[发明专利]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。

主权项

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σc：由设计温度下海底管道用材屈服强度σs、抗拉强度σu、屈服强度安全系数ηs、抗拉强度安全系数ηu来计算海底管道环向应力允许值σc，计算公式如下：σc＝min(ηsσs，ηuσu)                                                  (1)式中，ηs取为0.77，ηu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pi、设计海底管道外部压力pe、环向应力允许值σc、海底管道外径D、预期壁厚腐蚀裕量参数tc初步设计确定海底管道壁厚t，计算公式如下：t=D1+2σc(pi-pe)+tc---(2)]]>S3、计算海底管道悬跨结构固有频率fn以及海底管道涡激振动载荷频率fL：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me计算海底管道悬跨结构固有频率fn，计算公式如下：fn=1.57L2EIme---(3)]]>式中，me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St、海底管道外径D计算海底管道涡激振动载荷频率fL，计算公式如下：fL=uStD---(4)]]>式中，St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：0.7fn≤fL≤1.3fn                                                 (5)若发生共振，则执行第S11步；若不发生共振，管道振动频率fv＝fL，执行步骤S5；S5、计算约化速度Vr：由悬跨处海流速度u、海底管道悬跨结构固有频率fn、海底管道外径D计算约化速度Vr，计算公式如下：Vr=ufnD---(6)]]>S6、确定海底管道悬跨涡激振动振幅w：由约化速度Vr、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：w=00<Vr≤20.15(Vr-2)0.4D2<Vr≤2.4[0.15+1.15(Vr-2.4)4.6]D2.4<Vr≤71.3D7<Vr≤91.3(16-Vr)D712.2<Vr≤160Vr>16---(7)]]>S7、计算海底管道悬跨涡激振动应力范围Sr：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Sr，计算公式为：Sr=48ED2w5L2---(8)]]>S8、确定海底管道允许疲劳循环周次Nr：由悬跨涡激振动应力范围Sr计算海底管道允许疲劳循环周次Nr，计算公式如下：Nr=a1·Sr-m1Sr>Sswa2·Sr-m2Sfl≤Sr≤Ssw∞Sr<Sfl---(9)]]>式中，a1、a2、m1、m2、Ssw、Sfl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Nr、管道振动频率fv计算海底管道悬跨疲劳寿命Tf，计算公式为：Tf=Nrfv---(10)]]>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Tf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Tf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Tf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。