CN110765505B - 一种含表面划伤复合凹陷油气管道极限内压的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种含表面划伤复合凹陷油气管道极限内压的预测方法，根据已建立的含表面划伤缺陷管道的有限元模型，设定工作内压为零条件下，采用施痕物对管道模型施加位移载荷使管道产生凹陷，基于净截面失效准则判据，计算管道极限凹陷深度H，当实际凹陷深度h大于极限凹陷深度H时，缺陷管道可继续安全运行；当实际凹陷深度大于极限凹陷深度H时，基于有限元模型获得的极限内压预测模型，将现场检测得到的划伤及凹陷的特征量代入模型中计算含划伤复合凹陷管道可安全运行的极限内压。该方法能够解决含有表面划伤及凹陷损伤的油气管道的安全性预测问题。

Description

一种含表面划伤复合凹陷油气管道极限内压的预测方法

技术领域

本发明涉及管道施工与维护技术领域，特别是涉及一种含表面划伤复合凹陷的油气管道极限内压的预测方法。

背景技术

油气管道凹陷是指由于管壁永久塑性变形而使管道横截面发生的总的变形，是管道几何缺陷的常见形式之一。凹陷对管道安全运行的影响主要有四个方面：凹陷导致管壁变形产生应力集中并降低承压能力或者直接导致其破裂泄漏；周期性的内压波动也可能使凹陷区域出现疲劳损伤乃至断裂；对于一些延性较差的老管道，即使凹陷引起的应力集中不大，也可能引起管道裂纹的产生甚至加快应力腐蚀速率；较深的凹陷会阻止清管器及内检测器等设备的通过，给管道的检测和管理带来困难。可见，凹陷的存在影响着管道的承载能力，严重威胁了管道的安全运行。

凹陷使管道的曲率发生变化，划伤和凹陷的叠加使管道同时具备管壁的曲率变形和壁厚减薄，将进一步加剧管道承载能力的降低，加大管道的失效概率。从上世纪70年代起，国外就开展了受损管道极限承载力和失效机理的相关研究，并制定了一系列的管道安全性预测规范。含表面划伤凹陷的油气管道失效包含高塑性应变、壁厚减薄、裂纹形成及扩展、塑性流动等复杂力学行为。对于含有表面划伤与凹陷的叠加缺陷的油气管道的评价方面，API 579规定，输油管道根据情况进行进一步详细评估，但并没有给出评价方法，其余国内外标准及规范均规定，油气管道一旦发现划伤凹陷，均需立即更换。这种保守的判据势必会导致不必要的管线停输和维护费用开支，造成资源浪费和成本增加，甚至对管道产生二次伤害。在含缺陷油气管道的安全评价方面，中国专利CN 103558356 B《一种含点蚀金属管道剩余强度的无缝表征模型》提出了点蚀面积占有比的概念，基于被广泛认可的美国石油协会的API579-1/ASME FFS-1标准，建立了点蚀面积占有比和剩余壁厚比与剩余强度的关系，提出了含点蚀缺陷金属压力管道剩余强度无缝表征模型，但不适用于划伤凹陷这种同时具备管壁的曲率变形和壁厚减薄的管道；中国专利CN 104807966 B《一种管廊管道剩余强度与剩余寿命计算方法》基于收集管廊管道缺陷数据信息，将缺陷分为平面型缺陷和体积型缺陷，针对平面型缺陷，从管廊管道缺陷数据信息中获取缺陷管道材料的工程应力-应变曲线，确定失效评估图，再计算评定点，得到管廊管道的剩余强度；针对体积型缺陷，从管廊管道缺陷数据信息中获取设计系数、焊缝系数和最小测量壁厚，通过计算得到管廊管道的剩余强度；根据管廊管道缺陷数据信息计算基本数值，根据极大值分布概率密度函数、可靠度函数、最大腐蚀深度点估计和极大似然估计，计算得到管廊管道的剩余寿命，该方法同样不适用于含有两种缺陷叠加的划伤凹陷的油气管道。

因而，建立油气管道划伤复合凹陷评价模型，对于评价可接受的复合凹陷，允许管道继续运行，而对于评价不可接受的复合凹陷，管道降低到安全内压范围运行或者进行维修更换，对于确保其安全运行、最大限度地发挥其经济效能、提高安全监管的科学性具有重大意义。

发明内容

本发明提出了一种含表面划伤复合凹陷油气管道的极限压力预测方法，该方法能够解决含有表面划伤及凹陷损伤的油气管道的安全性预测问题。

本发明采用的技术方案是：

一种含表面划伤复合凹陷油气管道极限内压的预测方法，包括如下步骤：

步骤一：建立含表面划伤缺陷管道的三维几何模型，以及施痕物的三维几何模型；

步骤二：对含表面划伤缺陷管道的三维几何模型以及施痕物的三维几何模型进行有限元网格划分，对管道表面划伤缺陷区进行加密网格划分，建立有限元网格模型；

步骤三：设定工作内压为零条件下，采用施痕物的三维几何模型对含表面划伤缺陷管道的三维几何模型施加位移载荷，使含表面划伤缺陷管道的三维几何模型产生凹陷，得到含表面划伤复合凹陷管道的三维几何模型，计算含表面划伤复合凹陷管道极限凹陷深度H；

步骤四：判断含表面划伤复合凹陷管道实际凹陷深度h与极限凹陷深度H的大小，当h＜H时，表明含表面划伤复合凹陷管道安全；

当h≥H，表明含表面划伤复合凹陷管道存在安全隐患，转入步骤五；

步骤五：基于净截面准则，在步骤二建立的有限元网格模型上建立划伤及凹陷区的特征量、管道物理参量、管道运行参数与极限内压的关系，建立管道极限内压预测模型；

步骤六：将含表面划伤复合凹陷管道的抗拉强度、初始内压、现场检测的划伤及凹陷区特征参量带入管道极限内压预测模型，获得含表面划伤复合凹陷管道能够安全运行的极限内压。

步骤一中，建立含表面划伤缺陷管道的三维几何模型时，管道材料属性包括密度、弹性模量、泊松比和屈服强度，管道长度不小于6m；表面划伤缺陷为轴向、径向或非轴向及非径向的方向，表面划伤缺陷的长宽比不小于3；设定管道与施痕物表面之间的接触摩擦系数为0.3～0.6。

步骤一中，建立含表面划伤缺陷管道的三维几何模型时，边界条件为管道两端截面Z方向对称约束，所述Z方向为管道的长度方向，沿管道环向约束范围为120°，管道底部120°范围自由度完全约束。

步骤三中，基于净截面失效准则判据，计算含表面划伤复合凹陷管道极限凹陷深度H。

步骤五中，现场检测的划伤及凹陷区特征参量包括划伤深度和凹陷深度，管道物理参量抗拉强度和径厚比，管道运行参数为初始内压。

步骤五中，管道极限内压预测模型为：

式中P为极限内压；σ_b为管道的抗拉强度；D为管道直径；P₀为管道初始工作内压；t为管道壁厚，h_e为凹陷深度程度，h_e为凹陷深度d与管道直径D的比值；H_d为划伤深度程度，H_d为划伤深度与管壁t的比值，参数a、b、c、d、e、f、g、i和k为待回归参数。

将管道初始内压、径厚比、抗拉强度与极限内压的关系进行非线性有限元力学仿真分析，将得到的数据代入到管道极限内压预测模型中求解待回归参数a、b、c、d、e、f、g、i和k，从而得到含划伤复合凹陷管道的极限内压定量预测模型。

步骤四中，当h≥H时，修复含表面划伤复合凹陷管道。

本发明具有如下有益效果：

本发明含表面划伤复合凹陷油气管道极限内压的预测方法在有限元分析基础上结合相应的边界条件构建了参数化模型，综合考虑了管道表面划伤复合凹陷缺陷的特征参量对于管道极限内压的综合影响，克服了现有管道凹陷评价规范所存在的不足，本发明的预测结果经过实验验证，结果准确，具有较高的参考价值，能够有效地用于含划伤复合凹陷的油气管道的极限内压预测，为管道的安全性预测提供理论依据。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明做进一步的说明。

本发明根据建立的含表面划伤缺陷管道的有限元模型，设定工作内压为零条件下，采用施痕物对含表面划伤缺陷管道的有限元模型施加位移载荷，使含表面划伤缺陷管道的有限元模型产生凹陷，得到含表面划伤复合凹陷管道的有限元模型，基于净截面失效准则判据，计算含表面划伤复合凹陷管道的极限凹陷深度H，当实际凹陷深度h小于极限凹陷深度H时，表明含表面划伤复合凹陷管道能够继续安全运行；当实际凹陷深度大于极限凹陷深度H时，基于有限元网格模型获得管道极限内压预测模型，将现场检测的划伤及凹陷区特征参量代入管道极限内压预测模型中计算含表面划伤复合凹陷管道能够安全运行的极限内压；当含表面划伤复合凹陷管道内部的工作内压不大于所述极限内压时，表明含表面划伤复合凹陷管道安全，当含表面划伤复合凹陷管道内部的工作内压大于所述极限内压时，表明含表面划伤复合凹陷管道存在安全隐患。

本发明的含表面划伤复合凹陷油气管道极限内压的预测方法，包括如下步骤：

步骤一：建立含表面划伤缺陷管道及施痕物的三维几何模型；

步骤二：对含表面划伤缺陷管道的三维几何模型以及施痕物的三维几何模型进行有限元网格划分，对管道表面划伤缺陷区进行加密网格划分，建立有限元网格模型；

步骤三：设定工作内压为零条件下，采用施痕物的三维几何模型对含表面划伤缺陷管道的三维几何模型施加位移载荷，使含表面划伤缺陷管道的三维几何模型产生凹陷，基于净截面失效准则判据，得到含表面划伤复合凹陷管道的三维几何模型，计算含表面划伤复合凹陷管道极限凹陷深度H；

步骤四：判断管道实际凹陷深度h与极限凹陷深度H的大小。当h＜H时，表面划伤复合凹陷管道能够在工作内压下继续运行，保持监控；当h＞H，表面划伤复合凹陷管道需要立即修复，转入步骤五，将管道的工作内压降到由预测模型得到的极限内压范围内运行；

步骤五：基于净截面准则，在步骤二建立的有限元网格模型上建立划伤及凹陷区的特征量(划伤深度和凹陷深度)、管道物理参量(抗拉强度和径厚比)、管道运行参数(初始内压)与极限内压的关系，建立管道极限内压预测模型；

步骤六：将含表面划伤复合凹陷管道的抗拉强度、初始内压、现场检测的划伤及凹陷区特征参量带入管道极限内压预测模型，获得表含面划伤复合凹陷管道能够安全运行的极限内压。

作为本发明优选的实施方案，建立含表面划伤缺陷管道的三维几何模型时，管道材料属性包括密度、弹性模量、泊松比和屈服强度，管道长度不小于6m；表面划伤缺陷为轴向、径向或其他方向(其他方向指的是非轴向及非径向的方向)，表面划伤缺陷的长宽比不小于3；管道与施痕物表面之间的接触摩擦系数依据管道与施痕物的材质确定，在0.3～0.6取值。

作为本发明优选的实施方案，步骤一中，建立含表面划伤缺陷管道的三维几何模型时，边界条件为管道两端截面Z方向对称约束，所述Z方向为管道的长度方向，沿管道环向约束范围为120°，管道底部120°范围自由度完全约束。

净截面失效准则判据，即管道凹陷区壁厚方向任一点的最小等效应力达到材料的抗拉强度时管道失效。

作为本发明优选的实施方案，步骤五中，管道极限内压预测模型为：

式中P为极限内压；σ_b为管道的抗拉强度；D为管道直径；P₀为管道初始工作内压；t为管道壁厚，h_e为凹陷深度程度，h_e为凹陷深度d与管道直径D的比值；H_d为划伤深度程度，H_d为划伤深度与管壁t的比值，参数a、b、c、d、e、f、g、i和k为待回归参数。

将管道初始内压、径厚比、抗拉强度与极限内压的关系进行非线性有限元力学仿真分析，将得到的数据代入到管道极限内压预测模型中求解待回归参数a、b、c、d、e、f、g、i和k，从而得到含划伤复合凹陷管道的极限内压定量预测模型。

当含表面划伤复合凹陷管道内部的工作内压不大于所述极限内压时，表明含表面划伤复合凹陷管道安全，当含表面划伤复合凹陷管道内部的工作内压大于所述极限内压时，表明含表面划伤复合凹陷管道存在安全隐患。

实施例1：

本实施例提供一种含划伤复合凹陷的Φ1219×18.4mm X80管道的极限压力预测方法，划伤缺陷为径向，划伤深度为15％t(即2.76mm，t为管道壁厚)，凹陷深度为3.5％D(即42.67mm，D为管道外径)，管道规格(外径×壁厚)为Φ1219×18.4mm，该管线工作内压为10MPa。极限压力预测方法包括下列步骤：

步骤一：建立含划伤缺陷的X80管道的三维几何模型及施痕物的三维几何模型。

利用有限元软件ABAQUS建立含径向划伤缺陷的12米管道的三维几何模型及施痕物几何模型，划伤深度为2.76mm。X80管道材料的主要参数：规格为Φ1219×18.4mm，密度为7.8×10Kg/m³，弹性模量E＝210000MPa，泊松比为0.3，屈服强度为628MPa，抗拉强度为741MPa。划伤长度为100mm、划伤长宽比为20:1；施痕物为球形，施痕物直径为150mm。

在设置边界条件时，考虑到管道的实际工况，管道两端截面设置Z方向对称约束，Z方向为管道长度方向。本实施例中管道与施痕物为低碳钢与中碳钢接触，设定管道与施痕物表面之间的接触摩擦系数为0.3。因管道底端与土壤接触，故沿管道环向约束范围为120°，管道底部120°范围自由度完全约束。

步骤二：对管道及施痕物三维几何模型进行有限元网格划分，对划伤缺陷区进行加密网格划分，建立有限元网格模型。

步骤三：设定工作内压为零条件下，采用施痕物三维几何模型对管道三维几何模型施加位移载荷使管道产生凹陷，得到含表面划伤复合凹陷管道，基于净截面失效准则判据，计算划伤缺陷极限凹陷深度H＝5.88％(71.68mm)；

步骤四：判断管道实际凹陷深度h与极限凹陷深度与H的大小。管道复合凹陷深度h＝42.67mm，管道极限凹陷深度H＝71.68mm。h＜H，可确定：含有复合凹陷的管道在工作内压10MPa下可安全运行，加强管道运行监控。

实施例2：

本实施例提供一种含划伤复合凹陷的Φ1219×18.4mm X80管道的极限压力预测方法，划伤缺陷为径向，划伤深度为15％t(即2.76mm，t为壁厚)，凹陷深度为7％D(85.33mm)，管道规格(外径×壁厚)为Φ1219×18.4mm，该管线工作内压为10MPa。极限压力预测方法包括下列步骤：

步骤一：建立含划伤缺陷的X80管道模型及施痕物模型。

利用有限元软件ABAQUS建立含径向划伤缺陷的12米管道的三维几何模型及施痕物的三维几何模型，划伤深度为2.76mm。X80管道材料的主要参数：规格为Φ1219×18.4mm，密度为7.8×10Kg/m³，弹性模量E＝210000MPa，泊松比为0.3，屈服强度为628MPa，抗拉强度为741MPa。划伤长度为100mm、划伤长宽比为20:1；施痕物为球形，施痕物直径为150mm。

在设置边界条件时，考虑到管道的实际工况，管道两端截面设置Z方向对称约束，Z方向为管道长度方向。本实施例中管道与施痕物为低碳钢与中碳钢接触，设定管道与施痕物表面之间的接触摩擦系数为0.3。因管道底端与土壤接触，故沿管道环向约束范围为120°，管道底部120°范围自由度完全约束。

步骤二：对管道及施痕物三维几何模型进行有限元网格划分，对划伤缺陷区进行加密网格划分，建立有限元网格模型。

步骤三：设定工作内压为零条件下，采用施痕物三维几何模型对管道三维几何模型施加位移载荷使管道产生凹陷，得到含表面划伤复合凹陷管道，基于净截面失效准则判据，计算划伤缺陷管道极限凹陷深度H＝5.88％(71.68mm)；

步骤四：判断管道实际凹陷深度h与极限凹陷深度与H的大小。管道复合凹陷深度h＝85.33mm，管道极限凹陷深度H＝71.68mm。h＞H，可判断，当不可降压运行时，管道需要立即修复；当可降压运行时，转入步骤五，由预测模型计算含此划伤复合凹陷管道的极限内压。

步骤五：建立极限内压预测模型

基于极限内压预测模型，通过非线性拟合回归获得待回归参数a、b、c、d、e、f、g、i和k，获得含划伤凹陷的X80管道的极限内压预测模型为：

P＝0.004261σ_b(1+0.0005146p₀)^-53.97138908*(1-4.3930h_e)^6.6718*(0.0306t+3.1549-7.5016H_d)^3.2959

步骤六：将现场检测的划伤深度2.76mm、凹陷深度85.33mm、抗拉强度741MPa、初始内压10MPa代入得到的极限内压预测模型，计算得到含有此划伤复合凹陷的管道极限内压为4.76MPa。

因此，含此划伤复合凹陷的管道的继续运行压力为10MPa时，需立即修复；当不立即修复继续进行工作时，降压到4.76MPa内可继续安全运行。

综上，本发明含表面划伤复合凹陷油气管道极限内压的预测方法对于评价可接受的划伤复合凹陷，允许管道继续运行，而对于评价不可接受的复合凹陷，管道降低到安全内压范围运行或者进行维修更换，对于确保其安全运行、最大限度地发挥其经济效能、提高安全监管的科学性具有重大意义。

Claims (6)

1.一种含表面划伤复合凹陷油气管道极限内压的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立含表面划伤缺陷管道的三维几何模型，以及施痕物的三维几何模型；

步骤二：对含表面划伤缺陷管道的三维几何模型以及施痕物的三维几何模型进行有限元网格划分，对管道表面划伤缺陷区进行加密网格划分，建立有限元网格模型；

步骤三：设定工作内压为零条件下，采用施痕物的三维几何模型对含表面划伤缺陷管道的三维几何模型施加位移载荷，使含表面划伤缺陷管道的三维几何模型产生凹陷，得到含表面划伤复合凹陷管道的三维几何模型，计算含表面划伤复合凹陷管道极限凹陷深度H；

步骤四：判断含表面划伤复合凹陷管道实际凹陷深度h与极限凹陷深度H的大小，当h＜H时，表明含表面划伤复合凹陷管道安全；

当h≥H，表明含表面划伤复合凹陷管道存在安全隐患，转入步骤五；

步骤五：基于净截面准则，在步骤二建立的有限元网格模型上建立划伤及凹陷区的特征量、管道物理参量、管道运行参数与极限内压的关系，建立管道极限内压预测模型；

步骤六：将含表面划伤复合凹陷管道的抗拉强度、初始内压、现场检测的划伤及凹陷区特征参量带入管道极限内压预测模型，获得含表面划伤复合凹陷管道能够安全运行的极限内压；

步骤五中，现场检测的划伤及凹陷区特征参量包括划伤深度和凹陷深度，管道物理参量抗拉强度和径厚比，管道运行参数为初始内压；

步骤五中，管道极限内压预测模型为：

式中P为极限内压；σ_b为管道的抗拉强度；D为管道直径；P₀为管道初始工作内压；t为管道壁厚，h_e为凹陷深度程度，h_e为凹陷深度d与管道直径D的比值；H_d为划伤深度程度，H_d为划伤深度与管壁t的比值，参数a、b、c、d、e、f、g、i和k为待回归参数。

2.根据权利要求1所述的一种含表面划伤复合凹陷油气管道极限内压的预测方法，其特征在于，步骤一中，建立含表面划伤缺陷管道的三维几何模型时，管道材料属性包括密度、弹性模量、泊松比和屈服强度，管道长度不小于6m；表面划伤缺陷为轴向、径向或其他方向，表面划伤缺陷的长宽比不小于3；设定管道与施痕物表面之间的接触摩擦系数为0.3～0.6。

3.根据权利要求1所述的一种含表面划伤复合凹陷油气管道极限内压的预测方法，其特征在于，步骤一中，建立含表面划伤缺陷管道的三维几何模型时，边界条件为管道两端截面Z方向对称约束，所述Z方向为管道的长度方向，沿管道环向约束范围为120°，管道底部120°范围自由度完全约束。

4.根据权利要求1所述的一种含表面划伤复合凹陷油气管道极限内压的预测方法，其特征在于，步骤三中，基于净截面失效准则判据，计算含表面划伤复合凹陷管道极限凹陷深度H。

5.根据权利要求1所述的一种含表面划伤复合凹陷油气管道极限内压的预测方法，其特征在于，将管道初始内压、径厚比、抗拉强度与极限内压的关系进行非线性有限元力学仿真分析，将得到的数据代入到管道极限内压预测模型中求解待回归参数a、b、c、d、e、f、g、i和k。

6.根据权利要求1所述的一种含表面划伤复合凹陷油气管道极限内压的预测方法，其特征在于，步骤四中，当h≥H时，修复表面划伤复合凹陷管道。