CN110566755B - 一种用于x100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，根据管道结构和应力参数计算管道应力比；采用BWRS状态方程计算天然气减压波；根据天然气减压波曲线判断是否存在减压波平台；根据管道应力比和天然气减压波平台判断结果，确定不同条件下的止裂器厚度：根据不同条件下的止裂器厚度确定止裂器的长度和两端坡口。同时，在设计玻璃纤维复合材料止裂器的力学性能时，规定了抗拉强度、弹性模量和极限应变三个力学性能参数。该方法能有效阻止X100管道中延性裂纹的长程扩展，实现延性长程扩展裂纹的柔性止裂。

Description

一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法

技术领域

本发明属于天然气输送管道断裂控制领域，涉及一种用于阻止X100输气管道(包含富气和贫气)延性裂纹长程扩展的柔性止裂方法，具体涉及一种玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法。

背景技术

天然气是一种清洁能源，也是一种易燃、易爆的危险介质，通常采用管道运输，管道运输具有运输量大、连续、迅速、经济、安全可靠的特点。管道在长期服役过程中，由于受到地层压力、腐蚀、疲劳、外部机械损伤等作用，宜造成管道开裂、泄漏等事故发生。高压天然气管道一旦开裂并长程扩展，将造成巨大灾害和损失。因此必须采取措施保证管道的安全性。

天然气管道的发展趋势是高钢级、高压、大口径、大壁厚、大输量，以提高输送效率，降低建设成本。我国天然气管道用管线钢管近年来发展非常快，X70级别钢管在西气东输一线成功应用，西气东输二线管道工程大规模采用X80级别的钢管。目前世界各国正在积极研发X100高级别管线钢的工程应用问题。

然而现有的全尺寸气体爆破试验结果表明，X100管道一旦产生失稳扩展的裂纹，其难以依靠自身韧性进行止裂，这已经成为严重威胁X100管线安全并制约X100管线钢应用的瓶颈问题。当管线钢自身的韧性不能保证阻止延性裂纹扩展时，需采用一些外部装置，即止裂器来预防、阻止管道的延性裂纹长距离扩展。

玻璃纤维复合材料作为一种修复补强手段已广泛应用于管道的建设和维护中，用于抑制裂纹的启裂。然而当玻璃纤维复合材料用作止裂器时，目前还缺乏设计方法和规范，这极大的限制了玻璃纤维复合材料止裂器的应用。

此外，止裂器应促进裂纹柔性止裂，突然止裂会导致裂纹在进入止裂器时产生环切(ring off)现象，钢管沿环向开裂，从而使钢管被冲出沟槽，对管线和周围环境造成严重后果。要实现裂纹柔性止裂可通过避免断裂阻力的突然增加来实现。钢管壁厚的突然增加或者对裂口两侧约束作用的突然增加，都会造成环切现象。可通过改变止裂器两端端口形状，使止裂器的厚度逐渐增加，对裂纹提供逐渐增加的约束作用。

发明内容

本发明根据有限元计算和全尺寸气体爆破试验结果修正，提出了一种用于X100输气管道的玻璃纤维复合材料止裂器设计方法，可实现X100管道中延性裂纹的止裂功能。采用管道工程修复补强中(防止管道中缺陷的长大和起裂)常用的玻璃纤维复合材料，通过合理的结构和强度设计，该方法能有效阻止X100管道中延性裂纹的长程扩展，实现延性断裂的柔性止裂。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，包括如下步骤：

1)根据管道结构和应力参数计算管道应力比；

2)根据管道温度、压力及输送天然气组分，采用BWRS状态方程计算天然气减压波；

3)根据天然气减压波曲线判断是否存在减压波平台：

如果减压波曲线为光滑曲线，减压波压力随着减压波速度降低而降低，则天然气不存在减压波平台；如果减压波曲线中存在减压波速度降低而减压波压力保持不变的情况，则天然气存在减压波平台；

4)根据管道应力比和步骤3)的判断结果，确定不同条件下的止裂器厚度：

如果天然气存在减压波平台，且0.5≤管道应力比F≤0.72，则止裂器厚度为t_a1；如果天然气不存在减压波平台，且0.6≤管道应力比F≤0.8，则止裂器厚度为t_a2；

5)根据不同条件下的止裂器厚度t_a1和t_a2确定止裂器的平行段长度和两端坡口角度。

本发明还有进一步优选的方案：

优选的，所述管道应力比按照如下公式计算：

其中，F为管道应力比；P为管道内压力；D为管道直径；R_0.5为X100钢管屈服强度，t为管道壁厚。

优选的，所述BWRS状态方程计算天然气减压波，按照如下公式计算：

其中，P为系统压力/kPa；ρ为气相或液相的密度/kmol/m³；R为通用气体常数/J/(mol·k)；T为系统温度/T；A₀，B₀，C₀，D₀，E₀，a，b，c，d，α,γ为方程特征参数。

优选的，如果天然气存在减压波平台，且0.5≤管道应力比F≤0.72，则止裂器厚度按照公式(3)进行计算：

t_a1＝-11.1+4.5F t (3)

如果天然气不存在减压波平台，且0.6≤管道应力比F≤0.8，则止裂器厚度按照公式(4)进行计算：

t_a2＝51.8-9.58 F t+0.7(F t)² (4)

其中，t_a1、t_a2为不同条件下的止裂器壁厚，t为钢管壁厚。

优选的，当止裂器厚度为t_a1或者t_a2时，止裂器平行段的长度按照公式(5)进行计算：

L_a＝21.4286×t_a+1028.5714 (5)

其中，L_a为止裂器平行段长度，单位mm，t_a为止裂器厚度，t_a等于t_a1或者t_a2。

当计算得到的平行段长度L_a小于1500mm时，取1500mm作为止裂器平行段的长度。当计算得到的平行段长度L_a大于等于1500mm，小于1800mm时，取L_a的实际计算值作为止裂器平行段的长度。当计算得到的平行段长度L_a大于1800mm时，取1800mm作为止裂器平行段的长度。

优选的，当止裂器厚度为t_a1或者t_a2时，止裂器两端的坡口角度由公式(6)进行计算：

α_a＝-2.1429×t_a+92.1438 (6)

其中，α_a为止裂器坡口角度，t_a等于t_a1或者t_a2。

优选的，玻璃纤维复合材料止裂器的极限应变≥2％。

优选的，止裂器的最小抗拉强度为X100管线钢的最小抗拉强度的1.1倍。

优选的，止裂器的弹性模量≥45.9Gpa。

本发明的有益效果在于：

1)本发明解决了玻璃纤维止裂器无设计标准可依、难于设计的技术难点。发明的止裂器设计流程简单易行，关键设计参数(止裂器壁厚、平行段长度、坡口角度)可进行玻璃纤维止裂器的设计，便于玻璃纤维复合材料止裂器的大规模应用。

2)在管道应力比计算中，采用圆棒试样，能更加准确的表征X100管道中的实际应力水平，为止裂器设计提供关键参数，提高止裂器设计精度。

3)止裂器设计需考虑管道所输送天然气组分特性，优选了BWRS状态方程作为天然气减压波计算方程。与其它状态方程相比，BWRS可计算天然气富气组份中存在的减压波平台，满足止裂器设计要求。同时，其计算过程相对简单，主要参数均可从已发表文献中获取，便于实现。

4)如果天然气存在减压波平台，即使天然气减压波波速降低，裂纹尖端的压力也会保持不变，裂纹尖端的压力为裂纹扩展的驱动力，如果其保持不变，会导致裂纹难于止裂。同时，X100管道本身的应力水平越高，裂纹扩展的驱动力也会越大，也就难于止裂。止裂器的止裂效果与止裂器厚度成正比，综合考虑了X100管道所输送天然气特性(是否存在减压波平台)和管道本身承压水平(管道应力比)两个关键因素，根据是否存在减压波平台，在不同的应力比下，发明了不同的止裂器厚度设计公式，止裂器厚度计算更加合理，可实现管道有效止裂。

5)止裂的效果与止裂器的长度有关，过短的止裂器达不到止裂效果。过长的止裂器会增加成本，同时并不会进一步提升止裂器的止裂效果。通过合理的止裂器平行段设计，在实现管道有效止裂的同时兼顾了经济性。

6)通过坡口设计，极限应变设计，可使裂纹进入止裂器后，所受拘束应力逐渐增加，裂纹速度逐渐降低直至止裂，实现柔性止裂功能。避免裂纹在止裂器前端由于拘束应力突然增大，从而沿周向环切，导致管道刚性止裂。

7)玻璃纤维复合材料止裂器的弹性模量和最小抗拉强度为止裂器基本力学性能参数。通过这两个参数的合理设计，可实现止裂器与钢管协调变形，保证优良的止裂效果。同时玻璃纤维复合材料止裂器弹性模量和最小抗拉强度的设计要求均在当前玻璃纤维复合材料生产工艺所能达到的范围内，可实现工业化批量生产。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是天然气减压波曲线；

图2是1m长不同厚度止裂器在不同高速扩展裂纹的计算结果；

图3是1.5m长不同厚度止裂器在不同高速扩展裂纹的计算结果；

图4是2m长不同厚度止裂器在不同高速扩展裂纹的计算结果；

图5是玻璃纤维复合材料止裂器设计结果；

图6是玻璃纤维复合材料止裂器结构示意图。

其中：1-玻璃纤维复合材料止裂器；2-坡口；3-管材；4-止裂器平行段长度；5-止裂器厚度。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，包括如下步骤：

1)根据管道结构和应力参数计算管道应力比；

按照如下公式计算：

其中，F为管道应力比；P为管道内压力；D为管道直径；R_t0.5为X100钢管屈服强度，t为管道壁厚。R_t0.5应依据ASTM A370通过钢管横向圆棒拉伸试验获得。

2)根据管道温度、压力及输送天然气组分，采用BWRS状态方程计算天然气减压波，计算公式如下：

其中，P为系统压力/kPa；ρ为气相或液相的密度/kmol/m³；R为通用气体常数/J/(mol·k)；T为系统温度/T；A₀，B₀，C₀，D₀，E₀，a，b，c，d，α,γ为方程特征参数。

3)根据天然气减压波曲线判断是否存在减压波平台：如果减压波曲线为光滑曲线，减压波压力随着减压波速度降低而降低，则天然气不存在减压波平台；如果减压波曲线中存在减压波速度降低而减压波压力保持不变的情况，则天然气存在减压波平台，见图1所示；

4)根据管道应力比和步骤3)的判断结果，确定不同条件下的止裂器厚度：

如果天然气存在减压波平台，且0.5≤管道应力比F≤0.72，则止裂器厚度为t_a1；

t_a1＝-11.1+4.5Ft (3)

如果天然气不存在减压波平台，且0.6≤管道应力比F≤0.8，则止裂器厚度为t_a2；

t_a2＝51.8-9.58 F t+0.7(F t)² (4)

其中，t_a1、t_a2为不同条件下的止裂器壁厚，t为管道壁厚；

5)根据不同条件下的止裂器厚度t_a1和t_a2确定止裂器平行段的长度和两端坡口。当止裂器厚度为t_a1或者t_a2时，止裂器平行段的长度按照公式(5)进行计算：

L_a＝21.4286×t_a+1028.5714 (5)

其中，L_a为止裂器平行段长度，单位mm，t_a为止裂器厚度，t_a等于t_a1或者t_a2。

当计算得到的平行段长度L_a小于1500mm时，取1500mm作为止裂器平行段的长度。当计算得到的平行段长度L_a大于等于1500mm，小于1800mm时，取L_a的实际计算值作为止裂器平行段的长度。当计算得到的平行段长度L_a大于1800mm时，取1800mm作为止裂器平行段的长度。

当止裂器厚度为t_a1或者t_a2时，止裂器两端的坡口角度由公式(6)进行计算：

α_a＝-2.1429×t_a+92.1438 (6)

其中，α_a为止裂器坡口角度，t_a等于t_a1或者t_a2。

当计算得到的α_a小于15°时，取15°作为止裂器坡口角度。当计算得到的α_a大于等于15°，小于45°时，取α_a的实际计算值作为止裂器坡口角度。当计算得到α_a大于45°时，取45°作为止裂器坡口角度。

图6示出了本发明方法所设计的玻璃纤维复合材料止裂器结构示意图。其中：1为玻璃纤维复合材料止裂器，2为坡口，3为管材，4为止裂器平行段长度，5为止裂器厚度。

下面以X100管道爆破试验数据分析，根据X100管道输送天然气组分和应力比，X100管道中延性裂纹的稳态扩展速度在150m/s～300m/s之间。

在设计玻璃纤维复合材料止裂器的力学性能时，需考虑抗拉强度、弹性模量和极限应变三个力学性能参数：X100管道设计参数为(12MPa，1219mm外径，14.8mm壁厚的X100钢管)。因此采用这些参数作为我们有限元的计算参数。参考已有的玻璃纤维止裂器试验结果，我们分别在止裂器长度为1m，1.5m和2m的情况下进行有限元计算，结果如图2～4所示。结果表明为了止住300m/s高速扩展的裂纹，止裂器的最佳长度为1.5m，最佳壁厚为1.5倍钢管壁厚(22.2mm)。全尺寸爆破试验结果验证了这些设计参数是正确的(如图5所示)，并进一步表明玻璃纤维止裂器的长度应在1.5m～1.8m之间，止裂器继续加长，对实际的止裂效果没有贡献。玻璃纤维复合材料止裂器的厚度与止裂的效果成正比，止裂器的厚度越厚，止裂效果越好，但是止裂器壁厚过厚会增加生产制造成本。当输送天然气甲烷含量在85％～94％之间时，会出现减压波平台，此时难于止裂，此时进一步提高止裂效果不能通过增加止裂器的长度来实现，玻璃纤维复合材料止裂器的最小厚度应为钢管壁厚的1.5倍。同时对于更高应力比的X100管道，可进一步通过增加止裂器的壁厚来实现。

同时在进行止裂器设计时只需考虑X100管线钢管与玻璃纤维复合材料止裂器的抗拉强度，弹性模型和应变极限。综合考虑经济性和目前的工业水平和止裂效果，玻璃纤维复合材料止裂器的最小抗拉强度需为X100管线钢的名义最小抗拉强度的1.1倍，X100管线钢的名义最小抗拉强度为760MPa，玻璃纤维复合材料止裂器的最小抗拉强度应为836Mpa；玻璃纤维复合材料止裂器的弹性模量需大于等于45.9Gpa；当止裂器极限应变大于2％，有利于柔性止裂的产生。同时坡口的设计角度在15°～45°之间时，有利于促进柔性止裂。

Claims (6)

1.一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据管道结构和应力参数计算管道应力比；

2)根据管道温度、压力及输送天然气组分，采用BWRS状态方程计算天然气减压波；

3)根据天然气减压波曲线判断是否存在减压波平台：

如果减压波曲线为光滑曲线，减压波压力随着减压波速度降低而降低，则天然气不存在减压波平台；如果减压波曲线中存在减压波速度降低而减压波压力保持不变的情况，则天然气存在减压波平台；

4)根据管道应力比和步骤3)的判断结果，确定不同条件下的止裂器厚度：

如果天然气存在减压波平台，且0.5≤管道应力比F≤0.72，则止裂器厚度为t_a1；如果天然气不存在减压波平台，且0.6≤管道应力比F≤0.8，则止裂器厚度为t_a2；

5)根据不同条件下的止裂器厚度t_a1和t_a2确定止裂器的平行段长度和两端坡口角度；

如果天然气存在减压波平台，且0.5≤管道应力比F≤0.72，则止裂器厚度按照公式(3)进行计算：

t_a1＝-11.1+4.5Ft (3)

如果天然气不存在减压波平台，且0.6≤管道应力比F≤0.8，则止裂器厚度按照公式(4)进行计算：

t_a2＝51.8-9.58Ft+0.7(Ft)² (4)

其中，t_a1、t_a2为不同条件下的止裂器壁厚，t为管道壁厚，单位mm；

当止裂器厚度为t_a1或者t_a2时，止裂器平行段的长度按照公式(5)进行计算：

L_a＝21.4286×t_a+1028.5714 (5)

其中，L_a为止裂器平行段长度，单位mm；t_a为止裂器厚度，t_a等于t_a1或者t_a2；

当止裂器厚度为t_a1或者t_a2时，止裂器两端的坡口角度由公式(6)进行计算：

α_a＝-2.1429×t_a+92.1438 (6)

其中，α_a为止裂器坡口角度，t_a为止裂器厚度，t_a等于t_a1或者t_a2。

2.根据权利要求1所述的一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，其特征在于，所述管道应力比按照如下公式计算：

其中，F为管道应力比；P为管道内压力；D为管道直径；R_t0.5为X100钢管屈服强度，t为管道壁厚，其中R_t0.5应依据ASTM A370通过钢管横向圆棒拉伸试验获得。

3.根据权利要求1所述的一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，其特征在于，采用BWRS状态方程计算天然气减压波，公式如下：

其中，P为系统压力/kPa；ρ为气相或液相的密度/kmol/m³；R为通用气体常数/J/(mol·k)；T为系统温度/T；A₀，B₀，C₀，D₀，E₀，a，b，c，d，α,γ为方程特征参数。

4.根据权利要求1所述的一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，其特征在于，玻璃纤维复合材料止裂器的极限应变≥2％。

5.根据权利要求1所述的一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，其特征在于，止裂器的最小抗拉强度为X100管线钢最小抗拉强度的1.1倍。

6.根据权利要求1所述的一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，其特征在于，止裂器的弹性模量≥45.9Gpa。

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