CN105354386A - 一种天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移计算方法。现有计算方法需建立有限元模型，对计算者的专业素养要求高。本方法可根据天然气管道斜拉索跨越结构的基本参数，通过计算公式快速获得清管过程中的位移，解决了上述问题。其步骤是：收集天然气管道斜拉索跨越结构及其清管预案的基础数据；根据基础数据得出计算常数以及跨越结构特定位置处的等效位移长度；通过插值计算管道任意位置处的等效位移长度；将各等效位移长度代入位移曲线计算公式中，得到管道不同位置处的位移。本发明的计算方法简便，计算结果能表达清管作用下斜拉索跨越管道的位移随时间变化的关系式，为天然气管道斜拉索跨越结构清管安全评价提供了管治依据。

Description

一种天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移计算方法

技术领域

本发明属于天然气输送管道的设计与安全保障领域，尤其涉及一种天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移计算方法。

背景技术

管道跨越结构是一种将输送管道从天然或人工障碍物上部架空通过的建设工程，通常采用与公路桥相类似的设计方法，我国自上世纪七十年代起就开始修建斜拉索式的跨越管桥。目前，我国跨度最大的管桥仍然是1977年建成的长达1001米的忠县长江斜拉索式跨越结构。

对于新建成的天然气管道，其投产前需要进行清管以去除修建过程中遗留的污物、杂质；而在天然气管道的日常运行过程中，每过一段时间也需要清管，以去除运输过程中留下的积水。在这一过程中，清管器推动管道内的积水前进聚集形成液弹，且该液弹的流型、持液率也因液量大小、地形起伏等不断变化，从而对管道和弯头形成冲击。当管道埋设于地下时，由于土壤对管道具有良好的嵌固作用，该冲击不会造成管道的大幅变形或位移。然而斜拉索式跨越结构的主要承力部件是钢制缆索，对管道跨越结构属于柔性约束。因此在清管载荷的冲击下，极容易发生大的位移和强烈振动。例如四川南广河斜拉索管道跨越结构在清管时，管道的最大位移就达到了2m。强力的位移和振动不仅会造成跨越结构的失稳，还易使其应力超限，从而导致整体结构的破坏。而天然气作为管道内输送的主要介质，其泄漏可能引发的火灾和燃爆事故，将严重危害人民的生命财产安全。为此，国内外诸多学者都对清管载荷作用下，斜拉索跨越结构的位移和应力计算方法进行了研究，以便为斜拉索跨越结构的清管安全性评估提供理论依据和数据基础。但是，斜拉索跨越结构是由管道、缆索、塔架以及可能存在的桁架加劲梁所共同构成的复杂结构，而清管载荷涉及清管器、清管器前方液弹以及跨越结构三者之间的耦合作用，对其进行研究涉及复杂的数学建模和求解过程。目前，绝大多数研究成果都基于有限元方法，建立某一特定斜拉索跨越结构的动力分析模型。这一计算研究过程不仅对计算者的专业素养要求较高，所需时间较长，且其成果不具有可移植性。因此目前，尚未有成熟的技术或计算方法被天然气管道跨越结构的相关标准，如GB50459-2009《油气输送管道跨越工程设计规范》所采纳，也难以对斜拉索跨越结构的清管安全性进行评估。

综上所述，天然气管道斜拉索跨越结构在清管过程中的大位移是其面临的重大安全威胁，然而目前，尚没有合理的计算方法和技术对该位移进行评估，也就难以实现对斜拉索跨越结构清管安全性的评价，在管道的生产运行中存在缺陷。

发明内容

本发明提供了一种天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移计算方法，以解决现有技术中的各种缺陷和不足，本发明采取的技术方案如下：

提供一种天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移计算方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，根据天然气管道斜拉索跨越结构的设计资料、现场踏勘以及拟定的清管运行方案，收集天然气管道斜拉索跨越结构的跨长、跨越管道的外直径、清管器到达跨越结构起始点的速度、清管器到达跨越结构起始点时其前端的液柱长度以及该液柱的平均持液率；

步骤二，根据基础数据计算等效跨长系数、弗劳德数以及跨越结构1/4跨和1/2跨处的等效位移长度，具体实现步骤为：

(1)等效跨长系数：

${\tilde{L}}_s=H_1\frac{L_s}{L_p}---\left(1\right)$

式中——等效跨长系数，无量纲；

L_s——清管器前液弹长度，m；

L_p——跨越结构长度，m；

H_l——液弹区的平均持液率，无量纲。

(2)弗劳德数：

$F_r=\frac{v_p^2}{gd}---\left(2\right)$

式中F_r——弗劳德数，无量纲；

v_p——清管球运行速度，m/s；

d——管道外径，m；

g——重力加速度，取9.8m/s²。

(3)1/4跨、1/2跨和3/4跨处的等效位移长度：

${\tilde{u}}_{ax}=p_1+p_2{\tilde{L}}_s+p_3{\tilde{L}}_s^2+p_4{\tilde{L}}_s^3+p_5{F}_r---\left(3\right)$

式中——距跨越结构起始位置x处的等效位移长度，此处，x仅可取1/4跨长和1/2跨长，无量纲；

——等效跨长系数，无量纲；

F_r——弗劳德数，无量纲；

p₁、p₂、p₃、p₄、p₅——计算参数，取值见表1，无量纲。

表1等效位移长度计算公式中的各参数取值

位置	p1	p2	p3	p4	p5
						1/4跨	-4.3569×10-7	0.01554	-0.04361	0.04922	1.1608×10-5
1/2跨	-7.5539×10-8	0.01927	-0.06336	0.06442	8.0763×10-7

步骤三，以1/4跨和1/2跨的计算结果插值计算管道任意位置的等效位移长度，具体实现步骤为：

(1)跨头至1/2跨间任意位置处的管道：

${\tilde{u}}_{ax}=-16{\tilde{u}}_{a1/4}\frac{x(x-\frac{L_p}{2})}{L_p^2}+8{\tilde{u}}_{a1/2}\frac{x(x-\frac{L_p}{4})}{L_p^2}---\left(4\right)$

式中——距跨越结构起始位置x处的等效位移长度，无量纲；

x——计算位置与跨越结构起始位置间的距离，m；

——1/4跨和1/2跨处的等效位移长度，无量纲；

L_p——跨越结构长度，m。

(2)1/2跨至跨尾间任意位置处的管道：

${\tilde{u}}_{ax}=8{\tilde{u}}_{a1/2}\frac{(x-L_p)(x-\frac{3L_p}{4})}{L_p^2}-16{\tilde{u}}_{a1/4}\frac{(x-\frac{L_p}{2})(x-L_p)}{L_p^2}---\left(5\right)$

式中——距跨越结构起始位置x处的等效位移长度，无量纲；

x——为计算位置与跨越结构起始位置间的距离，m；

——1/4跨和1/2跨处的等效位移长度，无量纲；

L_p——跨越结构长度，m。

步骤四，将各等效位移长度代入天然气管道斜拉索跨越结构清管过程的位移曲线计算公式中，得到管道不同位置处的位移随时间变化的关系式，该关系式如下所示：

$u_{tx}=u_0+{\tilde{u}}_{ax}{L}_p\exp (-\frac{2{(2v_{p}t-2x+L_s)}^{2}ln4}{L_s^2})---\left(6\right)$

式中u_tx——距跨越结构起始位置x处在t时刻的位移，m；

——距跨越结构起始位置x处的等效位移长度，无量纲；

u₀——初始位移幅值，无特殊说明时均为0，m；

x——计算位置与跨越结构起始位置间的距离，m；

L_s——清管器前液弹长度，m；

t——清管持续时间，s；

v_p——清管球运行速度，m/s。

本发明提供的天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移计算方法，是基于天然气管道斜拉索跨越结构的设计参数和清管方案，结合斜拉索跨越结构清管过程室内实验数据，通过理论分析和数据拟合所推导出的一种计算天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移的新方法。该方法所需数据量少、计算量小且无需迭代，成功克服了有限元建模方法中对计算者的专业素养要求较高，且移植性差、求解时间成本大的缺点，解决了目前尚未有成熟技术和计算方法对斜拉索跨越结构清管位移进行评估的问题。本发明的计算流程清晰、公式简便，计算结果能表达不同时间不同位置处跨越管道的变形量，为天然气管道斜拉索跨越结构清管安全性评价提供了管治依据。

附图说明

图1天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移计算方法流程图；

图2由本方法计算的某天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中管道位移变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移计算方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，根据天然气管道斜拉索跨越结构的设计资料、现场踏勘以及拟定的清管运行方案，收集天然气管道斜拉索跨越结构的跨长、管道的管径、清管器运行速度等基础数据；

步骤二，根据基础数据计算等效跨长系数、弗劳德数以及跨越结构1/4跨和1/2跨处的等效位移长度；

步骤三，以1/4跨和1/2跨的计算结果插值计算管道任意位置的等效位移长度；

步骤四，将各等效位移长度代入天然气管道斜拉索跨越结构清管过程的位移曲线计算公式中，得到管道不同位置处的位移。

在步骤一中，需要收集的基础参数包括天然气管道斜拉索跨越结构的跨长、跨越管道的外直径、清管器到达跨越结构起始点的速度、清管器到达跨越结构起始点时其前端的液柱长度以及该液柱的平均持液率；

在步骤二中，需要计算的各参数公式如下：

(1)等效跨长系数：

${\tilde{L}}_s=H_1\frac{L_s}{L_p}---\left(1\right)$

式中——等效跨长系数，无量纲；

L_s——清管器前液弹长度，m；

L_p——跨越结构长度，m；

H_l——液弹区的平均持液率，无量纲。

(2)弗劳德数：

$F_r=\frac{v_p^2}{gd}---\left(2\right)$

式中F_r——弗劳德数，无量纲；

v_p——清管球运行速度，m/s；

d——管道外径，m；

g——重力加速度，取9.8m/s²。

(3)1/4跨和1/2跨处的等效位移长度：

${\tilde{u}}_{ax}=p_1+p_2{\tilde{L}}_s+p_3{\tilde{L}}_s^2+p_4{\tilde{L}}_s^3+p_5{F}_r---\left(3\right)$

式中——距跨越结构起始位置x处的等效位移长度，此处，x仅可取1/4跨长和1/2跨长，无量纲；

——等效跨长系数，无量纲；

F_r——弗劳德数，无量纲；

p₁、p₂、p₃、p₄、p₅——计算参数，取值见表1，无量纲。

表1等效位移长度计算公式中的各参数取值

位置	p1	p2	p3	p4	p5
						1/4跨	-4.3569×10-7	0.01554	-0.04361	0.04922	1.1608×10-5
1/2跨	-7.5539×10-8	0.01927	-0.06336	0.06442	8.0763×10-7

在步骤三中，管道任意位置处的等效位移长度计算公式如下：

(1)跨头至1/2跨间任意位置处的管道：

${\tilde{u}}_{ax}=-16{\tilde{u}}_{a1/4}\frac{x(x-\frac{L_p}{2})}{L_p^2}+8{\tilde{u}}_{a1/2}\frac{x(x-\frac{L_p}{4})}{L_p^2}---\left(4\right)$

式中——距跨越结构起始位置x处的等效位移长度，无量纲；

x——计算位置与跨越结构起始位置间的距离，m；

——1/4跨和1/2跨处的等效位移长度，无量纲；

L_p——跨越结构长度，m。

(2)1/2跨至跨尾间任意位置处的管道：

${\tilde{u}}_{ax}=8{\tilde{u}}_{a1/2}\frac{(x-L_p)(x-\frac{3L_p}{4})}{L_p^2}-16{\tilde{u}}_{a1/4}\frac{(x-\frac{L_p}{2})(x-L_p)}{L_p^2}---\left(5\right)$

式中——距跨越结构起始位置x处的等效位移长度，无量纲；

x——计算位置与跨越结构起始位置间的距离，m；

——1/4跨和1/2跨处的等效位移长度，无量纲；

L_p——跨越结构长度，m。

在步骤四中，将计算得到的等效位移长度代入到天然气管道斜拉索跨越结构清管过程的位移曲线计算公式中，得到清管过程中管道不同位置处的位移随时间变化的关系式如下所示：

$u_{tx}=u_0+{\tilde{u}}_{ax}{L}_p\exp (-\frac{2{(2v_{p}t-2x+L_s)}^{2}ln4}{L_s^2})---\left(6\right)$

式中u_tx——距跨越结构起始位置x处在t时刻的位移，m；

——距跨越结构起始位置x处的等效位移长度，无量纲；

u₀——初始位移幅值，无特殊说明时均为0，m；

x——计算位置与跨越结构起始位置间的距离，m；

L_s——清管器前液弹长度，m；

t——清管持续时间，s；

v_p——清管球运行速度，m/s。

下面结合具体实例对本发明的应用原理作进一步描述。

例：一座天然气斜拉索跨越结构的长度为10m，管道外径为21.3mm，清管球运行速度为3.2m/s，液弹长度为4m、平均持液率为0.6，求清管过程中管道不同位置处的位移。

第一步：收集得到的基础参数包括天然气管道跨越结构的跨长L_p＝10m、跨越管道直径d＝0.0213m、清管器运行速度v_p＝3.2m/s、到达跨越结构时清管器前液弹长度L_s＝4m、液弹持液率H_l＝0.6。

第二步：根据基础数据计算各所需参数。

等效跨长系数：

${\tilde{L}}_s=H_1\frac{L_s}{L_p}=0.6\×\frac{4}{10}=0.24$

弗劳德数：

$F_r=\frac{v_p^2}{gd}=\frac{{3.2}^2}{9.8\×0.0213}=49.05$

1/4跨和1/2跨处的等效位移长度：

$\begin{array}{c}{\tilde{u}}_{a1/4}=-4.3569\×{10}^{-7}+0.01554\×0.24-0.04361\×{0.24}^2\\ +0.04922\×{0.24}^3+1.1608\×{10}^{-5}\×49.05\\ =0.00336\end{array}$

$\begin{array}{c}{\tilde{u}}_{a1/2}=-7.5539\×{10}^{-8}+0.01927\×0.24-0.06336\×{0.24}^2\\ +0.06442\×{0.24}^3+8.0763\×{10}^{-7}\×49.05\\ =0.00191\end{array}$

第三步：计算管道1/8、3/8、5/8以及7/8跨长处的等效位移长度：

${\tilde{u}}_{a1/8}=-16{\tilde{u}}_{a1/4}\frac{\frac{L_p}{8}\left(\frac{L_p}{8}-\frac{L_p}{2}\right)}{L_p^2}+8{\tilde{u}}_{a1/2}\frac{\frac{L_p}{8}\left(\frac{L_p}{8}-\frac{L_p}{2}\right)}{L_p^2}=\frac{3}{4}{\tilde{u}}_{a1/4}-\frac{1}{8}{\tilde{u}}_{a1/2}=0.00228$

${\tilde{u}}_{a3/8}=-16{\tilde{u}}_{a1/4}\frac{\frac{3L_p}{8}\left(\frac{3L_p}{8}-\frac{L_p}{2}\right)}{L_p^2}+8{\tilde{u}}_{a1/2}\frac{\frac{L_p}{8}\left(\frac{3L_p}{8}-\frac{L_p}{4}\right)}{L_p^2}=\frac{1}{4}{\tilde{u}}_{a1/4}+\frac{1}{8}{\tilde{u}}_{a1/2}=0.00108$

${\tilde{u}}_{a5/8}=8{\tilde{u}}_{a1/2}\frac{(\frac{5}{8}{L}_p-L_p)(\frac{5}{8}{L}_p-\frac{3L_p}{4})}{L_p^2}-16{\tilde{u}}_{a1/4}\frac{(\frac{5}{8}{L}_p-\frac{L_p}{2})(\frac{5}{8}{L}_p-L_p)}{L_p^2}=\frac{3}{8}{\tilde{u}}_{a1/2}+\frac{3}{4}{\tilde{u}}_{a1/4}=0.00324$

${\tilde{u}}_{a5/8}=8{\tilde{u}}_{a1/2}\frac{\left(\frac{7}{8}{L}_p-L_p\right)\left(\frac{7}{8}{L}_p-\frac{3L_p}{4}\right)}{L_p^2}-16{\tilde{u}}_{a1/4}\frac{\left(\frac{7}{8}{L}_p-\frac{L_p}{2}\right)\left(\frac{7}{8}{L}_p-L_p\right)}{L_p^2}=-\frac{1}{8}{\tilde{u}}_{a1/2}+\frac{3}{4}{\tilde{u}}_{a1/4}=0.00228$

第四步：将计算得到的等效位移长度代入到天然气管道斜拉索跨越结构清管过程的位移曲线计算公式中，得到清管过程中管道不同位置处的位移关系式：

1/8跨： $u_{t1/8}=0.00228\exp \left(-\frac{{(6.4t+1.5)}^{2}ln4}{8}\right)$

1/4跨： $u_{t1/4}=0.00336\exp \left(-\frac{{(6.4t-1)}^{2}ln4}{8}\right)$

3/8跨： $u_{t3/8}=0.00108\exp \left(-\frac{{(6.4t-3.5)}^{2}ln4}{8}\right)$

1/2跨： $u_{t1/2}=0.00191\exp \left(-\frac{{(6.4t-6)}^{2}ln4}{8}\right)$

5/8跨： $u_{t5/8}=0.00324\exp \left(-\frac{{(6.4t-8.5)}^{2}ln4}{8}\right)$

7/8跨： $u_{t3/4}=0.00228\exp \left(-\frac{{(6.4t-13.5)}^{2}ln4}{8}\right)$

向上述各式代入清管时间t，可逐次求得同一时间条件下跨越管道不同位置处的位移，综合后可得结果如图2所示。计算结果图可清晰反应清管过程中，斜拉索跨越结构的最大位移逐步从跨头向跨尾移动的过程。其结果直观且与清管器运行规律相符，可作为清管安全性评价的主要依据。因此，本发明确有其必要性和实用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移曲线计算方法，包括以下步骤：

步骤一，根据天然气管道斜拉索跨越结构的设计资料、现场踏勘以及拟定的清管运行方案，收集天然气管道斜拉索跨越结构的跨长、管道的管径、清管器运行速度等基础数据；

步骤二，根据基础数据计算等效跨长系数、弗劳德数以及跨越结构1/4跨和1/2跨处的等效位移长度；

步骤三，以1/4跨和1/2跨的计算结果插值计算管道任意位置的等效位移长度；

步骤四，将各等效位移长度代入天然气管道斜拉索跨越结构清管过程的位移曲线计算公式中，得到管道不同位置处的位移。

2.如权利要求1所述的天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移曲线计算方法，其特征在于，收集天然气管道斜拉索跨越结构的跨长、跨越管道的外直径、清管器到达跨越结构起始点的速度、清管器到达跨越结构起始点时其前端的液柱长度以及该液柱的平均持液率。

3.如权利要求1所述的天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移曲线计算方法，其特征在于，根据基础数据计算等效跨长系数、弗劳德数以及跨越管道在1/4跨和1/2跨处的等效位移长度，具体实现步骤为：

(1)等效跨长系数：

式中——等效跨长系数，无量纲；

L_s——清管器前液弹长度，m；

L_p——跨越结构长度，m；

H_l——液弹区的平均持液率，无量纲；

(2)弗劳德数：

式中F_r——弗劳德数，无量纲；

v_p——清管球运行速度，m/s；

d——管道外径，m；

g——重力加速度，取9.8m/s²；

(3)1/4跨和1/2跨处的等效位移长度：

式中——距跨越结构起始位置x处的等效位移长度，此处，x仅可取1/4跨长和1/2跨长，无量纲；

——等效跨长系数，无量纲；

F_r——弗劳德数，无量纲；

p₁、p₂、p₃、p₄、p₅——计算参数，取值见表1，无量纲。

表1等效位移长度计算公式中的各参数取值

位置 p₁ p₂ p₃ p₄ p₅ 1/4跨 -4.3569×10^-7 0.01554 -0.04361 0.04922 1.1608×10^-5 1/2跨 -7.5539×10^-8 0.01927 -0.06336 0.06442 8.0763×10^-7

4.如权利要求1所述的天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移曲线计算方法，其特征在于，以1/4跨和1/2跨的计算结果插值计算管道任意位置的等效位移长度，具体实现步骤为：

(1)跨头至1/2跨间任意位置处的管道：

式中——距跨越结构起始位置x处的等效位移长度，无量纲；

x——计算位置与跨越结构起始位置间的距离，m；

——1/4跨和1/2跨处的等效位移长度，无量纲；

L_p——跨越结构长度，m；

(2)1/2跨至跨尾间任意位置处的管道：

式中——距跨越结构起始位置x处的等效位移长度，无量纲；

x——计算位置与跨越结构起始位置间的距离，m；

——1/4跨和1/2跨处的等效位移长度，无量纲；

L_p——跨越结构长度，m。

5.如权利要求1所述的天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移曲线计算方法，其特征在于，将各等效位移长度代入天然气管道斜拉索跨越结构清管过程的位移曲线计算公式中，得到管道不同位置处的位移随时间变化的关系式，该关系式如下所示：

式中u_tx——距跨越结构起始位置x处在t时刻的位移，m；

——距跨越结构起始位置x处的等效位移长度，无量纲；

u₀——初始位移幅值，无特殊说明时均为0，m；

x——计算位置与跨越结构起始位置间的距离，m；

L_s——清管器前液弹长度，m；

t——清管持续时间，s；

v_p——清管球运行速度，m/s。