基于流体力学分析的海底管道保护方法、系统及装置与流程

1.本发明涉及海底管道保护技术领域，更具体地说涉及一种基于流体力学分析的海底管道保护方法、系统及装置。


背景技术：

2.渔业活动、抛锚/拖锚作业、船舶碰撞、挖沙作业、挖沟或打桩等其他施工作业、落物、人为破坏都会对海底管道造成损伤。为避免第三方破坏海底管道在建造阶段通常采用后挖沟技术，使管道有一定的埋深。但受地形、冲刷等因素的影响，海底管道在运营期经常出现裸露甚至悬空，影响了管道的本体安全。为此管道运营公司定期开展管道外检测，并采用适用的管道保护技术进行治理。
3.目前主要的保护技术为水泥压块、水泥砂袋回填、后挖沟、柔性防护垫、土工膜袋、抛石保护，其中水泥压块是针对海管裸露最为常用的技术。针对水泥压块治理技术，行业内已开展了较多的技术研究工作，如海底管道水泥压块摆放的方法研究，海底管道水泥压块铺设装置研究，海底管道压块形状和设置间距的研究等。但实际应用中，由于水泥压块改变了局部流场，海底管道反而出现了进一步的裸露，这些裸露区域主要处于压块覆盖段边缘、局部压块覆盖间隙区域、压块覆盖之间区域，如图5所示。海底管道进一步裸露的情况受所处海域波流参数、海底土质、混凝土压块尺寸的综合影响。因此未综合考虑上述影响因素时造成的水泥压块端部裸露影响了管道的安全。


技术实现要素：

4.本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种基于流体力学分析的海底管道保护方法、系统及装置。
5.本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
6.基于流体力学分析的海底管道保护方法，包括步骤如下：
7.步骤1、获取水深、波浪、海流和土壤的参数；
8.步骤2、水深波浪参数情况分为极浅水深、有限水深、深水，根据水深波浪类型计算波浪作用下的底流速，计算公式如下，
9.深水：
10.有限水深：
11.极浅水深：
12.波浪底流速：
13.其中：l——波长；g——重力加速度；t——波浪周期；d——水深。
14.步骤3、根据步骤1获取的土壤参数计算出临界侵蚀剪应力，以及根据流速计算产
生的剪应力，具体公式如下，
15.τc＝k
·
(ρ
s-ρ)
·g·d·
tanφ+k
′
·
τf。
16.其中，τc——临界侵蚀剪应力；k、k
′
——系数和比例系数；ρs——土体颗粒密度；ρ——土体密度；d——土体颗粒粒径；φ——静止摩擦角；τf——抗剪强度；
[0017][0018]
其中，τ
l
——流速导致的剪应力；c——谢才系数。
[0019]
步骤4、建立整体物理模型，根据步骤2计算的底流速和与预设管道方向的角度作为输入参数对局部流速与其相对应的流速导致的剪切力进行模拟计算，通过步骤3计算局部流速产生的底部剪应力并与临界剪应力进行比较，当计算的底部剪应力大于临界剪应力时，在模型中调整水泥压块的高度，进行迭代计算，直至给出满足局部流速要求的水泥压块高度；
[0020]
步骤5、结果输出，给出海底管道保护方法。
[0021]
步骤1中波浪参数包含波高、周期，海流参数包括海底流速，土壤参数包括土体密度、粒径、内摩擦角、抗剪强度和粘聚力。
[0022]
3.根据权利要求1所述的基于流体力学分析的海底管道保护方法，其特征在于：步骤4的具体步骤如下，
[0023]
s1、建立物理模型，将其抽象成为数学与力学模型，确定要分析的几何体的空间影响区域；
[0024]
s2、建立整个几何形体与其空间影响区域，计算区域的cad模型，将几何体的外表面和整个的计算区域进行空间网格划分；
[0025]
s3、加入求解所需要的初始条件，包括入口与出口处的边界条件及其相对应的水流速度和压力条件；
[0026]
s4、选择k-epsilon湍流模型，设定控制求解过程和精度的条件，对相关参数进行求解，并且保存数据文件结果。
[0027]
s5、选择合适的后处理器读取计算结果文件，并进行分析显示。
[0028]
步骤s1中几何体的空间影响区域为5倍水泥压块尺寸。
[0029]
步骤s2中当水泥压块网格尺寸为一倍时，水泥压块网格尺范围内网格密度与水泥压块一致；当水泥压块网格尺寸大于一倍时，网格密度为3-5倍水泥压块网格尺寸。
[0030]
步骤5通过步骤4迭代计算的局部流速与对应流速导致的剪切力，当满足剪切力小于步骤3中的临界侵蚀剪应力时获得该数值的水泥压块高度，判断水泥压块高度是否小于设定值，当迭代计算所得的水泥压块高度小于设定值时，给出水工膜袋或柔性护垫的治理方式，当迭代计算所得的水泥压块高度大于设定值时，给出水泥压块的治理方式。
[0031]
水泥压块高度的设定高度为150mm。
[0032]
步骤5海底管道保护方法包括端部混凝土压块尺寸和是否需要土工膜袋或柔性防护垫，及相关预估费用和安排。
[0033]
基于流体力学分析的海底管道保护方法的系统，包括参数输入模块、底流速计算模块、土壤侵蚀计算模块、流体力学分析模块和结果输出模块，参数输入模块用于获取海管所处海域的水深、波浪、海流、土壤参数，底流速计算模块用于计算波浪底流速同时叠加海
流流速，土壤侵蚀计算模块用于根据土壤参数计算导致土壤颗粒运动的临界流速，流体力学分析模块用于构建水泥压块模型，计算局部流速并与临界流速对比，调整适合的水泥压块尺寸，迭代计算至允许的水泥压块尺寸，结果输出模块用于根据综合分析结果，给出适用的治理方案，包括端部混凝土压块尺，寸、是否需要土工膜袋或柔性防护垫，预估的治理费用。
[0034]
基于流体力学分析的海底管道保护方法的装置，包括存储器和处理器，其中，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，实现权利要求1-8中任一项所述的方法。
[0035]
本发明的有益效果为：通过本方案在海底管道治理方案设计阶段给出适用的治理方案，能够显著减少海底管道二次治理的风险。不仅从总体工程治理费用上节省，更为重要的是保障了海底管道的安全运行，避免了第三方破坏以及局部悬空造成的结构损伤。有效的解决了由于二次治理海底管道所产生的高额费用，也避免了人力和财力的浪费。
附图说明
[0036]
图1是本发明的流程图；
[0037]
图2是流速迭代计算图；
[0038]
图3是水泥压块布放典型截面图；
[0039]
图4是膜袋布放典型截面图；
[0040]
图5是海底管道裸露位置示意图；
[0041]
图中：1为裸露管线。
具体实施方式
[0042]
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0043]
实施例
[0044]
如图1所示，本发明的工作原理如下，通过获取海管所处海域的水深、波浪、海流、土壤参数计算波浪底流速和导致土壤颗粒运动的临界流速，经由构建水泥压块模型，多工况分析，计算局部流速并与临界流速对比，调整适合的水泥压块尺寸，迭代计算至允许的水泥压块尺寸，根据综合分析结果，给出适用的治理方案，包括端部混凝土压块尺寸、是否需要土工膜袋或柔性防护垫，预估的治理费用。其中图3和图4为水泥压块布放典型截面和膜袋布放典型截面的结构展示图。
[0045]
以国内某海底管道为例，所处海域环境条件为水深7m，底部流速0.69m/s，波高2.21m，波浪周期3.3s，土颗粒粒径4.5e-5m，摩擦角23.4
°
，抗剪强度12kpa。经几次调查结果显示，埋深整体上没有发生明显变化。整体海管路由海床有轻微冲刷的趋势。裸露管线主要处于压块覆盖段边缘、局部压块覆盖间隙区域、压块覆盖之间区域。为防止进一步裸露甚至悬空需要对裸露段进行治理。采用本发明方法进行操作，具体如下：
[0046]
1、根据水深、波高、波浪周期，判定为有限水深，波长为波浪导致的流速为
[0047]
2、根据土壤参数，临界侵蚀剪应力τc＝k
·
(ρ
s-ρ)
·g·d·
tanφ+k
′
·
τf，经计算为1.23pa。
[0048]
3、基于环境条件计算底部流速，本案例海流流速设定为0.69m/s，波浪导致流速为0.31m/s，联合流速为1m/s，假设整个过程流速、流向固定不变，且设定海流流向为垂直于海管方向。
[0049]
4、根据水泥压块尺寸建立了cfd模型，输入了底部的均匀流速。原水泥压块尺寸(长
×
宽
×
高)为4
×
3.1
×
0.45m。经迭代计算，在迎流面位置来流在混凝土压块位置形成涡旋，会造成泥沙淤积，影响范围为0.72米。
[0050]
3、在背流面位置，形成的涡流会造成混凝土压块附近的泥沙掏空，影响范围在1.98米。受涨落潮影响，水泥压块两侧均存在冲刷与回淤。计算结果如附图2所示。
[0051]
4、通过迭代计算，当水泥压块端部铺设高度150mm的土工膜袋时，局部流速为0.3m/s，产生的剪切应力为τ
l
＝0.362pa，小于土壤临界剪切应力1.23pa。最终确定采用在水泥压块端部铺设高度150mm的土工膜袋的治理方案。
[0052]
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

技术特征：
1.基于流体力学分析的海底管道保护方法，其特征在于包括步骤如下：步骤1、获取水深、波浪、海流和土壤的参数；步骤2、水深波浪参数情况分为极浅水深、有限水深、深水，根据水深波浪类型计算波浪作用下的底流速，计算公式如下，深水：有限水深：极浅水深：波浪底流速：其中：l——波长；g——重力加速度；t——波浪周期；d——水深。步骤3、根据步骤1获取的土壤参数计算出临界侵蚀剪应力，以及根据流速计算产生的剪应力，具体公式如下，τ
c
＝k
·
(ρ
s-ρ)
·
g
·
d
·
tanφ+k
′
·
τ
f
。其中，τ
c
——临界侵蚀剪应力；k、k
′
——系数和比例系数；ρ
s
——土体颗粒密度；ρ——土体密度；d——土体颗粒粒径；φ——静止摩擦角；τ
f
——抗剪强度；其中，τ
l
——流速导致的剪应力；c——谢才系数。步骤4、建立整体物理模型，根据步骤2计算的底流速和与预设管道方向的角度作为输入参数对局部流速与其相对应的流速导致的剪切力进行模拟计算，通过步骤3计算局部流速产生的底部剪应力并与临界剪应力进行比较，当计算的底部剪应力大于临界剪应力时，在模型中调整水泥压块的高度，进行迭代计算，直至给出满足局部流速要求的水泥压块高度；步骤5、结果输出，给出海底管道保护方法。2.根据权利要求1所述的基于流体力学分析的海底管道保护方法，其特征在于：步骤1中波浪参数包含波高、周期，海流参数包括海底流速，土壤参数包括土体密度、粒径、内摩擦角、抗剪强度和粘聚力。3.根据权利要求1所述的基于流体力学分析的海底管道保护方法，其特征在于：步骤4的具体步骤如下，s1、建立物理模型，将其抽象成为数学与力学模型，确定要分析的几何体的空间影响区域；s2、建立整个几何形体与其空间影响区域，计算区域的cad模型，将几何体的外表面和整个的计算区域进行空间网格划分；s3、加入求解所需要的初始条件，包括入口与出口处的边界条件及其相对应的水流速度和压力条件；s4、选择k-epsilon湍流模型，设定控制求解过程和精度的条件，对相关参数进行求解，并且保存数据文件结果。
s5、选择合适的后处理器读取计算结果文件，并进行分析显示。4.根据权利要求3所述的基于流体力学分析的海底管道保护方法，其特征在于：步骤s1中几何体的空间影响区域为5倍水泥压块尺寸。5.根据权利要求3所述的基于流体力学分析的海底管道保护方法，其特征在于：步骤s2中当水泥压块网格尺寸为一倍时，水泥压块网格尺范围内网格密度与水泥压块一致；当水泥压块网格尺寸大于一倍时，网格密度为3-5倍水泥压块网格尺寸。6.根据权利要求1所述的基于流体力学分析的海底管道保护方法，其特征在于：步骤5通过步骤4迭代计算的局部流速与对应流速导致的剪切力，当满足剪切力小于步骤3中的临界侵蚀剪应力时获得该数值的水泥压块高度，判断水泥压块高度是否小于设定值，当迭代计算所得的水泥压块高度小于设定值时，给出水工膜袋或柔性护垫的治理方式，当迭代计算所得的水泥压块高度大于设定值时，给出水泥压块的治理方式。7.根据权利要求6所述的基于流体力学分析的海底管道保护方法，其特征在于：水泥压块高度的设定高度为150mm。8.根据权利要求1所述的基于流体力学分析的海底管道保护方法，其特征在于：步骤5海底管道保护方法包括端部混凝土压块尺寸和是否需要土工膜袋或柔性防护垫，及相关预估费用和安排。9.基于流体力学分析的海底管道保护方法的系统，其特征在于：包括参数输入模块、底流速计算模块、土壤侵蚀计算模块、流体力学分析模块和结果输出模块，参数输入模块用于获取海管所处海域的水深、波浪、海流、土壤参数，底流速计算模块用于计算波浪底流速同时叠加海流流速，土壤侵蚀计算模块用于根据土壤参数计算导致土壤颗粒运动的临界流速，流体力学分析模块用于构建水泥压块模型，计算局部流速并与临界流速对比，调整适合的水泥压块尺寸，迭代计算至允许的水泥压块尺寸，结果输出模块用于根据综合分析结果，给出适用的治理方案，包括端部混凝土压块尺，寸、是否需要土工膜袋或柔性防护垫，预估的治理费用。10.基于流体力学分析的海底管道保护方法的装置，其特征在于：包括存储器和处理器，其中，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，实现权利要求1-8中任一项所述的方法。

技术总结
本发明提供一种基于流体力学分析的海底管道保护方法、系统及装置，获取海管所处海域的水深、波浪、海流、土壤参数。底流速计算模块，计算波浪底流速同时叠加海流流速。土壤侵蚀计算模块，根据土壤参数计算导致土壤颗粒运动的临界流速。流体力学迭代分析模块，构建水泥压块模型，多工况分析，计算局部流速并于与临界流速对比，调整适合的水泥压块尺寸，迭代计算至允许的水泥压块尺寸。结果输出模块，根据综合分析结果，给出适用的治理方案，包括端部混凝土压块尺寸、是否需要土工膜袋或柔性防护垫，预估的治理费用。本发明的有益效果是通过本方案在海底管道治理方案设计阶段给出适用的治理方案，能够显著减少海底管道二次治理的风险。风险。风险。


技术研发人员：郝林 胡军 张湘跃 张少洋 陶海成 曹宏远 李艳丽 王子维 陈涛 李海学 徐小东 马艳辉
受保护的技术使用者：中海油安全技术服务有限公司
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/31