本發(fā)明涉及一種基于管道軸向監(jiān)測應(yīng)力的預(yù)警方法，屬于油氣長輸管道應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在油氣長輸管道的建設(shè)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(yīng)力，使得管道應(yīng)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(yīng)力監(jiān)測措施，以便實時掌握管道的應(yīng)力狀態(tài)，及時采取應(yīng)對措施。振弦式應(yīng)變計因其傳感器結(jié)構(gòu)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(yīng)用于油氣長輸管道的應(yīng)力監(jiān)測措施中。

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

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決目前管道軸向應(yīng)力監(jiān)測及應(yīng)力預(yù)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軸向監(jiān)測應(yīng)力的預(yù)警方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于管道軸向監(jiān)測應(yīng)力的預(yù)警方法，包括以下步驟：

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

σ_L＝σ_L,1+Δσ_L

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

步驟2，建立采取應(yīng)力監(jiān)測措施時的管道軸向應(yīng)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；

步驟3，建立采取應(yīng)力監(jiān)測措施后的管道軸向附加應(yīng)力與軸向應(yīng)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(yīng)力監(jiān)測值；P₂為軸向應(yīng)力監(jiān)測值對應(yīng)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(yīng)力監(jiān)測措施后的管道軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)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(yīng)力的關(guān)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(yīng)力的關(guān)系式，建立基于管道軸向監(jiān)測應(yīng)力的應(yīng)力預(yù)警級別模型，其為：

式中：β為管道軸向附加應(yīng)力占管道軸向允許附加應(yīng)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(yīng)力的應(yīng)力預(yù)警級別模型，根據(jù)模型中的管道參數(shù)、軸向應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)和管道運行參數(shù)，計算管道的應(yīng)力狀態(tài)，判斷管道的應(yīng)力預(yù)警級別。

進一步的，管道軸向監(jiān)測應(yīng)力允許值的關(guān)系式為：

進一步的，采取應(yīng)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(yīng)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(yīng)力監(jiān)測點沿管道軸向布置振弦式應(yīng)變計，待所有應(yīng)力監(jiān)測點的振弦式應(yīng)變計布置完畢后，清零振弦式應(yīng)變計讀數(shù)，并將此時刻計為采取應(yīng)力監(jiān)測措施的時刻，開始記錄管道軸向應(yīng)力數(shù)據(jù)。

進一步的，管道應(yīng)力預(yù)警級別為：

當β處于30％與60％之間時，為藍色預(yù)警；

當β處于60％與90％之間時，為藍色預(yù)警；

當β大于90％時，為紅色預(yù)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(yīng)力的預(yù)警方法，通過建立簡單的計算模型，使管道設(shè)計人員根據(jù)管道參數(shù)、軸向應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)和管 道運行數(shù)據(jù)等相關(guān)參數(shù)，便可計算出某一時刻的管道應(yīng)力狀態(tài)和相應(yīng)的預(yù)警級別，提高了工作效率，降低了因管道應(yīng)力認識不足造成應(yīng)力預(yù)警誤判的可能性。本發(fā)明實施簡單，進行應(yīng)力監(jiān)測時只需要在管道軸向布置振弦式應(yīng)變計，且不用增加溫度補償裝置，即可進行長期的管道應(yīng)力監(jiān)測并評估管道應(yīng)力狀態(tài)和預(yù)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(shè)計人員掌握，可廣泛應(yīng)用于管道應(yīng)力監(jiān)測領(lǐng)域。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)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(yīng)力進行分解，通過力學理論，分析各軸向應(yīng)力分量的應(yīng)力與應(yīng)變之間的對應(yīng)關(guān)系，研究各軸向應(yīng)力分量在應(yīng)變計上的反映。多發(fā)地表位移段埋地管道軸向應(yīng)力一般包括內(nèi)壓引起的軸向泊松應(yīng)力σ_P、溫度變化引起的管道軸向應(yīng)力σ_T和管道位移引起的軸向應(yīng)力σ_D。管道軸向監(jiān)測應(yīng)力只反映管道軸向應(yīng)力應(yīng)變的變化，各軸向應(yīng)力分量表現(xiàn)如下：

(1)內(nèi)壓引起的軸向泊松應(yīng)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(yīng)力σ_P，軸向變形為0；因應(yīng)變計的變形與管道同步，故管道軸向應(yīng)變計無法測出內(nèi)壓引起的軸向泊松應(yīng)力σ_P。

(2)溫度變化引起的管道軸向應(yīng)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(yīng)力σ_T；軸向應(yīng)變計溫度與管壁相同，應(yīng)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(yīng)變計中產(chǎn)生溫度變化引起應(yīng)力σ_T1；應(yīng)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(yīng)變計可以反映溫度變化引起的管道軸向應(yīng)力σ_T。

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

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

實施例1

本發(fā)明提供一種基于管道軸向監(jiān)測應(yīng)力的預(yù)警方法，包括以下步驟：

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

σ_L＝σ_L,1+Δσ_L

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

步驟2，從力學理論出發(fā)，建立采取應(yīng)力監(jiān)測措施時的管道軸向應(yīng)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(℃)；

步驟3，從力學理論出發(fā)，建立采取應(yīng)力監(jiān)測措施后的管道軸向附加應(yīng)力與軸向應(yīng)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(yīng)力監(jiān)測值(MPa)；P₂為軸向應(yīng)力監(jiān)測值對應(yīng)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(yīng)力監(jiān)測措施后的管道軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)力監(jiān)測值之間的計算模型，其為：

步驟5，埋地管道的軸向應(yīng)力和當量應(yīng)力均應(yīng)滿足規(guī)范要求。

當量應(yīng)力要求：參照《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(GB50251-2015)，當量應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力(MPa)，σ_s為管材的屈服強度(MPa)；

根據(jù)上式及步驟1、步驟2中的計算模型可得：

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

|σ_L|≤0.9σ_s

根據(jù)上式及步驟1、步驟2中的計算模型可得：

由此，得到管道軸向允許附加應(yīng)力的關(guān)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(yīng)力的關(guān)系式，建立基于管道軸向監(jiān)測應(yīng)力的應(yīng)力預(yù)警級別模型，其為：

式中：β為管道軸向附加應(yīng)力占管道軸向允許附加應(yīng)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(yīng)力的應(yīng)力預(yù)警級別模型，根據(jù)模型中的管道參數(shù)、軸向應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)和管道運行參數(shù)，計算管道的應(yīng)力狀態(tài)，判斷管道的應(yīng)力預(yù)警級別。

根據(jù)步驟4中采取應(yīng)力監(jiān)測措施后的管道軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)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(yīng)力的關(guān)系式，得到管道軸向監(jiān)測應(yīng)力允許值的關(guān)系式為：

本發(fā)明適用于埋地直管道以及具有較強約束且角度較小的埋地彎管。

下面以D1219mm/15.3mm壁厚/X80鋼級某管道，某地表位移處彈性敷設(shè)段軸向應(yīng)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(yīng)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(yīng)力為-113.61MPa。

3)管道的應(yīng)力預(yù)警級別：

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

根據(jù)基于管道軸向監(jiān)測應(yīng)力的應(yīng)力預(yù)警級別模型判斷應(yīng)力預(yù)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；t為管道壁厚，mm；d為管道內(nèi)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(yīng)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(yīng)力σ_L,M＝-113.61MPa。

首先判斷

選取公式并計算得

參照管道應(yīng)力預(yù)警級別設(shè)置原則，管道應(yīng)力處于藍色預(yù)警水平。

本實施例提供的基于管道軸向監(jiān)測應(yīng)力的預(yù)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(guān)參數(shù)，便可便捷地計算出管道應(yīng)力預(yù)警級別，提高了工作效率，減少了管道運行管理人員和設(shè)計人員對管道應(yīng)力認識不足造成預(yù)警誤判的可能性。本發(fā)明中所述的軸向應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)中包含軸向溫差應(yīng)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(yīng)力監(jiān)測人員和管道設(shè)計人員掌握，可廣泛應(yīng)用于管道應(yīng)力監(jiān)測領(lǐng)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(lǐng)域的技術(shù)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(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。