CN109855993A - 一种含缺陷埋地pe燃气管道寿命检测方法 - Google Patents

一种含缺陷埋地pe燃气管道寿命检测方法 Download PDF

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戚政武
廖志雄
刘圣平
黄桂林
陈国华
梁先林
孔令昌
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Guangdong Special Equipment Testing And Research Institute Yunfu Testing Institute
Heyuan Inspection Institute Of Guangdong Special Equipment Inspection Institute
South China University of Technology SCUT
Guangdong Inspection and Research Institute of Special Equipment Zhuhai Inspection Institute
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Guangdong Special Equipment Testing And Research Institute Yunfu Testing Institute
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South China University of Technology SCUT
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Abstract

本发明涉及一种含缺陷埋地PE燃气管道寿命检测方法，对燃气管道进行测试，获得燃气管道的结构尺寸和运行参数；截取燃气管道，制备弯曲紧凑型试样；以预设频率f拉伸试样，拉伸过程中的拉伸应力在最大预设应力Fmax和最小预设应力Fmin直接往复变化；基于可靠性和有限元分析计算，根据最先失效原则，确定极限缺陷尺寸；建立疲劳裂纹扩展模型、计算疲劳循环次数，确定含缺陷埋地PE燃气管道剩余寿命。本发明可以较准确的估算含缺陷埋地PE燃气管道剩余寿命。

Description

一种含缺陷埋地PE燃气管道寿命检测方法
技术领域
本发明属于城市燃气管道特种设备技术领域，具体涉及一种含缺陷埋地PE燃气管道寿命检测方法，特别涉及一种基于可靠性和有限元分析的含缺陷埋地PE燃气管道寿命评估方法。
背景技术
目前聚乙烯燃气管道在我国推广应用已经有30多年的历史，许多城市已经形成了密集的地下聚乙烯管网。当前聚乙烯管线正在我国许多城市快速发展，而同时许多早期铺设的聚乙烯管线服役时间已经超过20年，聚乙烯燃气管线泄漏事故时有发生。聚乙烯燃气管道的缺陷成为管道运行中的不稳定因素，影响管道的安全运行和使用寿命，使事故发生概率大大增加。燃气管道一旦发生事故将会对城镇造成人员伤亡和财产损失等巨大的伤害，具有较大的危害性。因此，对含缺陷埋地PE燃气管道剩余寿命做出评估，进行安全评价和等级划分，判断管道能否继续使用，具有非常重要的社会意义和工程意义。目前对于含缺陷埋地PE燃气管道剩余寿命评估还缺乏专门的方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种含缺陷埋地PE燃气管道寿命检测方法。传统方法采用注塑加工试样，对加工得到的试样进行测试，判断服役前塑料管材的性能。该方法提出制取弯曲紧凑型试样，试样直接来源于服役管道，更有针对性。该方法基于可靠性和有限元分析的方法，按照最先失效原则，确定允许的缺陷极限尺寸，可以较准确的评估含缺陷埋地PE燃气管道剩余寿命。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种含缺陷埋地PE燃气管道寿命检测方法，包括：
对燃气管道进行测试，获得燃气管道的结构尺寸和运行参数；
截取燃气管道，制备弯曲紧凑型试样；
以预设频率f拉伸试样，拉伸过程中的拉伸应力在最大预设应力Fmax和最小预设应力Fmin直接往复变化；
基于可靠性和有限元分析计算，根据最先失效原则，确定极限缺陷尺寸；
建立疲劳裂纹扩展模型、计算疲劳循环次数，确定含缺陷埋地PE燃气管道剩余寿命。
进一步，所述结构尺寸和运行参数包括：直径、壁厚、运行压力、埋深、埋设情况、土壤性能、缺陷尺寸。
进一步，所述弯曲紧凑型试样直接从服役管道截取获得。
进一步，所述预设频率f的范围为：1HZ≤f≤5HZ；所述最小预设应力Fmin和所述最大预设应力Fmax的比值R为0.1≤R≤0.5。
进一步，可靠性分析是指根据含缺陷PE管的三种失效模式，建立不同的极限状态方式，求解不同失效模式下的可靠度。
韧性破坏模式下极限状态方程为：
式(1)中，P是管道工作压力；Pb是爆破压力；a是裂纹深度；e是壁厚。
含轴向裂纹脆性破坏模式下极限状态方程为：
式(2)中，P是管道工作压力；KIc是断裂韧性；a是裂纹深度；F是裂纹形状系；Rn是管道外径；Ri是管道内径。
含环向裂纹脆性破坏模式下极限状态方程为：
式(3)中，P是工作压力；KIc是断裂韧性；a是裂纹深度；F是裂纹形状系数；N是与裂纹尺寸系数；Rn是管道外径；Ri是管道内径。
通过公式(1)(2)(3)，分别计算在相同管道缺陷深度a下的可靠度，根据最先失效原则，确定极限缺陷尺寸a1。
进一步，有限元分析是指，运用有限元模拟软件，建立管土相互作用模型，设定管道缺陷深度a，根据聚乙烯管屈服应力、5％极限应变、30％变形失效准则，依据最先失效准则，确定极限缺陷尺寸a2；
基于最先失效原则，在基于可靠性分析确定的a1和基于有限元分析确定的a2之间，选择最小值，作为寿命评估计算的极限缺陷尺寸。
进一步，所述建立疲劳裂纹扩展模型是指：根据疲劳裂纹扩展速率试验的结果，利用数学归纳和曲线拟合方法建立PE燃气管道的疲劳裂纹扩展驱动力与疲劳裂纹扩展速率模型关系式。
进一步，所述模型关系式采用Paris公式，所述模型关系式拟合过程中相关系数取0.95以上。
进一步，所述的疲劳循环次数计算是指利用建立的所述Paris关系式，将疲劳裂纹初始值扩展到极限尺寸的过程划分为微小的裂纹扩展过程；在每一微小扩展过程的疲劳寿命可以直接积分得到，对累计的微小扩展过程进行累加，总计循环次数即为含缺陷PE埋地管道的剩余疲劳寿命。
进一步，在含缺陷埋地PE燃气管道寿命评估过程中，评定疲劳寿命取至少20的安全系数。
本发明的有益效果在于：
直接从原服役管道上获得试样，以区别于传统的注塑加工试样，基于可靠性和有限元分析法，根据最先失效的原则，确定允许缺陷极限尺寸，可以较准确的估算含缺陷埋地PE燃气管道剩余寿命。
附图说明
图1为本发明的弯曲紧凑式样取样示意图。
图2为本发明的弯曲紧凑式样加工图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种含缺陷埋地PE燃气管道寿命检测方法，包括：
对燃气管道进行测试，获得燃气管道的结构尺寸和运行参数；
截取燃气管道，制备弯曲紧凑型试样；
以预设频率f拉伸试样，拉伸过程中的拉伸应力在最大预设应力Fmax和最小预设应力Fmin直接往复变化；所述预设频率f的范围为：1HZ≤f≤5HZ；所述最小预设应力Fmin和所述最大预设应力Fmax的比值R为0.1≤R≤0.5。
基于可靠性和有限元分析计算，根据最先失效原则，确定极限缺陷尺寸；
建立疲劳裂纹扩展模型、计算疲劳循环次数，确定含缺陷埋地PE燃气管道剩余寿命。
根据本发明的具体实施例，首先对需评估的埋地PE燃气管道进行调研与测试,获得PE燃气管道的结构尺寸和运行参数,如直径、壁厚、运行压力、埋深、埋设情况、土壤性能、缺陷尺寸等基本信息。第二步从现场对PE燃气管道进行检测，特别对直径和壁厚进行复验。其次从现场获取PE燃气管道的缺陷特征尺寸。
根据本发明的具体实施例，图1为本发明的弯曲紧凑式样取样示意图。图2为本发明的弯曲紧凑式样加工图。所述弯曲紧凑型试样直接从服役管道截取获得。并且所述弯曲紧凑型试样上具有沿凹槽对称设置的两个圆形孔。
根据本发明的具体实施例，可靠性分析是指根据含缺陷PE管的三种失效模式，建立不同的极限状态方式，求解不同失效模式下的可靠度。
韧性破坏模式下极限状态方程为：
式(1)中，P是管道工作压力；Pb是爆破压力；a是裂纹深度；e是壁厚。
含轴向裂纹脆性破坏模式下极限状态方程为：
式(2)中，P是管道工作压力；KIc是断裂韧性；a是裂纹深度；F是裂纹形状系；Rn是管道外径；Ri是管道内径。
含环向裂纹脆性破坏模式下极限状态方程为：
式(3)中，P是工作压力；KIc是断裂韧性；a是裂纹深度；F是裂纹形状系数；N是与裂纹尺寸系数；Rn是管道外径；Ri是管道内径。
通过公式(1)(2)(3)，分别计算在相同管道缺陷深度a下的可靠度，根据最先失效原则，确定极限缺陷尺寸a1。
有限元分析是指，运用有限元模拟软件，建立管土相互作用模型，设定管道缺陷深度a，根据聚乙烯管(PE管)屈服应力、5％极限应变、30％变形失效准则，依据最先失效准则，确定极限缺陷尺寸a2；
基于最先失效原则，在基于可靠性分析确定的a1和基于有限元分析确定的a2之间，选择最小值，作为寿命评估计算的极限缺陷尺寸。
根据本发明的具体实施例，对PE燃气管道取样，进行常规力学性能、断裂、疲劳性能测试,获得材料的拉伸强度、断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率。拉伸强度采用常温拉伸试验方法获得,断裂韧性采用满足平面应变要求的试样进行断裂试验获得，裂纹扩展速度基于线弹性断裂力学，采用疲劳拉伸测试方法进行测试，使用自动疲劳拉伸试验机，疲劳裂纹扩展模型关系式采用Paris公式、关系式拟合过程中相关系数取0.95以上。
根据本发明的具体实施例，根据含缺陷PE燃气管道的结构尺寸和材料拉伸性能、断裂韧度,按线弹性断裂力学理论,建立极限状态方程，计算PE燃气管道满足强度、断裂极限的可靠度,根据服役管道运行的最大失效概率，计算出极限缺陷长度。
根据本发明的具体实施例，借助有限元方法,建立埋地状态下含缺陷PE燃气管道有限元数值分析模型，计算PE燃气管道在许用强度条件下的缺陷极限尺寸。基于可靠性分析和有限元模拟计算，根据最先失效准则，综合各种因素，确定含缺陷埋地PE燃气管道的极限缺陷尺寸参数。然后,将埋地PE燃气管道实际工作中因载荷变化引起的应力强度因子幅代入疲劳裂纹扩展模型关系式,计算该次循环的裂纹扩展量,获得扩展后缺陷长度并与缺陷极限容许长度进行对比,没达到极限值,则循环次数加,重新计算新缺陷长度下的裂纹扩展驱动力,再利用疲劳裂纹扩展模型关系式计算下一次循环的缺陷扩展长度,依此迭代直到缺陷扩展达到容许极限长度,则此时的迭代次数循环次数减即为该含缺陷埋地PE燃气管道的剩余疲劳寿命。
根据本发明的具体实施例，在含缺陷埋地PE燃气管道的剩余寿命评估中,为了获得较安全的结果,要考虑参数存在的不确定性和服役聚乙烯燃气管道发生事故的后果严重性，评估过程中在材料性能、缺陷尺寸、载荷工况参数应取保守值和一定的安全系数,评定疲劳寿命应取至少20的安全系数。
实施例1
某埋地PE燃气管道规格参数为PE80-SDR11，管材直径为110mm，壁厚10mm。对PE燃气管道所用材料进行了常规力学、疲劳性能测试,分别获得了材料的拉伸强度和疲劳裂纹扩展速率。评估中取测试获得的最低性能参数。疲劳裂纹扩展速率用Paris公式表示为da/dN＝6.446×10-7(ΔK)4.06，式中：疲劳裂纹扩展速率da/dN的单位为mm/cycle；应力强度因子幅ΔK的单位为
基于可靠性分析，建立管道失效极限状态方程，计算缺陷条件下PE燃气管道失效模式下的可靠度。根据PE燃气管道的结构尺寸和运行参数,如直径、壁厚、运行压力、埋深、埋设情况、土壤性能、缺陷尺寸等基本信息，建立管土相互作用有限元数值分析模型，基于第四强度理论失效准则，分析缺陷的极限尺寸。根据最先失效原则，综合考虑可靠性和有限元数值分析的结果，确定综合条件下极限缺陷尺寸参数取管道厚度的40％。
将初始缺陷代入应力强度因子幅以及裂纹长度迭代式中,计算每次循环后裂纹长度,与容许极限长度比较,没达到极限值,则循环次数加,重新计算迭代。最终计算出该缺陷如果按测试材料的扩展速率扩展,则循环次数约为48486次。按每年循环80次推算,取疲劳安全系数为20，该PE燃气管道疲劳寿命约为30.3年。在含缺陷埋地PE燃气管道正常服役过程中，应该加强监测，避免产生过大的地面载荷，及时对不符合规程要求的服役环境进行整改。
综上所述本发明直接从原服役管道上获得试样，以区别于传统的注塑加工试样，基于可靠性和有限元分析法，根据最先失效的原则，确定允许缺陷极限尺寸，可以较准确的估算含缺陷埋地PE燃气管道剩余寿命。。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。

Claims (10)

1.一种含缺陷埋地PE燃气管道寿命检测方法，其特征在于，包括：
对燃气管道进行测试，获得燃气管道的结构尺寸和运行参数；
截取燃气管道，制备弯曲紧凑型试样；
以预设频率f拉伸试样，拉伸过程中的拉伸应力在最大预设应力Fmax和最小预设应力Fmin直接往复变化；
基于可靠性和有限元分析计算，根据最先失效原则，确定极限缺陷尺寸；
建立疲劳裂纹扩展模型、计算疲劳循环次数，确定含缺陷埋地PE燃气管道剩余寿命。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结构尺寸和运行参数包括：直径、壁厚、运行压力、埋深、埋设情况、土壤性能、缺陷尺寸。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弯曲紧凑型试样直接从服役管道截取获得。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设频率f的范围为：1HZ≤f≤5HZ；所述最小预设应力Fmin和所述最大预设应力Fmax的比值R为0.1≤R≤0.5。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，可靠性分析是指根据含缺陷PE管的三种失效模式，建立不同的极限状态方式，求解不同失效模式下的可靠度；
韧性破坏模式下极限状态方程为：
式(1)中，P是管道工作压力；Pb是爆破压力；a是裂纹深度；e是壁厚；
含轴向裂纹脆性破坏模式下极限状态方程为：
式(2)中，P是管道工作压力；KIc是断裂韧性；a是裂纹深度；F是裂纹形状系；Rn是管道外径；Ri是管道内径；
含环向裂纹脆性破坏模式下极限状态方程为：
式(3)中，P是工作压力；KIc是断裂韧性；a是裂纹深度；F是裂纹形状系数；N是与裂纹尺寸系数；Rn是管道外径；Ri是管道内径；
通过公式(1)(2)(3)，分别计算在相同管道缺陷深度a下的可靠度，根据最先失效原则，确定极限缺陷尺寸a1。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，有限元分析是指，运用有限元模拟软件，建立管土相互作用模型，设定管道缺陷深度a，根据聚乙烯管屈服应力、5％极限应变、30％变形失效准则，依据最先失效准则，确定极限缺陷尺寸a2；
基于最先失效原则，在基于可靠性分析确定的a1和基于有限元分析确定的a2之间，选择最小值，作为寿命评估计算的极限缺陷尺寸。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立疲劳裂纹扩展模型是指：根据疲劳裂纹扩展速率试验的结果，利用数学归纳和曲线拟合方法建立PE燃气管道的疲劳裂纹扩展驱动力与疲劳裂纹扩展速率模型关系式。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述模型关系式采用Paris公式，所述模型关系式拟合过程中相关系数取0.95以上。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的疲劳循环次数计算是指利用建立的所述Paris关系式，将疲劳裂纹初始值扩展到极限尺寸的过程划分为微小的裂纹扩展过程；在每一微小扩展过程的疲劳寿命可以直接积分得到，对累计的微小扩展过程进行累加，总计循环次数即为含缺陷PE埋地管道的剩余疲劳寿命。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在含缺陷埋地PE燃气管道寿命评估过程中，评定疲劳寿命取至少20的安全系数。
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