如下：

S7、计算海底管道悬跨涡激振动应力范围S_r：

由海底管道用材弹性模量E，海底管道外径D，海底管道悬跨涡激振动振幅w、海底管道最大悬跨长度L计算海底管道涡激振动应力范围S_r，计算公式为：

S8、确定海底管道允许疲劳循环周次N_r：

由悬跨涡激振动应力范围S_r计算海底管道允许疲劳循环周次N_r，计算公式如下：

式中，a₁、a₂、m₁、m₂、S_sw、S_fl是与管道焊接方式相关的系数；

S9、计算海底管道悬跨涡激振动疲劳寿命：

由海底管道允许疲劳循环周次N_r、管道振动频率f_v计算海底管道悬跨疲劳寿命T_f，计算公式为：

S10、判断是否满足海底管道设计寿命要求：

若计算得到的疲劳寿命T_f大于或等于海底管道设计寿命T，则执行步骤S12，若计算得到的疲劳寿命T_f小于海底管道设计寿命T，则执行步骤S11；

S11、设计改进：

增加壁厚t，重新按照步骤S3～S10的评估流程进行分析，或修改设计条件，重新按照步骤S1～S10的评估流程进行分析，使得计算得到的疲劳寿命T_f大于或等于海底管道设计寿命T；

S12、完成基于悬跨涡激振动疲劳寿命的海底管道设计。

本发明的有益效果在于：

本发明设可应用于悬跨海底管道结构设计或寿命预测，本发明为我国建立基于寿命的海底管道设计标准提供了技术支撑。另外本发明克服了现有国外技术规范在实际工程应用时过于保守、设计过程复杂等不足，符合我国目前国情。

附图说明

图1为本发明基于悬跨涡激振动疲劳寿命的海底管道设计流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明技术方案做出更为具体的说明：

如图1所示：本发明基于悬跨涡激振动疲劳寿命的海底管道设计方法，包括如下步骤：

S1、计算海底管道环向应力允许值σ_c：

由设计温度下海底管道用材屈服强度σ_s、抗拉强度σ_u、屈服强度安全系数η_s、抗拉强度安全系数η_u来计算海底管道环向应力允许值σ_c，计算公式如下：

σ_c＝min(η_sσ_s，η_uσ_u)(1)

式中，η_s取为0.77，η_u取为0.64；

S2、初步设计确定海底管道壁厚t：

由设计海底管道内部压力p_i、设计海底管道外部压力p_e、环向应力允许值σ_c、海底管道外径D、预期壁厚腐蚀裕量参数t_c初步设计确定海底管道壁厚t，计算公式如下：

S3、计算海底管道悬跨结构固有频率f_n以及海底管道涡激振动载荷频率f_L：

由海底管道最大悬跨长度L、海底管道用材弹性模量E、海底管道截面惯性矩I、单位长度有效质量m_e计算海底管道悬跨结构固有频率f_n，计算公式如下：

式中，m_e包括海底管道质量、混凝土配重层质量、内部介质质量以及海底管道排开海水的质量；

由悬跨处海流速度u、斯特罗哈尔数S_t、海底管道外径D计算海底管道涡激振动载荷频率f_L，计算公式如下：

式中，S_t取0.27；

S4、判断海底管道悬跨是否发生共振：

海底管道悬跨发生共振的判断条件为：

0.7f_n≤f_L≤1.3f_n>

若发生共振，则执行第S11步；若不发生共振，管道振动频率f_v＝f_L，执行步骤S5；

S5、计算约化速度V_r：

由悬跨处海流速度u、海底管道悬跨结构固有频率f_n、海底管道外径D计算约化速度V_r，计算公式如下：

S6、确定海底管道悬跨涡激振动振幅w：

由约化速度V_r、海底管道外径D确定海底管道悬跨涡激振动振幅w，公式如下：

S7、计算海底管道悬跨涡激振动应力范围S_r：

由海底管道用材弹性模量E，海底管道外径D，海底管道悬跨涡激振动振幅w、海底管道最大悬跨长度L计算海底管道涡激振动应力范围S_r，计算公式为：

S8、确定海底管道允许疲劳循环周次N_r：

由悬跨涡激振动应力范围S_r计算海底管道允许疲劳循环周次N_r，计算公式如下：

式中，a₁、a₂、m₁、m₂、S_sw、S_fl是与管道焊接方式相关的系数；其中，S_fl为疲劳极限，即当应力范围S_r小于S_fl时，管道允许无限次的疲劳循环周次。表1给出了几种典型焊接方式管道上述系数的数值；

表1不同焊接方式管道允许疲劳循环周次计算系数

焊接方式a₁a₂m₁m₂S_swS_fl非焊接结构10^14.91710^17.1464.05.0169.567.5纵焊缝焊接10^14.68510^16.8564.05.0148.359.0环焊缝焊接10^11.14610^14.5763.05.051.920.7

S9、计算海底管道悬跨涡激振动疲劳寿命：

由海底管道允许疲劳循环周次N_r、管道振动频率f_v计算海底管道悬跨疲劳寿命T_f，计算公式为：

S10、判断是否满足海底管道设计寿命要求：

若计算得到的疲劳寿命T_f大于或等于海底管道设计寿命T，则执行步骤S12，若计算得到的疲劳寿命T_f小于海底管道设计寿命T，则执行步骤S11；

S11、设计改进：

增加壁厚t，重新按照步骤S3～S10的评估流程进行分析，或修改设计条件，重新按照步骤S1～S10的评估流程进行分析，使得计算得到的疲劳寿命T_f大于或等于海底管道设计寿命T；

S12、完成基于悬跨涡激振动疲劳寿命的海底管道设计。

以下是根据上述设计方法进行的具体的管道设计案例：

S1、计算管道环向应力允许值σ_c：

根据式(1)，由管道用材设计温度下屈服强度σ_s、抗拉强度σ_u、屈服强度安全系数η_s、抗拉强度安全系数η_u计算管道环向应力允许值σ_c，计算结果如表2所示。

表2管道环向应力允许值σ_c计算结果

σ_s(MPa)σ_u(MPa)η_sη_uσ_c(MPa)4145200.770.64318.8

S2、初步设计确定管道壁厚t：

根据承受内压和外压圆筒壁厚计算公式，由设计海底管道内部压力p_i、设计海底管道外部压力p_e、环向应力允许值σ_c、管道外径D、预期腐蚀裕量参数t_c，按式(2)初步设计确定管道壁厚t，计算结果如表3所示：

表3初步设计管道壁厚t计算结果

p_i(MPa)p_e(MPa)σ_c(MPa)D(mm)t_c(mm)t(mm)5.10.1318.876238.93

S3、计算海底管道悬跨结构固有频率f_n以及海底管道涡激振动载荷频率f_L：

根据式(3)，由海底管道最大悬跨长度L、海底管道用材弹性模量E、海底管道截面惯性矩I、单位长度有效质量m_e计算海底管道悬跨结构固有频率f_n，计算结果如表4所示：

表4管道结构固有频率f_n计算结果

L(m)E(GPa)I(m⁴)m_e(kg/m)f_n(Hz)282060.001501873.10.813

根据式(4)，由悬跨处海流速度u、斯特罗哈尔数S_t、海底管道外径D计算海底管道涡激振动载荷频率f_L，计算结果如表5所示。

表5涡激振动载荷频率f_L计算结果

u(m/s)S_tD(m)f_L(Hz)1.50.270.7620.531

S4、判断海底管道悬跨是否发生共振：

由表4海底管道悬跨结构固有频率f_n和表5涡激振动载荷频率f_L的计算结果，根据式(5)，表明管道不发生共振，管道振动频率f_v＝f_L，执行步骤S6。

S6、计算约化速度V_r：

由悬跨处海流速度u、海底管道悬跨结构固有频率f_n、海底管道外径D按式(6)计算约化速度V_r，计算结果如表6所示：

表6约化速度V_r计算结果

u(m/s)f_n(Hz)D(mm)V_r1.50.8137622.42

S7、确定海底管道悬跨涡激振动振幅w：

由约化速度V_r、海底管道外径D根据式(7)确定海底管道悬跨涡激振动振幅w为0.118m。

S8、计算海底管道涡激振动应力范围S_r：

根据式(8)，由海底管道用材弹性模量E，海底管道外径D，海底管道悬跨涡激振动振幅w、海底管道最大悬跨长度L计算海底管道涡激振动应力范围S_r，计算结果如表7所示。

表7涡激振动应力范围S_r计算结果

E(GPa)D(m)w(m)L(m)S_r(MPa)2060.7620.11828227.8

S9、确定海底管道允许疲劳循环周次N_r：

管道为非焊接结构，根据式(9)，由应力范围S_r确定海底管道悬跨允许疲劳循环周次N_r，计算结果如表8所示。

表8悬跨允许疲劳循环周次N_r计算结果

焊接方式a₁a₂m₁m₂S_r(MPa)N_r(次)非焊接结构10^14.91710^17.1464.05.0227.8306996

S10、估算海底管道悬跨涡激振动疲劳寿命：

根据式(10)，由海底管道允许疲劳循环周次N_r、管道振动频率f_v计算海底管道悬跨疲劳寿命T_f，计算结果如表9所示。

表9悬跨疲劳寿命T_f计算结果

N_r(次)f_v(Hz)T_f(年)3069960.5310.0183

S11、判断是否满足海底管道设计寿命要求：

由初步设计确定的壁厚t计算得到的的疲劳寿命T_f为0.0183年，小于管道设计寿命T＝30年，不满足设计寿命要求，执行S12步。

S12、设计改进：

采用增加壁厚t的方式对设计进行改进，重新按照S3～S10的评估流程进行分析。不同壁厚海底管道悬跨疲劳寿命T_f计算结果如表10所示。

表10不同壁厚海底管道悬跨疲劳寿命T_f计算结果

t(mm)f_n(Hz)V_rw(m)S_r(MPa)f_L(Hz)N_r(次)f_v(Hz)T_f(年)100.8542.300.0869167.10.53110739960.5310.06410.50.8732.260.0731140.50.53125577810.5310.15110.8902.210.0602115.80.53167263370.5310.4011.50.9082.170.048392.80.531203450680.5311.21120.9242.130.037171.30.531758043400.5314.5212.50.9402.090.026751.20.531∞0.531∞

由表10计算结果可知，当壁厚t达到12.5mm时，应力范围S_r小于疲劳极限S_fl，管道允许无限次的疲劳循环周次，即疲劳寿命T_f大于管道设计寿命T，管道壁厚t确定为12.5mm。

S13、完成基于悬跨涡激振动疲劳寿命的海底管道设计。