CN110598284A - 一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，包括以下步骤：计算管道的单位管长截面惯性矩I；计算完好管道受外载荷作用的水平直径变形量ΔX_S；计算管道变形量受面蚀宽度影响的系数f_c；计算管道变形量受面蚀深度影响的系数f_d；计算管道变形量受面蚀位置影响的系数f_θ；计算管道变形量受面蚀位置影响的系数f_l；计算面蚀管道受外载荷作用的水平直径变形量ΔX_corr；计算面蚀管道受外载荷作用的水平直径变形率Δ；当Δ≤3％时，判断面蚀管道处于安全状态，否则，判断面蚀管道失效。其具有流程简单、实现容易、准确度高、实用性强的优点，可准确判断存在面蚀缺陷的埋地燃气管道是否失效。

Description

一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法

技术领域

本发明涉及一种埋地管道安全评估方法，具体涉及一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法。

背景技术

随着我国城镇化建设的加快，埋地燃气管道的数量和规模不断增加，同时，燃气管道的安全问题也日渐突出。据统计，腐蚀所导致的管道事故占总事故的50％以上，这表明腐蚀是威胁燃气管道安全的主要因素，而面蚀(又称局部腐蚀或不均匀腐蚀)是最常见的管道腐蚀缺陷类型，其三维度尺寸以及在管道上的分布位置对管道的承载能力均有影响。研究表明，对于中低压(运行压力小于1.0Mpa)的燃气管道，内压对管道强度的影响极小，地面外载荷对管道强度的影响为主要因素，因此，对存在面蚀缺陷的燃气管道承受外载荷的能力进行评价，对中低压燃气管道的安全运行具有重要意义。而目前本领域只有对完好管道承受外载荷能力的评价方法，即Spangler-lowa方法，当管道受外载荷作用的水平直径变形率超过3％，则认为管道会失效，主要用于铺设前的管道规划设计中，以避免外载荷超过管道的承载能力，对于铺设后且存在面蚀缺陷的埋地燃气管道，目前本领域还没有评价其承受外载荷能力的有效技术手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，其具有流程简单、实现容易、准确度高、实用性强的优点，可准确判断存在面蚀缺陷的埋地燃气管道是否失效，以保证中低压燃气管道的安全运行。

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供的一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，包括以下步骤：

步骤一、依据公式①计算管道的单位管长截面惯性矩I，

I＝t³/3 ①

公式①中，t为管道壁厚，单位为mm；

步骤二、估算管道所受外载荷，并依据公式②计算完好管道受外载荷作用的水平直径变形量ΔX_S，

公式②中，Z为管道变形滞后系数，取值范围为1～1.5；K为土壤基床系数；W为单位长度管道受到的外载荷；D为管道外直径，单位为mm；E为管材弹性模量，单位为N/mm²；E^′为土壤反作用弹性模量，单位为N/mm²；

步骤三、检测面蚀宽度，并依据公式③计算管道变形量受面蚀宽度影响的系数f_c，

公式③中，c为面蚀宽度，在管道横截面上以面蚀边界之间的圆心角表示，取值范围为0～360；

步骤四、检测面蚀深度，并依据公式④计算管道变形量受面蚀深度影响的系数f_d，

公式④中，d为面蚀深度，单位为mm；

步骤五、检测面蚀位置，并依据公式⑤计算管道变形量受面蚀位置影响的系数f_θ，

公式⑤中，以管道横截面圆周的12:00位置为基准向两侧计算，θ为面蚀中心位置与管道横截面12:00位置之间的圆心角，取值范围为0～180；

步骤六、检测面蚀长度，并依据公式⑥计算管道变形量受面蚀位置影响的系数f_l，

公式⑥中，l为面蚀长度，单位为mm；

步骤七、依据公式⑦计算面蚀管道受外载荷作用的水平直径变形量ΔX_corr，

ΔX_corr＝ΔX_S(l+f_c*f_d*f_θ*f_l) ⑦

步骤八、依据公式⑧计算面蚀管道受外载荷作用的水平直径变形率Δ，

步骤九、若Δ>3％，则认为外载荷超出面蚀管道的承受能力，并判定面蚀管道失效，

所述面蚀是指局部腐蚀，所述面蚀管道是指表面存在面蚀缺陷的管道，所述面蚀管道失效是指面蚀管道缺陷处的结构强度不能满足继续服役的要求。

进一步的，本发明一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，在上述步骤三中，所述f_c按以下方法获得，

a、根据面蚀宽度对管道变形量的影响呈幂数函数单调递增趋势，构建f_c的函数模型，即：

公式⑨中，a、b、g、h、j均为变量；

b、通过数学拟合得到a、b、g、h、j的值，即：a＝0.104，b＝-0.702，g＝2.710，h＝-3.753，j＝1.751。

进一步的，本发明一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，在上述步骤四中，所述f_d按以下方法获得，

c、根据面蚀深度对管道变形量的影响呈指数递增趋势，构建f_d的函数模型，即：

公式⑩中，m、n、o、p均为变量；

d、通过数学拟合得到m、n、o、p的值，即：m＝4.6235，n＝5.421，o＝-2.5811，p＝-0.0618。

进一步的，本发明一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，在上述步骤五中，所述f_θ按以下方法获得，

e、根据面蚀宽度对面蚀位置的制约呈指数函数趋势，且面蚀位置对管道变形的影响呈周期性变化，构建f_θ的函数模型，即：

公式中，q、r、u均为变量；

f、通过数学拟合得到q、r、u的值，即：q＝1.7，r＝0.7，u＝-4.605。

进一步的，本发明一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，在上述步骤六中，所述f_l按以下方法获得，

g、根据面蚀宽度和面蚀长度对管道变形量的影响呈相互制约关系，即，当d＝0或l＝0时，ΔX_corr＝ΔX_S，构建f_l的函数模型，即：

公式中，v、x、y、z均为变量；

h、通过数学拟合得到v、x、y、z的值，即：v＝1.2211，x＝-0.2025，y＝1.63，z＝-0.98。

进一步的，本发明一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，在上述步骤七中，所述ΔX_corr按以下方法获得，

i、基于完好管道受外载荷作用的水平直径变形量ΔX_S，构建ΔX_corr的函数模型，即：

j、根据f(c，d，θ，l)函数应满足的边界条件，即c＝0或d＝0或l＝0时，f(c，d，θ，l)＝1，得出ΔX_corr＝ΔX_S(1+f_c*f_d*f_θ*f_l)。

本发明一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法与现有技术相比，具有以下优点：本发明通过对存在面蚀缺陷的埋地燃气管道进行外载荷承受能力评价，可准确判断管道是否失效，对中低压燃气管道的安全运有着重要意义，且具有流程简单、实现容易、准确度高、实用性强的优点。

下面结合附图所示具体实施方式对本发明一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法作进一步详细说明。

附图说明

图1为管道载荷分布示意图；

图2为本发明一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法中面蚀宽度的示意图；

图3为本发明一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法中面蚀位置中心圆心角θ的示意图。

具体实施方式

首先需要说明的，本发明中所述的上、下、左、右、前、后等方位词只是根据附图进行的描述，以便于理解，并非对本发明的技术方案以及请求保护范围进行的限制。

对于运行年限长、受面蚀影响大的中低压(内压小于1.0MPa)埋地燃气管道，内压对管道强度的影响极小，而管道上方的土壤、房屋及车辆等外载荷对管道强度的影响很大。因此，对存在面蚀缺陷的埋地燃气管道进行外载荷承受能力评价，可准确判断管道是否失效。现有的Spangler-lowa方法对管道外载荷承受能力的评价只是针对完好的管道，无法评价存在面蚀缺陷管道的承受外载荷能力。现有的Spangler-lowa方法主要包括以下步骤：

一、根据公式(1)计算管道的单位管长截面惯性矩I，

I＝t³/3 (1)公式(1)中，t表示管道壁厚，单位为mm，其通过查询管道资料获得。

二、根据公式(2)计算管道受外载荷作用的水平直径变形量ΔX_S，

公式(2)中，Z表示管道变形滞后系数，取值范围为1～1.5；K表示土壤基床系数，其通过查询标准GB50028获得；W表示单位长度管道受到的外载荷，单位为N/mm，包括土壤、管道上方的永久占压物(如房屋)产生的载荷以及地面可变载荷(如车辆)传递到管道上的载荷，其通过估算获得；D表示管道外直径，单位为mm，其通过查询管道资料获得；E表示管材弹性模量，单位为N/mm²，其通过查询管道资料或对应的钢级标准获得；E^′表示土壤反作用弹性模量，单位为N/mm²，其通过查询标准GB50028获得。

三、根据公式(3)计算管道受外载荷作用的水平直径变形量Δ_s，

四、若Δ_s>3％时，则认为外载荷超出管道的承受能力，并判定管道失效。

所述管道失效是指管道的结构强度无法满足服役要求。

本发明基于Spangler-lowa方法，按照面蚀宽度由5°至360°每增加15°建立一组有限元模型、面蚀深度由壁厚的5％至壁厚的90％每增加0.05％建立一组有限元模型、面蚀位置由0°至180°每增加5°建立一组有限元模型、面蚀长度由管道外径的0倍至12倍每增加10mm建立一组有限元模型的规则，共建立了300余组有限元模型，通过建模并根据管材弹性模量、土壤弹性模量、外载荷、管道壁厚、管道外径、面蚀宽度、面蚀深度、面蚀位置、面蚀长度等参数对300余组有限元模型的管道变形量进行了计算，通过对300余组有限元模型的计算结果进行分析，得出了存在面蚀缺陷的埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，具体包括以下步骤：

步骤一、依据公式①计算管道的单位管长截面惯性矩I，

I＝t³/3 ①

步骤二、检测或评估外载荷，并依据公式②计算完好管道受外载荷作用的水平直径变形量ΔX_S，

步骤三、检测面蚀宽度，并依据公式③计算管道变形量受面蚀宽度影响的系数f_c，

公式③中，c为面蚀宽度，在管道横截面上以面蚀边界之间的圆心角表示，取值范围为0～360。

步骤四、检测面蚀深度，并依据公式④计算管道变形量受面蚀深度影响的系数f_d，

公式④中，d为面蚀深度，单位为mm。

步骤五、检测面蚀位置，并依据公式⑤计算管道变形量受面蚀位置影响的系数f_θ，

公式⑤中，以管道横截面圆周的12:00位置为基准向两侧计算，θ为面蚀中心位置与管道横截面12:00位置之间的圆心角，取值范围为0～180。

步骤六、检测面蚀长度，并依据公式⑥计算管道变形量受面蚀位置影响的系数f_l，

公式⑥中，l为面蚀长度，单位为mm。

步骤七、依据公式⑦计算面蚀管道受外载荷作用的水平直径变形量ΔX_corr，

ΔX_corr＝ΔX_S(1+f_c*f_d*f_θ*f_l) ⑦

步骤八、依据公式⑧计算面蚀管道受外载荷作用的水平直径变形率Δ，

步骤九、若Δ>3％，则认为外载荷超出面蚀管道的承受能力，并判定面蚀管道失效。

所述面蚀是指局部腐蚀，所述面蚀管道是指表面存在面蚀缺陷的管道，所述面蚀管道失效是指面蚀管道缺陷处的结构强度不能满足继续服役的要求。

本发明通过对存在面蚀缺陷的埋地燃气管道进行外载荷承受能力评价，可准确判断管道是否失效，对中低压燃气管道的安全运有着重要意义，且具有流程简单、实现容易、准确度高、实用性强的优点。

本发明在对300余组有限元模型进行计算分析的过程中，得出了面蚀深度、面蚀宽度、面蚀位置和面蚀长度对管道水平直径变形量影响的如下规律：(一)、面蚀宽度与面蚀深度对管道变形的影响较大，面蚀位置和面蚀长度对管道变形的影响较小。(二)、面蚀位置对管道变形的影响受面蚀宽度的制约较大，面蚀宽度越大且处在危险位置时(管道横截面圆周的3：00位置和9：00位置)，管道的变形越大；当面蚀宽度较小时，即使处在危险位置对管道变形的影响也不会很大。(三)、面蚀深度与面蚀长度对管道变形的影响也相互制约，面蚀较浅时，面蚀宽度对管道的水平直径变形量的影响不大，面蚀较深时，面蚀宽度对管道的水平直径变形量的影响较大，随着面蚀宽度的增加，管道的水平直径变形量呈幂数函数单调递增趋势。(四)、随着面蚀深度的增加，管道的水平直径变形量呈指数函数递增趋势。(五)、面蚀宽度对面蚀位置的制约呈指数函数关系，而面蚀位置对管道的水平直径变形量的影响呈周期性变化，位于管道横截面圆周12：00位置、3：00位置、6：00位置和9：00位置时的影响较大，而位于1：30位置、4：30位置、7：30位置、10：30位置时的影响较小。(六)、面蚀长度和面蚀宽度对管道的水平直径变形量的影响相互制约，随着面蚀长度的增加，管道的水平直径变形量呈递增趋势，当面蚀长度达到10倍管道外径以上时，管道的水平直径变形量基本保持不变。

基于以上规律，对于上述步骤三中的f_c，本发明采用了以下方法获得：

a、根据面蚀宽度对管道变形量的影响呈幂数函数单调递增趋势，构建f_c的函数模型，即：

公式⑨中，a、b、g、h、j均为变量。

b、通过数学拟合得到a、b、g、h、j的值，即：a＝0.104，b＝-0.702，g＝2.710，h＝-3.753，j＝1.751。

基于以上规律，对于上述步骤四中的f_d，本发明采用了以下方法获得：

c、根据面蚀深度对管道变形量的影响呈指数递增趋势，构建f_d的函数模型，即：

公式⑩中，m、n、o、p均为变量。

d、通过数学拟合得到m、n、o、p的值，即：m＝4.6235，n＝5.421，o＝-2.5811，p＝-0.0618。

基于以上规律，对于上述步骤五中的f_θ，本发明采用了以下方法获得：

e、根据面蚀宽度对面蚀位置的制约呈指数函数趋势，且面蚀位置对管道变形的影响呈周期性变化，构建f_θ的函数模型，即：

公式中，q、r、u均为变量。

f、通过数学拟合得到q、r、u的值，即：q＝1.7，r＝0.7，u＝-4.605。

基于以上规律，对于上述步骤六中的f_l，本发明采用了以下方法获得：

g、根据面蚀宽度和面蚀长度对管道变形量的影响呈相互制约关系，即，当d＝0或l＝0时，ΔX_corr＝ΔX_S，构建f_l的函数模型，即：

公式中，v、x、y、z均为变量。

h、通过数学拟合得到v、x、y、z的值，即：v＝1.2211，x＝-0.2025，y＝1.63，z＝-0.98。

对于存在面蚀缺陷的管道，其水平直径变形量是基于完好管道的水平直径变形量乘以一个反应各面蚀参数对管道变形影响的函数，对于上述步骤七中的ΔX_corr，本发明采用了以下方法获得：

i、基于完好管道受外载荷作用的水平直径变形量ΔX_S，构建ΔX_corr的函数模型，即：

j、根据f(c，d，θ，l)函数应满足的边界条件，c＝0或d＝0或l＝0时，f(c，d，θ，l)＝1，即可得出ΔX_corr＝ΔX_S(1+f_c*f_d*f_θ*f_l)。

c＝0或d＝0或l＝0，表示面蚀不存在，此时，管道的水平直径变形量应为完好管道的水平直径变形量。

需要说明的是，本发明中所述数学拟合是基于300余组有限元模型的管道变形量计算结果，根据构建的各函数模型，利用MATLAB软件得到各公式中变量的具体数值的。另外，本发明中所述的管道变形量均指管道的水平直径变形量，两者应作相同概念理解。

以上实施例仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明请求保护范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域技术人员依据本发明的技术方案做出的各种变形，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、依据公式①计算管道的单位管长截面惯性矩I，

I＝t³/3 ①

公式①中，t为管道壁厚，单位为mm；

步骤二、估算管道所受外载荷，并依据公式②计算完好管道受外载荷作用的水平直径变形量ΔX_S，

公式②中，Z为管道变形滞后系数，取值范围为1～1.5；K为土壤基床系数；W为单位长度管道受到的外载荷；D为管道外直径，单位为mm；E为管材弹性模量，单位为N/mm²；E′为土壤反作用弹性模量，单位为N/mm²；

步骤三、检测面蚀宽度，并依据公式③计算管道变形量受面蚀宽度影响的系数f_c，

公式③中，c为面蚀宽度，在管道横截面上以面蚀边界之间的圆心角表示，取值范围为0～360；

步骤四、检测面蚀深度，并依据公式④计算管道变形量受面蚀深度影响的系数f_d，

公式④中，d为面蚀深度，单位为mm；

步骤五、检测面蚀位置，并依据公式⑤计算管道变形量受面蚀位置影响的系数f_θ，

公式⑤中，以管道横截面圆周的12:00位置为基准向两侧计算，θ为面蚀中心位置与管道横截面12:00位置之间的圆心角，取值范围为0～180；

步骤六、检测面蚀长度，并依据公式⑥计算管道变形量受面蚀位置影响的系数f_l，

公式⑥中，l为面蚀长度，单位为mm；

步骤七、依据公式⑦计算面蚀管道受外载荷作用的水平直径变形量ΔX_corr，

ΔX_corr＝ΔX_S(1+f_c*f_d*f_θ*f_l) ⑦

步骤八、依据公式⑧计算面蚀管道受外载荷作用的水平直径变形率Δ，

步骤九、若Δ>3％，则认为外载荷超出面蚀管道的承受能力，并判定面蚀管道失效，

所述面蚀是指局部腐蚀，所述面蚀管道是指表面存在面蚀缺陷的管道，所述面蚀管道失效是指面蚀管道缺陷处的结构强度不能满足继续服役的要求。

2.根据权利要求1所述的一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，其特征在于，在步骤三中，所述f_c按以下方法获得，

a、根据面蚀宽度对管道变形量的影响呈幂数函数单调递增趋势，构建f_c的函数模型，即：

公式⑨中，a、b、g、h、j均为变量；

b、通过数学拟合得到a、b、g、h、j的值，即：a＝0.104，b＝-0.702，g＝2.710，h＝-3.753，j＝1.751。

3.根据权利要求2所述的一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，其特征在于，在步骤四中，所述f_d按以下方法获得，

c、根据面蚀深度对管道变形量的影响呈指数递增趋势，构建f_d的函数模型，即：

公式⑩中，m、n、o、p均为变量；

d、通过数学拟合得到m、n、o、p的值，即：m＝4.6235，n＝5.421，o＝-2.5811，p＝-0.0618。

4.根据权利要求3所述的一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，其特征在于，在步骤五中，所述f_θ按以下方法获得，

e、根据面蚀宽度对面蚀位置的制约呈指数函数趋势，且面蚀位置对管道变形的影响呈周期性变化，构建f_θ的函数模型，即：

公式中，q、r、u均为变量；

f、通过数学拟合得到q、r、u的值，即：q＝1.7，r＝0.7，u＝-4.605。

5.根据权利要求4所述的一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，其特征在于，在步骤六中，所述f_l按以下方法获得，

g、根据面蚀宽度和面蚀长度对管道变形量的影响呈相互制约关系，即，当d＝0或l＝0时，ΔX_corr＝ΔX_S，构建f_l的函数模型，即：

公式中，v、x、y、z均为变量；

h、通过数学拟合得到v、x、y、z的值，即：v＝1.2211，x＝-0.2025，y＝1.63，z＝-0.98。

6.根据权利要求5所述的一种埋地燃气管道承受外载荷能力的评价方法，其特征在于，在步骤七中，所述ΔX_corr按以下方法获得，

i、基于完好管道受外载荷作用的水平直径变形量ΔX_S，构建ΔX_corr的函数模型，即：

j、根据f(c，d，θ，l)函数应满足的边界条件，即c＝0或d＝0或l＝0时，f(c，d，θ，l)＝1，得出ΔX_corr＝ΔX_S(1+f_c*f_d*f_θ*f_l)。