一种海底管道冲刷灾害危险分级及其运维时间获取方法

本发明属于海底管道运维，尤其涉及一种海底管道冲刷灾害危险分级及其运维时间获取方法。

背景技术：

1、海底管道在浪流作用下常发生冲刷灾害，但是何种冲刷程度对海底管道的在位安全性是一种威胁，未有定量化的评价标准，现有的评价标准及评价体系，由于存在众多要素（致灾因子）通常存在大量的主观判断,无法正确指导相对工程进行合理的运维。

2、各致灾因子（评价指标）对灾害发生及易损性程度均有一定的影响程度，且影响程度各异，某一指标相对其他指标的影响程度可用权重来表示，各个致灾因素对灾害发生及易损性的影响程度有时难以确定并赋予定量值。

3、现有技术多为定性判断，根据不同的场景进行分级，分级不足够准确。现有的一些论文中的技术采用数学模型计算，但是没有结合实际工程（即存在用于评判冲刷灾害等级的指标难以从实际工程中获取），也没有针对冲刷灾害这一应用领域的分析，也未对海底管道冲刷灾害的指标进行分析。且采用的分层分析法、模糊分析法等，仍存在人为主观判断意识。

技术实现思路

1、为解决现有技术的不足之处，本发明结合大量的实验结果，采用敏感性分析的方法，对参数间的权重进行了更量化的表达，降低了风险评价的主观性。

2、本发明第一方面提供了一种海底管道冲刷灾害危险分级方法，包括以下过程：

3、s1，将影响海底管道冲刷安全的各种影响因素定义为三层，海底管道冲刷危险性定义为目标层f；管道变形因素、管道稳定因素、海床冲刷因素以及人为因素为准则层；准则层下的相应指标因素定义为子准则层；

4、s2，指标因素相关性及敏感性分析；通过确定相关性及敏感性，确定子准则标层与准则层的敏感性排序，将相关性r低于0.1的子准则层指标剔除；

5、s3，指标因素量化赋值；将s2确定的每个子准则层指标的取值范围划分为几个不同的区间，然后为每个区间赋予一个具体的数值，对每个评价因素按照低风险、中等风险及高风险进行量化赋值1、3、6，获取量化赋值；

6、s4，依据层次分析法计算权重指标；通过指标因素的两两比较来确定互相的重要程度，并且比较指标因素间的多种关系，对评价指标计算权重r；

7、s5，基于参与评价的子准则层的量化赋值和权重r(j)，以及获取的相应实时数据，采用综合指数法来进行危险性评价，并采用定性判断来进行风险评估区划，采用冲刷灾害危险性指数来反映灾害的危险程度。

8、优选的，所述s2中是通过收集大量实验及历史现场数据，采用rbf神经网络方法获取神经网络准则层参数与子准则层指标间的映射关系，并据此依次进行剔除目标指标后的相关性计算，依据相关系数r由小到大，确定敏感性由大到小的排序，其中，若剔除参数后r大于0.9，即此指标相关性低于0.1，则此参数敏感性较低，需剔除。

9、优选的，所述s3中的指标因素量化赋值包括如下方式：

10、其中，管道横向屈曲变形量与纵向屈曲变形量按照允许的最小弯曲半径赋值，当变形量低于允许的最小弯曲半径，定义为低风险，赋值为1；当变形量大于允许的最小弯曲半径定义为高风险，赋值为6；其余状态为中等风险，赋值为3；

11、其中，当冲刷悬空长度小于铰支边界下的临界长度，定义为低风险,赋值为1；当冲刷悬空长度大雨固支边界下的临界长度，定义为高风险，赋值为6；其余状态定义为中等风险，赋值为3；

12、其中，依据冲刷预测公式计算极限冲刷深度，按照冲刷深度与极限冲刷深度比例为30%、60%、90%冲刷灾害的低风险、中等风险及高风险，量化赋值依次为1、3、6；

13、其中，相对密实度按照密实、中等及松散标准，定义为低风险、中等风险及高风险，赋值为1、3、6；

14、其中，不排水抗剪强度按照致密、中等和软弱定义为低风险、中等风险及高风险，赋值为1、3、6；

15、其中，中值粒径按照粒径小于1mm且致密海床抗剪强度大于5kpa的定义为低风险，赋值为1；粒径小于1mm且液化海床抗剪强度低于1kpa，易发生冲刷与地基失稳，定义为高风险，赋值6；其余粒径小于1mm的情况定义为中等风险，赋值为3；粒径为1mm-4mm的细砂致密海床，定义为低风险,赋值为1；粒径为1mm-4mm的细砂松散海床，易发生冲刷，定义为高风险，赋值为6；粒径为1mm-4mm的细砂其他情况定义为中等风险，赋值为7；粒径大于4mm的泥沙，颗粒较大不易冲刷，定义为低风险，赋值为1；

16、其中，泥沙均匀系数按照泥沙均匀系数σ>4、4<σ<1、σ<1，分别定义为低风险、中等风险及高风险，赋值为1、3、6；

17、其中，生活破坏活动按照无破坏、轻微破坏及可探测的破坏，分别定义为低风险、中等风险及高风险，赋值为1、3、6；

18、其中，管道安装连接缺陷按照复合连接、柔性连接及刚性连接，分别定义为低风险、中等风险及高风险，赋值为1、3、6。

19、优选的，所述s4中是使用因素间两两比较的方法，对每一准则层下的相关因素进行评分，最终获取若干两两比较矩阵；通过计算与分析比较，适度调整判断矩阵，达到判断矩阵的一致性良好，得到判断矩阵；使用此矩阵依次计算子准则层一级权重及准则层二级权重的指标权重，最终通过权重相乘通过获取各指标目标层总权重，矩阵如下所示：

20、；

21、式中，矩阵中每个数据用表示，表示为指标因素p与指标因素q相比得到的重要性比值；n表示用于计算的子准则层的总数；

22、同一准则层下，任意两两因素进行比较，指标因素p与指标因素q的重要性相比得，且指标因素q与指标因素p的比取值为1/，互为倒数；

23、其中的取值方法为：通过敏感性分析方法获得的指标排序，将相邻顺位的两个因素重要程度标定值的定义为1，将差一顺位的定义为3，将差二顺位的定义为5，以敏感性排序，按照7、9进行依次排序；

24、其中，1表示两个因素相比，具有相同的重要性；3表示两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要；5表示两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要；7表示两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要；9表示两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要；2 ，4 ，6 ，8 分别为上述相邻判断的中值。

25、优选的，指标权重计算过程为：

26、计算判断矩阵每一行元素的乘积：

27、；

28、计算mp的n次方根：

29、；

30、将向量归一化后，得到特征向量，其中：

31、；

32、这个特征向量就是各指标权重，各准则层、的权重分别为、，获得总权重为；

33、进而进行层次总排序，即分别求出指标层中各指标因素的相对重要性的排序权重，并对总排序进行一致性检验以确保精度。

34、优选的，所述s5中是采用综合指数法来进行危险性评价，采用定性判断来进行风险评估区划，采用危险性指数评价的数学模型为：

35、；

36、式中，f为灾害的危险性指数；n为危险性评价指标总数；r(j) 为各评价指标权重值；为各危险性指标的量化赋值数据；

37、依次将指标的赋值1、3、6等分别带入模型计算f的上下限和，计算危险性指数f，危险性指数越高， 海底管道的在位安全性越低，发生危险的风险越高；依据和，按照、、、，划分低度危险、中度危险、较高度危险、高度危险四个危险等级。

38、本发明第二方面提供了一种海底管道冲刷灾害运维时间获取方法，使用如第一方面所述的海底管道冲刷灾害危险分级方法所获取的危险等级，并包括以下过程：

39、s1，确定现场冲刷深度对应的时刻；

40、s2，基于现场水文及海床参数，得到冲刷发展模型，计算大于时刻的不同时刻下的管道冲刷深度，并将其输入到危险性指数评价的数学模型；

41、s3，直至到某个时刻危险性指数评价的数学模型输出为高风险，确定高风险冲刷深度对应的时刻；

42、s4，输出得到的时间，即为此工况下运维所需的时间允许天数。

43、优选的，所述冲刷发展模型的函数表达式为：

44、

45、式中，s(t)为任意时刻管道下方冲刷深度的绝对值，t为任一冲刷时间；seq为管线下方的平衡冲刷无量纲化的时间尺度t*的表达式为：

46、

47、式中，t是时间尺度，指实质性冲刷发生的时间，s为相对密度比值，d50为海床的泥沙中值粒径，g为重力加速度，d为管道直径；

48、式中，管线冲刷时间尺度t与希尔兹数θsc成反比，基于大量试验结果，提出恒定流条件下关于希尔数θsc的无量纲时间尺度预测公式：

49、

50、式中，复杂海底底质条件下水流作用于海床时的无量纲切应力θsc表达式修正为：

51、

52、式中，为临界起动切应力，g为重力加速度，按规范计算；为泥沙容重，为水容重，为泥沙中值粒径。

53、优选的，针对多种因素影响下的海底管道安全运维时间按以下标准确定：

54、一类标准：当待评估工程现场探测的横向屈曲度、纵向屈曲度大于允许的最小弯曲半径时，立即维修，维修时间低于3天；当待评估工程现场探测的冲刷悬空长度大于临界悬空长度时，立即维修，维修时间低于3天；

55、二类标准：当管道具有极端破坏时，立即维修，维修时间低于3天；

56、三类标准：当横向屈曲度、纵向屈曲度、冲刷悬空长度及极端破坏不符合一类、二类判别标准时，维修时间按照海底管道冲刷灾害运维时间进行维修；当冲刷灾害运维时间大于管道定期巡检时间时，按照巡检时间进行运维巡检，并重新进行管道安全性评估；当运维时间小于管道定期巡检时间时，应以冲刷灾害运维时间为准，进行相应治理与检测。

57、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

58、本发明明确了海底冲刷灾害的主要影响要素及其权重，实现了海底管道冲刷灾害的定量化分级；同时，实现了不同海域海底管道冲刷灾害的运维程度分级，针对海底管道现场占主要破坏影响的冲刷灾害，给出了针对冲刷灾害是否需要运维及运维时间计算计算方法，解决海底管道冲刷灾害运维只能定期侧扫，成本较高的工程问题；并给出考虑冲刷、悬跨及变形等安全要素在内的，整体海底管道安全运维等级级运维时间的指导；

59、其中，本发明在冲刷灾害分级时，考虑的指标更全面，综合了管道变形因素、管道稳定因素、海床冲刷因素以及人为因素四类因素，考虑十余种子准则层的共同影响，形成多因素、系统、全面的分级体系，本方案指标均为施工现场可直接获取的指标，更便于施工现场使用；

60、其中，新设计了针对海底管道冲刷灾害及变形灾害的指标等级赋值方法，特别在海底管道冲刷的指标等级赋值方面，综合考虑海床中值粒径与海床抗剪强度2种指标的共同作用，更符合实际海底工程的复杂工况，属于更客观、全面的评价过程；

61、其中，新设计了采用敏感性确定指标权重赋值的方法，相比原有层次分析法中人为规定的方法，实现了更客观的评价，提升了基于层次分析法的灾害评价过程的客观性；

62、其中，针对海底管道现场占主要破坏影响的冲刷灾害，新设计了针对海底管道冲刷灾害这一要素的运维时间计算方法，解决了现场工程只能定期侧扫，无法科学计算运维时间的工程难题，为现场治理冲刷灾害提供了参考。