基于pd的海洋管道設計技術軟件的開發(fā)與應用

基于pd的海洋管道設計技術軟件的開發(fā)與應用

為了讓設計人員方便快速完成海洋管道的設計和計算，基于簡單的圖形平臺，開發(fā)出了海洋管道設計技術的專用軟件。工程設計人員通過輸入相關管道設計參數(shù)和海洋環(huán)境條件,即可完成管道的在位強度、挖溝、管道敷設和管道浮拖等作業(yè)的力學計算與施工分析,從而保證海底管線在安裝和運營狀態(tài)時,不會因環(huán)境載荷和管線本身工藝運行參數(shù)的作用而產生破壞。經(jīng)大量算例驗證,該程序具有較高的計算精度,且操作簡單。1海洋管道力學理論1.1管道抗波設計根據(jù)SY/T0305-1996《灘海管道系統(tǒng)技術規(guī)范》,在位強度及穩(wěn)定性計算主要包括橫向穩(wěn)定性、垂向穩(wěn)定性、環(huán)向應力、軸向應力、地震應力、路由彎曲、當量應力、屈曲校核和懸跨分析。基本公式為Wsub=Κ(F+FDCμ)+FL+FLCWsub=K(F+FDCμ)+FL+FLC(1)γSC-RV<γP<γSC+RV(2)σy=pD2δ≤σypσy=pD2δ≤σyp(3)σLC=DE2RσLC=DE2R(4)(σxηxpσxcr)α+(σyηypσycr)≤1.0(σxηxpσxcr)α+(σyηypσycr)≤1.0(5)lC=2.8√Dv√EΙΜlC=2.8DvEIM??√??????√(6)式中,F為垂直于管軸的波浪載荷;FDC為海流載荷;FLC為海流升力;FL為波浪升力;Wsub為單位長管道水下質量;K為橫向穩(wěn)定系數(shù);γsc為土壤的等效容量;γp為管道單位體積的質量;RV為土壤阻抗;p為管道工作壓力;D為管道外徑;δ為管道壁厚;σyp為許用環(huán)向應力;σx為縱向應力;σy為環(huán)向應力;σLc為管道路由彎曲應力;E為彈性模量;R為曲率半徑;σxcr為臨界縱向應力;σycr為臨界環(huán)向應力;ηxp(ηyp)為屈曲利用系數(shù);α為屈曲指數(shù);lC為臨界跨度;M為單位長度管道水下質量;v為穩(wěn)定流速;EI為管道剛度。1.2+1-4,1r5.5qy555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555.5qy5555555555555555555555555555555555555555555.5.5qy555555555.55.55.5555.5555.5.5.5.5.5qy5.5.5.5.5qy5555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555將海底管線在漂浮拖運過程處理為具有分布軸向載荷和幾種載荷作用的縱橫彎曲全彈性支承連續(xù)梁(管),采用五彎矩方程計算各個浮筒系綁節(jié)點處的彎矩。{Μ1=-Ρ01?sinθ1+FΤ1-A2y1(0)(4+6α)Μ2+(1-4α)Μ3+αΜ4=0.5qy?l-(1-4α)Μ1(1-4α)Μ2+(4+6α)Μ3+(1-4α)Μ4+αΜ5=0.5qy?l-αΜ1αΜ2+(1-4α)Μ3+(4+6α)Μ4+(1-4α)Μ5+αΜ6=0.5qy?lαΜ3+(1-4α)Μ4+(4+6α)Μ5+(1-4α)Μ6+αΜ7=0.5qy?l??αΜn-3+(1-4α)Μn-2+(4+6α)Μn-1+(1-4α)Μn+αΜn+1=0.5qy?lαΜn-2+(1-4α)Μn-1+(4+6α)Μn=0.5qy?l-(1-4α)Μn+1Μn+1=-Ρ02?sinθ2+FΤn+1-A2yn+1(0)α=6EΙl3(7)1.3口下管道變形海上接口計算將管道系統(tǒng)模擬成一個非線性、幾何大變形梁,采用配點法擬合B樣條曲線,從而精確模擬接口過程的管道變形。采用三次B樣條函數(shù)擬合管道變形曲線,設為管道弧長的無量綱參數(shù),則φ(s)=n+1∑i=-1CiΩ3(s-sih)(8)θ(s)=n+1∑i=-1DiΩ3(s-sih)(9)ψ(s)=n+1∑i=-1EiΩ3(s-sih)(10)式中,Ci,Di,Ei分別為待定系數(shù)。1.4挖溝深度w根據(jù)美國學者A.H.Mousselli所著的《Offshorepipelinedesign,analysisandmethods》,允許挖溝深度Ηmax=1.078×[[σ]×W]2(q×E×J)所以,當挖溝深度H>Hmax時,對管道有損傷;當H<Hmax時,對管道沒有損傷。2軟件的軟件設計采用參數(shù)化建模技術,開發(fā)適用于海洋管道設計分析的專用程序模塊。a)使用VisualBasic語言,采用參數(shù)化手段,開發(fā)整個軟件的交互界面。b)對參數(shù)輸入模塊、計算模塊和后處理結果顯示模塊進行全封裝,將它們作為一個程序調用。使用批處理程序,將模塊分析文件作為系統(tǒng)的輸入命令流文件,同時設定輸出文件,系統(tǒng)將自動執(zhí)行模塊分析文件的命令流,完成分析計算和后處理結果顯示。系統(tǒng)實現(xiàn)方法流程如圖1。3數(shù)據(jù)處理模塊以Windows2000/XP為操作平臺,整體結構采用可視化人機交互界面。用戶根據(jù)工程需求選擇相應的分析模塊,輸入相關參數(shù)并判斷輸入?yún)?shù)是否正確;根據(jù)用戶輸入的參數(shù),對海底管道設計技術模型進行分析計算;顯示計算結果并對數(shù)據(jù)進行必要的處理,分析判斷是否滿足穩(wěn)定性要求,可完成參數(shù)及結果的保存和打印功能。該程序流程如圖2。計算分析程序由4個模塊組成,其主菜單如圖3。各模塊主要功能為:a)文件管理模塊主要進行文件管理,如保存、打印、頁面設置等。b)參數(shù)輸入模塊主要完成環(huán)境參量、相關系數(shù)和管線工藝運營參數(shù)的輸入。c)主體計算分析模塊主要根據(jù)用戶輸入的參數(shù)進行運算分析,得出相應結果并分析是否滿足穩(wěn)定性判據(jù)。d)后處理顯示模塊主要完成結果數(shù)據(jù)的讀入及顯示,并根據(jù)用戶需要,選擇是否保存相關數(shù)據(jù)(包括輸入?yún)?shù)、中間變量和理論結果)。程序的計算模塊如圖4。在程序中各模塊相互獨立,由數(shù)據(jù)文件將各模塊聯(lián)系起來。結果顯示模塊用數(shù)值表達方法輸出有關計算結果,單位均為國際標準。程序界面如圖5。主界面從上到下依次分為菜單欄、工具欄和模塊選擇3個區(qū)域。本程序主要實現(xiàn)以下功能:a)參數(shù)輸入程序輸入?yún)?shù)主要包括環(huán)境條件(海流、波浪等)、管線運行工藝參數(shù)(管道外徑、壁厚等)、工況選擇(設計、試驗及再啟動等)3個部分。參數(shù)輸入對話框界面如圖6。b)計算在完成對應參數(shù)輸入后,程序生成一個*.gdjs分析文件,通過調用主體計算模塊對所設置模型進行計算。主體計算模塊包括:橫向穩(wěn)定性、垂向穩(wěn)定性、環(huán)向應力、軸向應力、地震應力、路由彎曲、當量應力、屈曲校核、懸跨分析、管道浮拖、海上接口和管道挖溝。c)后處理分析為將整個主體計算過程直觀、全面地呈現(xiàn)給用戶,程序后處理部分支持參數(shù)總結、生成詳細技術報告和結果顯示圖形化功能,如圖7。4海南8塊油氣井開發(fā)工程本算例引自海南8塊開發(fā)海工建設海底管道工程油氣混輸管道,對管道挖溝技術進行驗證。海南8塊位于遼東灣北部灘海地區(qū),已鉆井8口。海南8塊8口油氣井開發(fā)工程包括集氣管道0.516km和混輸管道6.331km。海底管道采用雙層管結構形式,內管采用聚氨酯泡沫黃夾克保溫。管道挖溝力學模型如圖8。參數(shù)輸入如下:計算分析結果如表1。5管道浮拖作業(yè)優(yōu)化針對海底管道作業(yè),利用VB平臺工具,開發(fā)了管道設計與施工分析程序。該程序由4個主要模塊構成,可分