本發(fā)明涉及一種基于管道存在彈性敷設時軸向監(jiān)測應力的預警方法，屬于油氣長輸管道應力監(jiān)測技術領域。

背景技術：

在油氣長輸管道的建設及規(guī)劃中，因資源市場分布以及地形、地方規(guī)劃等因素限制，油氣管道不可避免地要通過活動斷層、坡體、采空區(qū)、軟土等可能發(fā)生地表位移的地段。這些地段的管道除了環(huán)向承壓外，軸向還會受到由于地表位移引起的附加應力，使得管道應力處于危險狀態(tài)。當前對于可能發(fā)生地表位移地段的管道，多采用應力監(jiān)測措施，以便實時掌握管道的應力狀態(tài)，及時采取應對措施。振弦式應變計因其傳感器結構簡單、輸出信號便于計算機處理、連接牢固適用于長期監(jiān)測等優(yōu)點，廣泛應用于油氣長輸管道的應力監(jiān)測措施中。

評估埋地管道的應力狀態(tài)時，一般根據(jù)管道的軸向應力以及軸向應力與環(huán)向應力組合的當量應力進行評價。對于埋地直管道而言，管道位移變形主要影響管道軸向應力，其對管道環(huán)向應力的影響很小可以忽略不計，管道環(huán)向應力只與管道運行壓力有關。因此對地表位移段管道采取長期應力監(jiān)測措施時，一般只在管道軸向上布置振弦式應變計，監(jiān)測管道的軸向應力變化情況，同時參考運行壓力等因素評價管道的應力狀態(tài)。根據(jù)管道軸向應力評估管道應力狀態(tài)并判斷應力預警級別的方法，稱為基于管道軸向監(jiān)測應力的預警方法。這種監(jiān)測措施方法簡單，經(jīng)濟性好，便于應用。

但是，實施中因為對管道應力內(nèi)涵的理解不夠透徹，易將管道軸向應力監(jiān)測值與管道軸向應力(或軸向附加應力)混淆，同時存在采取應力監(jiān)測措施時的管道軸向應力設置不符合實際、預警值設置方法不合理等問題，導致管道應力狀態(tài)及預警級別的判斷極易出現(xiàn)偏差，造成管道應力安全狀態(tài)誤預警或管道應力危險狀態(tài)不預警等危險情況，嚴重影響管道安全和應急處置。這是管道穿越多發(fā)地表位移地段 應力應變監(jiān)測及預警方面亟待解決的技術問題。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決目前管道軸向應力監(jiān)測及應力預警中存在的一系列問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于管道存在彈性敷設時軸向監(jiān)測應力的預警方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種基于管道存在彈性敷設時軸向監(jiān)測應力的預警方法，包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)采取應力監(jiān)測措施的時間節(jié)點建立管道軸向應力計算模型，其為：

σ_L＝σ_L,1+Δσ_L

式中：σ_L為采取應力監(jiān)測措施后的管道軸向應力；σ_L,1為采取應力監(jiān)測措施時的管道軸向應力；Δσ_L為采取應力監(jiān)測措施之后的管道軸向附加應力；

步驟2，建立采取應力監(jiān)測措施時的管道軸向應力計算模型，其為：

式中：μ為泊松比；α為管材的線膨脹系數(shù)；E為管材的彈性模量；P₁為采取監(jiān)測措施時的運行壓力；d為管道內(nèi)徑；t為管道壁厚；T₀為管道下溝回填時的管壁溫度；T₁為采取監(jiān)測措施時的管壁溫度；D為管道外徑；ρ為彈性敷設曲率半徑；

步驟3，建立采取應力監(jiān)測措施后的管道軸向附加應力與軸向應力監(jiān)測值之間的計算模型，其為：

式中：σ_L,M為管道軸向應力監(jiān)測值；P₂為軸向應力監(jiān)測值對應時刻的管道運行壓力；

步驟4，根據(jù)步驟1～步驟3中所述的計算模型，建立采取應力監(jiān) 測措施后的管道軸向應力與軸向應力監(jiān)測值之間的計算模型，其為：

步驟5，建立管道軸向允許附加應力的關系式，其為：

式中：σ_s為管材的屈服強度；

步驟6，根據(jù)步驟5中所述管道軸向允許附加應力的關系式，建立管道軸向監(jiān)測應力的應力預警級別模型，其為：

式中：β為管道軸向附加應力占管道軸向允許附加應力的百分比；

步驟7，采用步驟6中所述基于管道軸向監(jiān)測應力的應力預警級別模型，根據(jù)模型中的管道參數(shù)、軸向應力監(jiān)測數(shù)據(jù)和管道運行參數(shù)，計算管道的應力狀態(tài)，判斷管道的應力預警級別。

進一步的，管道軸向監(jiān)測應力允許值的關系式為：

進一步的，采取應力監(jiān)測措施為：在管道上選擇監(jiān)測截面，沿監(jiān)測截面圓周選擇若干個位置作為應力監(jiān)測點，打開各監(jiān)測點防腐層并將管壁打磨光滑；在管壁外表面的各應力監(jiān)測點沿管道軸向布置振弦式應變計，待所有應力監(jiān)測點的振弦式應變計布置完畢后，清零振弦 式應變計讀數(shù)，并將此時刻計為采取應力監(jiān)測措施的時刻，開始記錄管道軸向應力數(shù)據(jù)。

進一步的，管道應力預警級別可設置為：

當β處于30％與60％之間時，為藍色預警；

當β處于60％與90％之間時，為藍色預警；

當β大于90％時，為紅色預警。

本發(fā)明有益效果為：

本發(fā)明提供的基于管道軸向監(jiān)測應力的預警方法，通過建立簡單的計算模型，使管道設計人員根據(jù)管道參數(shù)、軸向應力監(jiān)測數(shù)據(jù)和管道運行數(shù)據(jù)等相關參數(shù)，便可計算出某一時刻的管道應力狀態(tài)和相應的預警級別，提高了工作效率，降低了因管道應力認識不足造成應力預警誤判的可能性。本發(fā)明實施簡單，進行應力監(jiān)測時只需要在管道軸向布置振弦式應變計，且不用增加溫度補償裝置，即可進行長期的管道應力監(jiān)測并評估管道應力狀態(tài)和預警級別；同時提供的計算模型，具有通用性強、方便快捷、準確度高等優(yōu)點，易被廣大管道運行管理人員和設計人員掌握，可廣泛應用于管道應力監(jiān)測領域。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

將管道軸向應力進行分解，通過力學理論，分析各軸向應力分量的應力與應變之間的對應關系，研究各軸向應力分量在應變計上的反映。多發(fā)地表位移段埋地管道軸向應力一般包括內(nèi)壓引起的軸向泊松應力σ_P、溫度變化引起的管道軸向應力σ_T和管道位移引起的軸向應力σ_D。管道軸向監(jiān)測應力只反映管道軸向應力應變的變化，各軸向應力分量表現(xiàn)如下：

(1)內(nèi)壓引起的軸向泊松應力σ_P。在內(nèi)壓作用下，管道環(huán)向膨脹的同時發(fā)生軸向收縮，因管道軸向受到土體的約束作用限制了管道 的軸向變形，在管道軸向產(chǎn)生泊松應力σ_P，軸向變形為0；因應變計的變形與管道同步，故管道軸向應變計無法測出內(nèi)壓引起的軸向泊松應力σ_P。

(2)溫度變化引起的管道軸向應力σ_T。當管道運行溫度和初始溫度不同時，管道軸向發(fā)生熱脹冷縮，因土體約束限制了管道的軸向變形，在管道軸向產(chǎn)生軸向應力σ_T；軸向應變計溫度與管壁相同，應變計的振弦發(fā)生同步的熱脹冷縮并表現(xiàn)出振動頻率的變化，進而在應變計中產(chǎn)生溫度變化引起應力σ_T1；應變計振弦和管材的線膨脹系數(shù)相同，故σ_T＝σ_T1，故振弦式應變計可以反映溫度變化引起的管道軸向應力σ_T。

(3)管道位移引起的軸向應力σ_D。當管道發(fā)生位移變形時，管道軸向產(chǎn)生應變，軸向應變計和管道的軸向變形同步且變形量相等，故管道軸向應變計可以測出管道位移引起的軸向應變進而可得到對應的軸向應力σ_D。

通過上述分析可知，管道軸向應力監(jiān)測值不完全等同于實際的管道軸向應力(或管道軸向附加應力)。

實施例1

一種基于管道存在彈性敷設時軸向監(jiān)測應力的預警方法，包括已下步驟：

步驟1，根據(jù)采取應力監(jiān)測措施的時間節(jié)點建立管道軸向應力計算模型，其為：

σ_L＝σ_L,1+Δσ_L

式中：σ_L為采取應力監(jiān)測措施后的管道軸向應力(MPa)；σ_L,1為采取應力監(jiān)測措施時的管道軸向應力(MPa)；Δσ_L為采取應力監(jiān)測措施之后的管道軸向附加應力(MPa)；

步驟2，從力學理論出發(fā)，建立采取應力監(jiān)測措施時的管道軸向應力計算模型，其為：

式中：μ為泊松比，取0.3；α為管材的線膨脹系數(shù)，一般取1.2×10^-5℃^-1；E為管材的彈性模量(MPa)；P₁為采取監(jiān)測措施時的運行壓力(MPa)；d為管道內(nèi)徑(mm)；t為管道壁厚(mm)；T₀為管道下溝回填時的管壁溫度(℃)；T₁為采取監(jiān)測措施時的管壁溫度(℃)；D為管道外徑(mm)；ρ為彈性敷設曲率半徑(mm)；

步驟3，從力學理論出發(fā)，建立采取應力監(jiān)測措施后的管道軸向附加應力與軸向應力監(jiān)測值之間的計算模型，其為：

式中：σ_L,M為管道軸向應力監(jiān)測值(MPa)；P₂為軸向應力監(jiān)測值對應時刻的管道運行壓力(MPa)；

步驟4，根據(jù)步驟1～步驟3中所述的計算模型，建立采取應力監(jiān)測措施后的管道軸向應力與軸向應力監(jiān)測值之間的計算模型，其為：

步驟5，建立管道軸向允許附加應力的關系式。

當量應力要求：參照《輸氣管道工程設計規(guī)范》(GB50251-2015)，當量應力應小于0.9倍最小屈服強度，如下所示：

σ_e＝|σ_h-σ_L|≤0.9σ_s

式中，σ_h為管道環(huán)向應力(MPa)，σ_s為管材的屈服強度(MPa)；

根據(jù)上式和步驟1、步驟2中的計算模型，可得：

軸向應力要求：參照《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》(ASME B31.8-2014)，軸向應力應小于0.9倍最小屈服強度，如下所示：

|σ_L|≤0.9σ_s

根據(jù)上式和步驟1、步驟2中的計算模型，可得：

得到管道軸向允許附加應力的關系式，其為：

式中：σ_s為管材的屈服強度(MPa)；

步驟6，根據(jù)步驟5中所述管道軸向允許附加應力的關系式，建立基于管道軸向監(jiān)測應力的應力預警級別模型，其為：

式中：β為管道軸向附加應力占管道軸向允許附加應力的百分比；

步驟7，采用步驟6中所述基于管道軸向監(jiān)測應力的應力預警級別模型，根據(jù)應力預警級別模型中的管道參數(shù)、軸向應力監(jiān)測數(shù)據(jù)和管道運行參數(shù)，計算管道的應力狀態(tài)，判斷管道的應力預警級別。

另外，根據(jù)步驟4中采取應力監(jiān)測措施后的管道軸向應力與軸向應力監(jiān)測值之間的計算模型及步驟5中管道軸向允許附加應力的關系式，得到管道軸向監(jiān)測應力允許值的關系式為：

本發(fā)明適用于彈性敷設段埋地管道。

下面以D1219mm/15.3mm壁厚/X80鋼級某管道，某地表位移處彈性敷設段軸向應力監(jiān)測為例來說明本實施例的計算過程：

1)管道參數(shù)，如表1所示：

表1

2)采取應力監(jiān)測措施后某一時刻的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，監(jiān)測截面呈受壓狀態(tài)，最大軸向壓縮應力為-113.61MPa。

3)管道的應力預警級別：

假設管道應力預警級別設置原則為：當管道軸向附加應力達到管道軸向允許附加應力的30％時，為藍色預警水平；當管道軸向附加應力達到管道軸向允許附加應力的60％時，為黃色預警水平；當管道軸向附加應力達到管道軸向允許附加應力的90％時，為紅色預警水平。

根據(jù)基于管道軸向監(jiān)測應力的應力預警級別模型判斷應力預警級別。其中：泊松比μ取0.3；鋼材的線膨脹系數(shù)α取1.2×10^-5℃^-1；鋼材的彈性模量E＝2.1×10⁵MPa；D管道外徑，mm；t為管道壁厚，mm；d為管道內(nèi)徑，mm；ρ為彈性敷設曲率半徑，mm；管道下溝回填時的管壁溫度T₀＝21.8℃；采取監(jiān)測措施時的運行壓力P₁＝8.38MPa；采取監(jiān)測措施時的管壁溫度T₁＝9.8℃；應力監(jiān)測后計算時刻的運行壓力P₂＝7.81MPa；管材屈服強度σ_s＝555MPa；監(jiān)測截面最大軸向壓縮應力σ_L,M＝-113.61MPa。

首先判斷

選取公式并計算得

參照管道應力預警級別設置原則，管道應力處于藍色預警水平。

本實施例提供的基于管道軸向監(jiān)測應力的預警方法，通過建立簡單的數(shù)學計算模型，根據(jù)管道參數(shù)、管道監(jiān)測數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)等相關參數(shù)，便可便捷地計算出管道應力預警級別，提高了工作效率，減少了管道運行管理人員和設計人員對管道應力認識不足造成預警誤判的可能性。本發(fā)明中所述的軸向應力監(jiān)測數(shù)據(jù)中包含軸向溫差應力的監(jiān)測措施。本發(fā)明提供的計算模型，具有通用性強、計算快捷、使用方便、準確度高等優(yōu)點，易被廣大管道運行管理人員、管道應力監(jiān)測人員和管道設計人員掌握，可廣泛應用于管道應力監(jiān)測領域。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。