[0001] 本发明涉及油气管道非开挖修复领域，具体涉及一种用于海底管道穿插内衬软管修复技术的数值模拟系统。

[0002] 海底长输油气管道工作压力高、介质腐蚀性强，受到海床深度及地貌等条件限制，海底长输油气管道走向曲折多变，弯头多且曲率大，维修维护困难；当其达到寿命期或出现致命性缺陷时，往往只能报废更换，投入成本巨大。为了克服上述问题，软管穿插技术被提出，该技术即是采用软管穿入海底钢管内作为衬套，以此克服因钢管变形或出现腐蚀性缺陷等而导致的失效问题。软管穿插技术既可以避免海底施工作业，又可以缩短管道修复时
间，延长服役寿命，经济效益十分明显。然而，现有技术中对于软管穿插技术还大多停留在较为初期的理论分析阶段，难以进行较为准确的定量研究。

[0003] 数值模拟在复合软管穿插修复老旧钢管中具有重要的作用和显著的优势，其优势在于能够通过计算机仿真快速、经济地模拟各种复杂情况，避免了传统实验繁琐、耗时和成本高昂的缺点。通过对海底管道穿插内衬软管修复过程的数值模拟，能够对内衬软管的性
能进行全面、准确的预测和评估，从而为实际应用提供可靠的指导和设计依据。然而，现有技术中还没有适用于海底管道穿插内衬软管修复技术的数值模拟系统，每次模拟过程都需
进行大量工作，耗时耗力；此外，在对海底管道穿插内衬软管修复技术的先期研究过程中，除了有对内衬软管性能的模拟需求之外，还可能对穿插过程、复圆过程以及修复效果等都
均有不同程度的模拟需求，这更加导致了对海底管道穿插内衬软管修复过程进行数值模拟
的效率低下，难以用于海洋油气开发单位的大规模运用；并且，现有技术中也还没有适用于海底管道穿插内衬软管修复技术的通用模拟方法，现有方法的可复用性和通用性均较差、
难以被广泛运用，这导致目前的分析研究数据依然主要依赖搭建成千上万倍缩小比例后的
实验平台来实验得到。

[0079] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，诸如术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装
置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护
范围的限制。

[0080] 实施例1：

[0081] 如图1所示的一种用于海底管道穿插内衬软管修复技术的数值模拟系统，包括：

[0082] (一)内衬软管穿插老旧钢管模拟模块：

[0083] 用于建立内衬软管穿插老旧钢管的几何模型，并对穿插过程进行数值模拟；具体包括：

[0084] 1)第一内衬软管建模单元：采用壳单元建立截面呈U形的折U内衬软管模型；在折U内衬软管模型中，U形截面的长宽比为10:1；折U内衬软管模型的截面如图2所示；

[0085] 2)第一老旧钢管建模单元：采用壳单元建立第一钢管模型，所述第一钢管模型包括至少一个弯管段；

[0086] 3)牵引绳建模单元：采用线单元建立牵引绳模型；

[0087] 4)支撑面建模单元：采用壳单元建立支撑直管模型，所述支撑直管模型的材质与直径，与所述第一钢管模型相同；

[0088] 5)第一装配单元：用于将折U内衬软管模型的一端装配至第一钢管模型内，并在折U内衬软管模型位于第一钢管模型内的一端连接牵引绳模型、将折U内衬软管模型位于第一
钢管模型外的部分装配在支撑直管模型内，得到内衬软管穿插老旧钢管的几何模型如图3
所示；

[0089] 6)第一模拟单元：用于为内衬软管穿插老旧钢管的几何模型设置接触条件、约束条件、边界条件、荷载和分析步，进行数值模拟并输出模拟结果。具体的：

[0090] 第一模拟单元设置的接触条件包括：在折U内衬软管模型与第一钢管模型之间设置法向硬接触，并设置取值为0.4的切向摩擦系数；在牵引绳模型与第一钢管模型之间设置法向硬接触，并设置取值为0.3的切向摩擦系数；在折U内衬软管模型内部设置自接触；在折U内衬软管模型与支撑直管模型之间设置法向硬接触，并设置取值为0的切向摩擦系数；

[0091] 第一模拟单元设置的约束条件包括：将牵引绳模型与折U内衬软管模型的连接端设置为绑定约束；

[0092] 第一模拟单元设置的边界条件包括：对第一钢管模型和支撑直管模型设置完全固定约束；

[0093] 第一模拟单元设置的荷载包括：对折U内衬软管模型施加重力荷载；对牵引绳模型施加沿牵引方向的位移荷载；

[0094] 第一模拟单元设置的分析步包括：采用动力隐式分析步，模拟时间长度至少10秒，初始增量步为0.005秒，最大增量步为0.1秒，最小增量步为0.000001秒。

[0095] (二)内衬软管折U复圆模拟模块：

[0096] 用于建立折U内衬软管在老旧钢管内部复圆的几何模型，并对复圆过程进行数值模拟；具体包括：

[0097] 1)第二内衬软管建模单元：采用壳单元建立第一内衬软管模型，所述第一内衬软管模型仅具有内衬软管的中间层；

[0098] 2)第二老旧钢管建模单元：采用壳单元建立第二钢管模型，所述第二钢管模型为直管；

[0099] 3)第二装配单元，用于将内衬软管模型装配在第二钢管模型的一端，并使内衬软管模型与第二钢管模型同轴，得到折U内衬软管在老旧钢管内部复圆的几何模型；

[0100] 4)第二模拟单元：用于为折U内衬软管在老旧钢管内部复圆的几何模型设置接触条件、边界条件、荷载和分析步，进行数值模拟并输出模拟结果。

[0101] 在第二模拟单元中，初始增量步为0.005秒，最大增量步为0.1秒，最小增量步为0.000001秒。

[0102] 本实施例中，第二模拟单元包括：

[0103] 第一分析步子单元：时间长度为3s，用于模拟内衬软管模型的折U过程，包括在第一内衬软管模型的两侧分区域分别施加2Mpa、1MPa的压强荷载，并在第一内衬软管模型的
顶部施加向下240mm的位移荷载；

[0104] 第二分析步子单元：时间长度为1s，用于模拟去除顶部位移的过程，包括移除在第一内衬软管模型的顶部施加的向下的位移荷载，并对第二钢管模型设置完全固定约束；

[0105] 第三分析步子单元：时间长度为3s，用于模拟第一内衬软管模型进入第二钢管模型的过程，包括在第一内衬软管模型与第二钢管模型之间设置法向硬接触，并设置取值为
0.45的切向摩擦系数，同时对内衬软管模型施加沿轴向的位移荷载；

[0106] 第四分析步子单元：时间长度为5s，用于模拟折U内衬软管在第二钢管模型内的复圆过程，包括对第一内衬软管模型的内表面施加逐渐增大至3MPa的压强荷载，同时对第二
钢管模型设置完全固定约束；整个复圆过程如图4所示。

[0107] (三)内衬软管修复承压模拟模块：

[0108] 用于建立内衬软管修复老旧钢管前后的几何模型，并对修复前后的承压能力分别进行数值模拟；具体包括：

[0109] 1)第三老旧钢管建模单元：采用实体单元建立待修复老旧钢管模型；所述待修复老旧钢管模型包括至少一处腐蚀缺陷。

[0110] 2)第三内衬软管建模单元：采用实体单元建立第二内衬软管模型，所述第二内衬软管模型包括内衬软管的外层、中间层和内层。其中内层、外层均为聚乙烯，中间层为高强纤维。

[0111] 3)第三模拟单元：用于为待修复老旧钢管模型设置边界条件、荷载和分析步，模拟受内压爆破过程并输出模拟结果；具体的：

[0112] 第三模拟单元设置的边界条件包括：在待修复老旧钢管模型的两端设置完全固定约束；

[0113] 第三模拟单元设置的荷载包括：在待修复老旧钢管模型的内壁施加径向向外的压强荷载；

[0114] 第三模拟单元设置的分析步包括：采用动力隐式分析步，模拟时间长度1秒，初始增量步为0.005秒，最大增量步为0.1秒，最小增量步为0.0000000001秒。

[0115] 本实施例中修复前的爆破过程如图5所示。

[0116] 4)第三装配单元：用于将第二内衬软管模型装配至待修复老旧钢管模型内，使第二内衬软管模型的外壁与待修复老旧钢管模型的内壁贴合，得到内衬软管修复老旧钢管后
的几何模型。

[0117] 5)第四模拟单元：用于为内衬软管修复老旧钢管后的几何模型设置接触条件、约束条件、边界条件、荷载和分析步，模拟受内压爆破过程并输出模拟结果。具体的：

[0118] 第四模拟单元设置的接触条件包括：在第二内衬软管模型与待修复老旧钢管模型之间设置法向硬接触，并设置取值为0.45的切向摩擦系数；

[0119] 第四模拟单元设置的约束条件包括：在第二内衬软管模型的外层和中间层之间、中间层和内层之间，均设置为绑定约束；

[0120] 第四模拟单元设置的边界条件包括：在待修复老旧钢管模型的两端设置完全固定约束；在第二内衬软管模型的两端设置无轴向位移边界；

[0121] 第四模拟单元设置的荷载包括：在第二内衬软管模型的内壁施加径向向外的压强荷载；

[0122] 第四模拟单元设置的分析步包括：采用动力隐式分析步，模拟时间长度1秒，初始增量步为0.005秒，最大增量步为0.1秒，最小增量步为0.0000000001秒。

[0123] 本实施例中修复后的爆破过程如图6所示。

[0124] 更为优选的，在本实施例中，所有模块均采用SolidWorks进行装配体建模，并采用Abaqus进行力学分析，每个分析步骤都采用开启几何非线性和选择准静态的设置。

[0125] 更为优选的，在本实施例的所有法向接触设置中，允许接触后的分离现象发生。

[0126] 更为优选的，在本实施例中，第一模拟单元输出的结果为牵引力，第二模拟单元输出的是内衬软管在受到压力作用下的变形过程和形态演变，第三模拟单元和第四模拟单元的输出为外层钢管的破坏极限。

[0127] 本实施例在具体使用时，首先根据需要选用内衬软管穿插老旧钢管模拟模块、内衬软管折U复圆模拟模块或内衬软管修复承压模拟模块；

[0128] 然后输入对应所需的内衬钢管和老旧钢管各自的尺寸、材料参数即可。所述尺寸包括外径、内径、壁厚、长度、弯角等；所述材料参数包括密度、杨氏模量、泊松比、拉伸强度、弯曲弹性模量、断裂伸长率、DIN磨耗量、纵向抗拉强度、硬度等中的一种或多种。

[0129] 实施例2：

[0130] 基于实施例1所记载的一种用于海底管道穿插内衬软管修复技术的数值模拟系统，本实施例通过如下方法对其进行验证：

[0131] S1、通过内衬软管折U复圆模拟模块对复圆过程进行数值模拟，提取第一内衬软管模型的外壁完全与第二钢管模型内壁紧贴时所施加的内压，作为待判定内压Pg。

[0132] S2、通过如下公式计算复圆压力Pf：

[0133]

[0134] 式中：tst为第二钢管模型壁厚；Efrp为第一内衬软管模型的弹性模量；tfrp为第一内衬软管模型壁厚；Est为第二钢管模型的弹性模量；Pw为工作压力；R为第一内衬软管模型的截面半径；η为安全系数，取η＝1+0.1n，n为第二钢管模型中的弯头个数。

[0135] S3、比较Pg与Pf，若两者差异在允许范围内，则证明数值模拟系统的模拟准确可靠。

[0136] 优选的，所述允许范围为误差不超过5％。

[0137] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

[0138] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存
在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。