[发明专利]一种主动式低附加力的管道走管效应防护方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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加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；