CN107894368A - 一种基于应变检测的管道安全评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于应变检测的管道安全评价装置及方法。其技术方案是：包括试验台、管道、管道固定及轴向位移加载装置、横向位移加载装置、管道内压加载装置、应变检测及分析装置，试验台上通过管道固定及轴向位移加载装置、横向位移加载装置安装管道，并在管道上设有管道内压加载装置，通过数据线连接应变检测及分析装置进行检测和分析。有益效果是：可以进行埋地管道地质灾害多项位移载荷作用的小型物理模拟试验，并能够确定管道危险点的应力，用于断层、滑坡等地质灾害作用下埋地油气管道的安全评价，为埋地管道安全运营提供依据；该发明具有试验过程实时可见、检测方案简单高效等特点，既适用于管道模型检测示范，也能够在工程中推广应用。

Description

一种基于应变检测的管道安全评价装置及方法

技术领域

本发明涉及一种管道工程领域，特别涉及一种基于应变检测的管道安全评价装置及方法。

背景技术

管道作为油气的主要运输载体之一。近年来，随着以西气东输为代表的一批新管道项目的建设，截止到2015 年，我国油气长输管线总里程 10.87万公里，形成了横贯东西、纵贯南北的管道运输网络。由于埋地铺设的优势，埋地管道已经成为长距离输送原油、成品油、天然气等介质的重要手段。埋地管道覆盖面广，不得不穿越各种复杂的地质环境，在役的埋地管道不可避免受到地质灾害带来的潜在威胁，如断层错动、山体滑坡、泥石流、冻土等等。当地质灾害引发地面变形发生时,土体会因为剪切破坏和体积膨胀产生不可逆的变形,埋地管道会受到土体的推动作用产生不均句的偏移,进而发生破坏。近年来因永久地面变形作用而导致的管道事故不断发生,由断层错动和山体滑坡带来的埋地管道安全问题已经受到来自世界范围内的广泛关注。

为保证滑坡等地质灾害多发区管道的安全运行, 最合理的方法是对运营状态下的管体进行应力应变检测，即根据管道的实际工况，借助有限元模拟和理论分析, 确定管道的测点布置和管道截面应变计的分设方案。但该方法确定管道危险截面需要有限元建模分析，过程比较繁琐，测点确定存在一定的误差。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于应变检测的管道安全评价装置及方法，用于断层、滑坡等地质灾害作用下埋地油气管道的安全评价，为埋地管道安全运营提供依据。

本发明提到的一种基于应变检测的管道安全评价装置，其技术方案是：包括试验台（1）、管道（2）、管道固定及轴向位移加载装置、横向位移加载装置、管道内压加载装置、应变检测及分析装置，

所述试验台（1）的左侧立柱开多个螺纹孔，与管道左法兰（3）连接，固定管道（2）的左端，试验台（1）的右侧立柱安设横向位移加载装置，用来调整和固定管道的横向位置，试验台（1）的底部对称开多个基础连接螺纹孔（9），使实验台与基础固定连接；

所述管道（2）为不锈钢无缝钢管，管道左右两侧下方各开有小孔，右侧小孔与管道内压加载装置连接，施加内压载荷，左侧小孔与泄压阀（10）连接；

所述管道固定及轴向位移加载装置的左端通过左法兰（3）、连接螺栓与试验台（1）左侧固定，右端通过右法兰（4）、轴向加载螺栓（5）安装在试验台右侧，利用轴向加载螺栓（5）施加管道轴向位移载荷，管道的右法兰（4）与试验台右立柱之间有聚合物圈（6）间隔，中间装有位移传感器（7）测定右法兰与右立柱的间距，确定所施加的管道轴向位移载荷大小。

优选的，上述的横向位移加载装置包括径向位移用加强筋（8）、管道横向位移加载螺栓（11）、横向位置固定用螺纹孔（16），在右法兰（4）上分布多组横向位置固定用螺纹孔（16），在试验台的右侧立柱内固定多个径向位移用加强筋（8），管道横向位移加载螺栓（11）插入径向位移用加强筋（8）的螺孔内旋转，带动右法兰移动进而使管道（2）的右端实现横向移动。

通过分别旋进水平、垂直两个方向的管道横向位移加载螺栓（11），推动右法兰（4）沿水平和垂直方向移动，当右法兰上的横向位置固定用螺纹孔（16）与设定位移载荷位置对应的螺纹孔重合，利用右法兰与右侧立柱直接连接的螺栓固定右法兰的位置，确保测试过程管道的横向位移保持不变。

优选的，上述的管道内压加载装置主要包括加压泵（12）与泄压阀（10），加压泵的压力量程为10MPa，最高使管道内部有10MPa工作压力，测试结束后，通过泄压阀（10）泄除管道（2）的内的压力。

优选的，上述的应变检测及分析装置主要包括应变片组（13）、数据线（14）和应变检测与分析系统（15），在管道中部测试段、以管道中截面为基准对称粘贴多个应变片组（13），每个应变片组沿管道环向分布，通过数据线（14）连接到应变检测与分析系统（15）。

优选的，上述的应变片组（13）设置有六个，其中，每个应变片组（13）包括五个应变片，分布环绕在管道（2）的上半部分。

优选的，上述的径向位移用加强筋（8）设置有四组圆弧形结构的加强筋，分别固定在右法兰（4）的内壁的上下左右，环绕在多组横向位置固定用螺纹孔（16）的外侧，截面形成类圆形结构，并且在每个径向位移用加强筋（8）上设有一个或一个以上的螺纹孔，用于安装管道横向位移加载螺栓（11）。

优选的，上述的横向位置固定用螺纹孔（16）设有7*7排的直孔，直孔的间距为12mm，通过调整右法兰与直孔的连接距离来测定管道（2）的横向变形量。

优选的，上述的径向位移用加强筋（8）设置有四组长条形结构的加强筋，分别固定在右法兰（4）的内壁的上下左右，环绕在多组横向位置固定用螺纹孔（16）的外侧，截面形成正方形结构，并且在每个径向位移用加强筋（8）上设有一个或一个以上的螺纹孔，用于安装管道横向位移加载螺栓（11）。

本发明提到的一种基于应变检测的管道安全评价装置的使用方法，包括以下步骤：

一、组装整个基于应变检测的管道安全评价装置：

将试验台（1）通过紧固螺栓固定到基础上，将管道（2）的左端与左法兰连接、密封，利用紧固螺栓固定到试验台左侧立柱；管道（2）右端与右法兰连接，右法兰右侧粘接聚合物圈（6）；在管道（2）的中间测试部分安装六个应变片组，并接好数据线（14），启动应变检测与分析系统（15），测量初始应变数据；

二、管道危险截面位置检测：

通过设定管道加载方案，即轴向、横向位移载荷与内压载荷大小；转动横向位移加载螺栓，将管道右法兰推动至目标连接孔位置，右法兰与试验台右侧立柱之间装上连接螺栓，并安装位移传感器，旋进连接螺栓，拉动管道右法兰向右移动，使管道发生拉伸变形，由位移传感器确定轴向位移载荷大小，启动加压泵，将管道内部压力加至工作载荷，保持压力不变；

在确定管道危险截面环节中，由于内压、轴向位移使管道发生均匀变形，测定6个应变片组的AC测点应变，通过各个测点应变变化规律，分析管道截面内力、沿着轴线的变化规律，根据线弹性变形内力的线性变化规律，采用内插法确定危险截面；

三、截面内力分析：

根据危险截面位置，选取左右两侧2个应变片组，在考虑轴向、两个横向位移载荷及内压载荷情况下，选取每组ABCE四个测点，每个测点应变片检测应力由管道各项载荷引起，应用材料力学理论，建立危险截面各测点应力与官道内力的方程组；联立求解确定管道各项内力；

四、危险点应力计算及安全评价：

建立管道危险截面任一点位置的应力与内力之间的表达式，应用微分原理确定应力极值即为危险点应力，利用第四强度理论建立安全评价准则，对管道安全进行评价。

其中，方程组和评价公式如下：

式中，为管道截面轴力；为管道内压；为管道外径；为管道壁厚；为管道横截面；为截面抗弯截面系数。

联立求解确定管道各项内力、、与。

建立管道危险截面任一点位置的应力与内力之间的表达式，确定二向应力状态危险点应力：

、、

利用第四强度理论建立安全评价准则：。对管道安全进行评价。

本发明的有益效果是：本发明利用相似性原理，设计一套应变检测的管道安全评价装置，可以进行埋地管道地质灾害多项位移载荷作用的小型物理模拟试验，并基于应变检测结果提出的管道安全评价方法，确定管道危险点的应力，用于断层、滑坡等地质灾害作用下埋地油气管道的安全评价，为埋地管道安全运营提供依据；该发明具有试验过程实时可见、检测方案简单高效等特点，既适用于管道模型检测示范，也能够在工程中推广应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为管道连接法兰示意图；

图3为试验台右侧立柱示意图；

图4为应变片环向分布示意图；

图5为实施例2中的试验台右侧立柱示意图

图6为实施例3中的试验台右侧立柱示意图

上图中：试验台1、管道2、左法兰3、右法兰4、轴向加载螺栓5、聚合物圈6、位移传感器7、径向位移用加强筋8、基础连接螺纹孔9、泄压阀10、管道横向位移加载螺栓11、加压泵12、应变片组13、数据线14、应变检测与分析系统15、横向位置固定用螺纹孔16。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，参照附图1-4，本发明提到的一种基于应变检测的管道安全评价装置，其技术方案是：包括试验台1、管道2、管道固定及轴向位移加载装置、横向位移加载装置、管道内压加载装置、应变检测及分析装置，

所述试验台1的左侧立柱开多个螺纹孔，与管道左法兰3连接，固定管道2的左端，试验台1的右侧立柱安设横向位移加载装置，用来调整和固定管道的横向位置，试验台1的底部对称开多个基础连接螺纹孔9，使实验台与基础固定连接；

所述管道2为不锈钢无缝钢管，管道左右两侧下方各开有小孔，右侧小孔与管道内压加载装置连接，施加内压载荷，左侧小孔与泄压阀10连接；

所述管道固定及轴向位移加载装置的左端通过左法兰3、连接螺栓与试验台1左侧固定，右端通过右法兰4、轴向加载螺栓5安装在试验台右侧，利用轴向加载螺栓5施加管道轴向位移载荷，管道的右法兰4与试验台右立柱之间有聚合物圈6间隔，中间装有位移传感器7测定右法兰与右立柱的间距，确定所施加的管道轴向位移载荷大小。

其中，参照附图3，横向位移加载装置包括径向位移用加强筋8、管道横向位移加载螺栓11、横向位置固定用螺纹孔16，在右法兰4上分布多组横向位置固定用螺纹孔16，在试验台的右侧立柱内固定多个径向位移用加强筋8，管道横向位移加载螺栓11插入径向位移用加强筋8的螺孔内旋转，带动右法兰移动进而使管道2的右端实现横向移动。

通过分别旋进水平、垂直两个方向的管道横向位移加载螺栓11，推动右法兰4沿水平和垂直方向移动，当右法兰上的横向位置固定用螺纹孔16与设定位移载荷位置对应的螺纹孔重合，利用右法兰与右侧立柱直接连接的螺栓固定右法兰的位置，确保测试过程管道的横向位移保持不变。

参照附图1，本发明的管道内压加载装置主要包括加压泵12与泄压阀10，加压泵的压力量程为10MPa，最高使管道内部有10MPa工作压力，测试结束后，通过泄压阀10泄除管道2的内的压力。

另外，应变检测及分析装置主要包括应变片组13、数据线14和应变检测与分析系统15，在管道中部测试段、以管道中截面为基准对称粘贴多个应变片组13，每个应变片组沿管道环向分布，通过数据线14连接到应变检测与分析系统15。

参照附图4，本发明的应变片组13设置有六个，其中，每个应变片组13包括五个应变片，分布环绕在管道2的上半部分，其中选取每组ABCE四个测点，每个测点应变片检测应力由管道各项载荷引起，第五个测试点D作为补偿片。

参照附图1和3，径向位移用加强筋8设置有四组圆弧形结构的加强筋，分别固定在右法兰4的内壁的上下左右位置，环绕在多组横向位置固定用螺纹孔16的外侧，截面形成类圆形结构，并且在每个径向位移用加强筋8上设有2个以上的螺纹孔，用于安装管道横向位移加载螺栓11。

其中，横向位置固定用螺纹孔16设有7*7排的直孔，直孔的间距为12mm，通过调整右法兰与直孔的连接距离来测定管道2的横向变形量。

本发明提到的一种基于应变检测的管道安全评价装置的使用方法，包括以下步骤：

一、组装整个基于应变检测的管道安全评价装置：

将试验台1通过紧固螺栓固定到基础上，将管道2的左端与左法兰连接、密封，利用紧固螺栓固定到试验台左侧立柱；管道2右端与右法兰连接，右法兰右侧粘接聚合物圈6；在管道2的中间测试部分安装六个应变片组，并接好数据线14，启动应变检测与分析系统15，测量初始应变数据；

二、管道危险截面位置检测：

通过设定管道加载方案，即轴向、横向位移载荷与内压载荷大小；转动横向位移加载螺栓，将管道右法兰推动至目标连接孔位置，右法兰与试验台右侧立柱之间装上连接螺栓，并安装位移传感器，旋进连接螺栓，拉动管道右法兰向右移动，使管道发生拉伸变形，由位移传感器确定轴向位移载荷大小，启动加压泵，将管道内部压力加至工作载荷，保持压力不变；

在确定管道危险截面环节中，由于内压、轴向位移使管道发生均匀变形，测定6个应变片组的AC测点应变，通过各个测点应变变化规律，分析管道截面内力、沿着轴线的变化规律，根据线弹性变形内力的线性变化规律，采用内插法确定危险截面；

三、截面内力分析：

根据危险截面位置，选取左右两侧2个应变片组，在考虑轴向、两个横向位移载荷及内压载荷情况下，选取每组ABCE四个测点，每个测点应变片检测应力由管道各项载荷引起，应用材料力学理论，建立危险截面各测点应力与官道内力的方程组；联立求解确定管道各项内力；

四、危险点应力计算及安全评价：

建立管道危险截面任一点位置的应力与内力之间的表达式，应用微分原理确定应力极值即为危险点应力，利用第四强度理论建立安全评价准则，对管道安全进行评价。

实施例2，参照附图5，与实施例1不同之处是，本发明的径向位移用加强筋8设置有四组长条形结构的加强筋，分别固定在右法兰4的内壁的上下左右，环绕在多组横向位置固定用螺纹孔16的外侧，截面形成正方形结构，并且在每个径向位移用加强筋8上设有一个或一个以上的螺纹孔，用于安装管道横向位移加载螺栓11，本发明同样可以实现管道的横向位移。

实施例3，参照附图6，与实施例1不同之处是，本发明的径向位移用加强筋8设置有两组长条形结构的加强筋和两组弧形结构的加强筋组成，分别固定在右法兰4的内壁的上下左右，环绕在多组横向位置固定用螺纹孔16的外侧，截面形成正方形结构，并且在每个径向位移用加强筋8上设有一个或一个以上的螺纹孔，用于安装管道横向位移加载螺栓11，本发明同样可以实现管道的横向位移。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于应变检测的管道安全评价装置，其特征是：包括试验台（1）、管道（2）、管道固定及轴向位移加载装置、横向位移加载装置、管道内压加载装置、应变检测及分析装置，

所述试验台（1）的左侧立柱开多个螺纹孔，与管道左法兰（3）连接，固定管道（2）的左端，试验台（1）的右侧立柱安设横向位移加载装置，用来调整和固定管道的横向位置，试验台（1）的底部对称开多个基础连接螺纹孔（9），使实验台与基础固定连接；

所述管道（2）为不锈钢无缝钢管，管道左右两侧下方各开有小孔，右侧小孔与管道内压加载装置连接，施加内压载荷，左侧小孔与泄压阀（10）连接；

所述管道固定及轴向位移加载装置的左端通过左法兰（3）、连接螺栓与试验台（1）左侧固定，右端通过右法兰（4）、轴向加载螺栓（5）安装在试验台右侧，利用轴向加载螺栓（5）施加管道轴向位移载荷，管道的右法兰（4）与试验台右立柱之间有聚合物圈（6）间隔，中间装有位移传感器（7）测定右法兰与右立柱的间距，确定所施加的管道轴向位移载荷大小。

2.根据权利要求1所述的基于应变检测的管道安全评价装置，其特征是：所述的横向位移加载装置包括径向位移用加强筋（8）、管道横向位移加载螺栓（11）、横向位置固定用螺纹孔（16），在右法兰（4）上分布多组横向位置固定用螺纹孔（16），在试验台的右侧立柱内固定多个径向位移用加强筋（8），管道横向位移加载螺栓（11）插入径向位移用加强筋（8）的螺孔内旋转，带动右法兰移动进而使管道（2）的右端实现横向移动。

3.根据权利要求2所述的基于应变检测的管道安全评价装置，其特征是：通过分别旋进水平、垂直两个方向的管道横向位移加载螺栓（11），推动右法兰（4）沿水平和垂直方向移动，当右法兰上的横向位置固定用螺纹孔（16）与设定位移载荷位置对应的螺纹孔重合，利用右法兰与右侧立柱直接连接的螺栓固定右法兰的位置，确保测试过程管道的横向位移保持不变。

4.根据权利要求1所述的基于应变检测的管道安全评价装置，其特征是：所述的管道内压加载装置主要包括加压泵（12）与泄压阀（10），加压泵的压力量程为10MPa，最高使管道内部有10MPa工作压力，测试结束后，通过泄压阀（10）泄除管道（2）的内的压力。

5.根据权利要求1所述的基于应变检测的管道安全评价装置，其特征是：所述的应变检测及分析装置主要包括应变片组（13）、数据线（14）和应变检测与分析系统（15），在管道中部测试段、以管道中截面为基准对称粘贴多个应变片组（13），每个应变片组沿管道环向分布，通过数据线（14）连接到应变检测与分析系统（15）。

6.根据权利要求5所述的基于应变检测的管道安全评价装置，其特征是：所述的应变片组（13）设置有六个，其中，每个应变片组（13）包括五个应变片，分布环绕在管道（2）的上半部分。

7.根据权利要求1所述的基于应变检测的管道安全评价装置，其特征是：所述的径向位移用加强筋（8）设置有四组圆弧形结构的加强筋，分别固定在右法兰（4）的内壁的上下左右，环绕在多组横向位置固定用螺纹孔（16）的外侧，截面形成类圆形结构，并且在每个径向位移用加强筋（8）上设有一个或一个以上的螺纹孔，用于安装管道横向位移加载螺栓（11）。

8.根据权利要求1所述的基于应变检测的管道安全评价装置，其特征是：所述的横向位置固定用螺纹孔（16）设有7*7排的直孔，直孔的间距为12mm，通过调整右法兰与直孔的连接距离来测定管道（2）的横向变形量。

9.根据权利要求1所述的基于应变检测的管道安全评价装置，其特征是：所述的径向位移用加强筋（8）设置有四组长条形结构的加强筋，分别固定在右法兰（4）的内壁的上下左右，环绕在多组横向位置固定用螺纹孔（16）的外侧，截面形成正方形结构，并且在每个径向位移用加强筋（8）上设有一个或一个以上的螺纹孔，用于安装管道横向位移加载螺栓（11）。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的基于应变检测的管道安全评价装置的使用方法，其特征是包括以下步骤：

一、组装整个基于应变检测的管道安全评价装置：

将试验台（1）通过紧固螺栓固定到基础上，将管道（2）的左端与左法兰连接、密封，利用紧固螺栓固定到试验台左侧立柱；管道（2）右端与右法兰连接，右法兰右侧粘接聚合物圈（6）；在管道（2）的中间测试部分安装六个应变片组，并接好数据线（14），启动应变检测与分析系统（15），测量初始应变数据；

二、管道危险截面位置检测：

通过设定管道加载方案，即轴向、横向位移载荷与内压载荷大小；转动横向位移加载螺栓，将管道右法兰推动至目标连接孔位置，右法兰与试验台右侧立柱之间装上连接螺栓，并安装位移传感器，旋进连接螺栓，拉动管道右法兰向右移动，使管道发生拉伸变形，由位移传感器确定轴向位移载荷大小，启动加压泵，将管道内部压力加至工作载荷，保持压力不变；

在确定管道危险截面环节中，由于内压、轴向位移使管道发生均匀变形，测定6个应变片组的AC测点应变，通过各个测点应变变化规律，分析管道截面内力、沿着轴线的变化规律，根据线弹性变形内力的线性变化规律，采用内插法确定危险截面；

三、截面内力分析：

根据危险截面位置，选取左右两侧2个应变片组，在考虑轴向、两个横向位移载荷及内压载荷情况下，选取每组ABCE四个测点，每个测点应变片检测应力由管道各项载荷引起，应用材料力学理论，建立危险截面各测点应力与官道内力的方程组；联立求解确定管道各项内力；

四、危险点应力计算及安全评价：

建立管道危险截面任一点位置的应力与内力之间的表达式，应用微分原理确定应力极值即为危险点应力，利用第四强度理论建立安全评价准则，对管道安全进行评价。