[发明专利]一种海洋油气水平管线支吊架安装间距的优化方法

权利要求书

1.一种海洋油气水平管线支吊架安装间距的优化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、设定吊装水平直管线的支吊架的结构，所述的支吊架的结构为龙门式支吊架；

步骤二、根据已知实际工况预先确定水平直管线的基本参数作为优化支吊架间距的已知条件，所述的基本参数包括工作温度、管线的材质、管线的质量、管线的设计压力、管线外径、管线内径和管线长度；

步骤三、对相邻的两个支吊架之间的间距进行优化，优化过程如下：

第一步，根据工作状态下对水平直管线在持续荷载下产生的一次应力σ_L的设计要求，由公式(1)计算得出沿水平直管线的长度方向设置的相邻的两个支吊架间距L的初始范围；

式中：p为管内工质设计压力，MPa；D₁为管线外径，mm；D₂为管线内径，mm；q为管线单位长度重力载荷，N/m；W为管线的截面抗弯矩，mm³，按计算；[σ]^t为管线所用材料在设计温度t℃时的许用应力；

第二步，利用MATLAB软件确定两个相邻支吊架之间的最佳的间距L；

(a)在MATLAB中建立两个相邻支吊架的间距L变量，将第一步确定的L_max赋值给变量L；

(b)在MATLAB中按如下步骤进行计算：

步骤101，将变量L代入式(2)中进行计算，得到M_C；

式中，M_C为是热胀引起的合成力矩范围，N·m；Fx为水平管线在x方向上所受的力，Fx＝Eε_XA_X，E为20℃时的弹性模数，ε_X为水平管线在x方向上的应变，A_X为水平管线在x方向受力面积，N；Fy、Fz分别为水平管线在与x方向垂直的y方向与z方向上所受的力，N，计算方法同Fx；

步骤102，将M_C代入式(3)中进行计算，得到与L值对应的二次应力值σ_E；

式中，σ_E为管线热胀应力范围即二次应力，Mpa；i为应力增加系数，对于所述水平直管线，0.75i等于1；

步骤103，将L值代入，计算不等式σ_E≤f[1.2[σ]²⁰+0.2[σ]^t+([σ]^t-σ_L)]右侧的值，然后与上一步得到的σ_E比较，判断是否满足不等式条件，若满足条件，则保留该L值的数据，否则舍弃该L值；

式中，[σ]²⁰为管线所用材料在20℃时的许用应力，Mpa；[σ]^t为管线所用材料在设计温度t℃时的许用应力，f为应力范围减小系数；

一次应力σ_L按下式(4)计算：

步骤104，将L值代入中进行计算，得到该L值所对应的成本值C；

式中,C为成本值；c₀为成本系数；l为管线的长度，L为相邻两个支吊架之间的间距，即表示一条管线所设置的支吊架总的个数；

(c)逐渐减小第二步(a)中相邻的两个支吊架间距L，重复第二步(b)，进行迭代计算，直至L减小至负值，结束迭代计算；

(d)将每个已保留的L值所对应的成本值C及σ_E代入中计算，得到与每个已保留的L值所对应的价值V；

式中，V为综合考虑二次应力σ_E与成本C的加权价值；a为二次应力的权重系数；b为成本的权重系数，a、b值根据所述两个因素的重要程度进行赋值，a+b＝1；

(e)在上述的所有L值中选取使得V值最小的L值作为相邻两个支吊架的最佳间距；若所有L值下的二次应力均不满足上述不等式σ_E≤f[1.2[σ]²⁰+0.2[σ]^t+([σ]^t-σ_L)]的要求，则根据设计经验更换步骤二中的基本参数，然后返回到步骤三重新计算，直至取得支吊架最佳间距；

步骤四、根据步骤三确定的支吊架间距尺寸及步骤二确定的基本尺寸利用SolidWorks建立管线及支吊架的三维模型，并将模型导入ANSYS软件中进行有限元仿真分析，输出仿真得到的支吊架能承受的最大应力及应变值，最后将输出的所述最大应力及应变值与管线在实际工作过程中能承受的极限应力及应变值比较，如果满足实际工作需求，则该支吊架模型合格，直接导出模型，根据所述模型进行实际安装即可；若不满足要求，则根据设计经验更换步骤二的基本参数，然后重复步骤三和步骤四，直到满足要求为止。