CN112115572B - 一种管道凹陷缺陷的安全评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于缺陷检测技术领域，提供了一种管道凹陷缺陷的安全评价方法，建立模型模拟管道运行时凹陷缺陷产生的过程，得到其最大损伤量对应的缺陷参数，分别为管道回弹前的缺陷参数和回弹后的缺陷参数，定义为监控阈值和修复阈值，最后用管道的实际运行压力对这两个阈值进行修正；实际评价时，将管道的实际缺陷参数与修正后的监控阈值和修复阈值进行比较，就能容易地得出管道的安全程度。本发明在建模时考虑了凹陷的类型和尺寸，损伤量计算时考虑了材料的应力应变情况，阈值修正时考虑了管道实际运行压力，因此，本发明对管道凹陷缺陷的安全评价方法综合考虑了管道运行的综合因素，评价精度更高。

Description

一种管道凹陷缺陷的安全评价方法

技术领域

本发明属于缺陷检测技术领域，尤其涉及一种管道凹陷缺陷的安全评价方法。

背景技术

因管道运输相对安全且不影响环境，所以是石油和天然气运输最合理的方式。但在管道运营的过程中，由于外部物体的撞击或荷载挤压管道等原因，会造成管壁永久性塑性变形进而导致管道横截面的变形，这就是管道凹陷。凹陷对管道运行寿命有相当大的影响，它是引起管道疲劳断裂的一个主要原因，会使管壁产生几何不规则变形，还可能导致沟槽的产生。管道上的凹陷严重威胁着管道的安全运行，在内压作用下，一些凹陷会立即断裂，导致管道发生即时失效；另外一些凹陷不会即时断裂，但是会给裂缝的出现提供机会，随着时间的延长，裂缝会出现并发展，最终导致管道泄漏；还有一些凹陷会在随时间变化的载荷作用下发生疲劳破坏，给管道的安全运行带来潜在危害；另外，有些凹陷会阻止清管器的顺利通过，妨碍清管和管壁检测，给管道的监测和管理带来困难。综上所述，若对含凹陷管道处理不当会造成非常严重的后果。但若对凹陷不加以识别盲目的对凹陷管段进行替换，会给管道运营方造成不必要的损失。因此需要先对凹陷的严重程度加以辨别，再根据具体情况采取合适的措施。

在实际工程中，通常采用凹陷的深度作为判断凹陷严重程度的依据，但因基于凹陷深度的评价方法忽视了管道凹陷区域的应力应变状态，当在评价含相同凹陷深度其他参数不同时的管道时，其评价结果的准确性会因为参数变化而存在误差。

后来也有采用韧性损伤准则作为管道凹陷的失效判据的，但是管道损伤量计算所需要的应力应变数据和计算方式复杂性表明该方法只能应用于管道凹陷的理论研究中。在管道凹陷的实际工程评价中，如果直接应用管道损伤量来判断，则需要每个缺陷都计算一次，需要处理大量的凹陷数据，对每一个凹陷都采用建模方式计算其损伤量显然是无法完成的事情。

因此，急需要一种能够综合考虑管道缺陷实际工况下的快速缺陷安全评价方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种管道凹陷缺陷的安全评价方法，综合考虑了管道实际工况，如直径、壁厚、内压、管道材料，在建模完成后直接根据管道缺陷参数(凹陷深度/管道直径)即能快速判断管道的安全状态。

1.一种管道凹陷缺陷的安全评价方法，包括以下步骤：

步骤1.建模

获取相关油气管道参数以及内检测数据，建立管道三维模型，模拟管道内凹陷产生过程；得到不同载荷下的初始凹陷深度值和实际凹陷深度值；

其中，初始凹陷深度为管道回弹前的凹陷深度，实际凹陷深度为管道回弹后的凹陷深度；

步骤2.计算监控阈值D₂和修复阈值D₁

定义管道的缺陷参数为：凹陷深度/管道外径；

根据韧性损伤准则计算凹陷区域的损伤程度，并定义：

当凹陷区域的损伤程度等于1时，管道回弹前的缺陷参数为监控阈值D₂，管道回弹后的缺陷参数定义为修复阈值D₁；

步骤3.修正监控阈值D₂和修复阈值D₁

模拟不同管道运行压力下的监控阈值D₂和修复阈值D₁，拟合得到缺陷参数与管道运行压力的关系式：

D₁’＝f₁(p)

D₂’＝f₂(p)

其中，D₁’和D₂’分别为修正后的修复阈值和监控阈值，p为管道运行压力值；

步骤4.根据监测值判断管道的状态

代入管道的实际运行压力，得到该实际运行压力下修正后的监控阈值D₂’和修复阈值D₁’；

当实际缺陷参数小于修正后的监控阈值D₂’，管道安全；

当实际缺陷参数小于修正后的修复阈值D₁’且大于等于修正后的监控阈值D₂’，需对管道凹陷处加以监控；

当缺陷参数大于等于修正后的修复阈值D₁’，需立即对凹陷管道进行修复。

进一步地，步骤1中的建模步骤为：

1-1.设置材料参数

将材料工程应力应变转换为真实应力应变：

σ_T＝σ(1+ε)

ε_T＝ln(1+ε)

式中：ε_T—真实应变；ε—工程应变；σ_T—真实应力，单位为MPa；σ—工程应力，单位为MPa；

1-2.建立施痕物模型和管道模型；

1-3.设置边界条件

1-4.建立分析步，包括：

1-4-1.令施痕物向下按压管道，对管道施加凹陷缺陷；

1-4-2.移除施痕物；

1-4-3.对管道内侧施加均布内压；

1-5.网格划分

1-6.模型验证。

进一步地，所述步骤2中的韧性损伤程度I的计算式为：

其中，

为等效应变，

为等效应力，σ_m为静水压力，C₁、C₂为材料常数。

进一步地，所述步骤2中，计算监控阈值D₂和修复阈值D₁时，初始凹陷深度从1％开始依次增加，分别计算管道回弹前和回弹后的最大损伤量，当回弹后的最大损伤量为1时结束计算，记录当凹陷区域的损伤程度等于1时，管道回弹前的缺陷参数为监控阈值D₂，管道回弹后的缺陷参数为修复阈值D₁。

采用本发明的安全评价方法，至少具有以下有益效果：

1.本发明在建模时考虑了凹陷的类型和尺寸，损伤量计算时考虑了材料的应力应变情况，阈值修正时考虑了管道实际运行压力，因此，本发明对管道凹陷缺陷的安全评价方法综合考虑了管道运行的各种因素，评价精度更高；

2.在实际评价过程中，对于材料固定、运行压力相同，凹陷类型相同的情况下，可以直接根据缺陷参数，即凹陷深度/管道外径来判断凹陷管道的安全程度，评价效率高；

3.本发明的安全评价方法实用性强，无需像单独使用损伤强度来评价那样，每个缺陷进行一次计算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的X80管材的应力应变曲线图；

图2是本发明实施例提供的施痕物模型图；

图3是本发明实施例提供的管道模型和施痕物模型的相对位置图；

图4是本发明实施例提供的管道凹陷产生的三个阶段示意图；

图5是本发明实施例提供的模型网格划分示意图；

图6是本发明实施例提供的数值模拟结果与真实试验结果对比图；

图7是本发明实施例提供的管道凹陷缺陷数值模拟结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

一种管道凹陷缺陷的安全评价方法：

步骤1，建模

1-1.本实施例选取API X80作为管道的用材，通过对API X80管道进行单向拉伸试验，得到X80管道材料的力学性能参数。

因在数值模拟软件中设置材料参数需要使用真实的应力应变，而拉伸实验得到的是工程应力应变曲线，所以使用如下公式将工程应力应变转换为真实应力应变：

σ_T＝σ(1+ε) (1)

ε_T＝ln(1+ε) (2)

式中：ε_T—真实应变；ε—工程应变；σ_T—真实应力，MPa；σ—工程应力，MPa。

X80管材密度为7850kg/m³，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，屈服应力为589MPa，下表即X80管材的力学性能表。

表1.管材的力学性能表

API X80管道的真实应力应变曲线如图1所示。

1-2.建立三维模型

管道凹陷产生过程的三维模型由两个部分组成：施痕物模型和管道模型。

施痕物模型选用刚体模型，产生的凹陷分为三种，分别是横向凹陷，如图2(a)所示，球形凹陷，如图2(b)所示，和轴向凹陷如图2(c)所示。由于在凹陷的形成过程中管道和施痕物模型以及载荷都有着对称性，为了减少计算量，故只建立1/4模型。管道模型和施痕物模型的相对位置如图2、图3所示。其中D表示管径，t表示壁厚。

1-3.设置边界条件

以施痕物与管道接触点所在的x-y平面为对称面，对管道模型施加沿z轴方向的对称约束；以施痕物与管道接触点所在的y-z平面为对称面，对管道模型施加沿x轴方向的对称约束；由于管道凹陷为局部大变形，不会导致管道边缘处力学行为发生变化，故对管道模型边缘处施加固结约束。

1-4.建立分析步

在实际工程中，大部分的凹陷属于非约束凹陷，即当施痕物与管道接触形成一定深度的凹陷缺陷以后，施痕物随即被移开。管道由于管体材料的弹塑性作用和内压作用下，凹陷区域产生一定程度的回弹，并在管道内压的作用下进一步回弹。

基于管道凹陷的实际形成过程，大部分的管道凹陷是在施工阶段产生的，所以以施工阶段产生的管道凹陷为研究对象，建立如下分析步：

Step 1：令施痕物向下按压管道，对管道施加凹陷缺陷，这是产生凹陷缺陷的阶段，如图4(a)所示，此时的凹陷深度为初始凹陷深度；

Step 2：移除施痕物，这是管道与施痕物分离的阶段，管道凹陷发生回弹，如图4(b)所示；

Step 3：对管道内侧施加均布内压(稳压运行阶段，凹陷继续回弹)，如图4(c)，此时为回弹后的凹陷深度。

1-5.网格划分

由于管道为实体单元，网格均选用八节点线性六面体线性减缩积分单元(C3D8R)，计算的结果比较精确，也能减少计算时间。管道模型具有18360个网格，网格划分图如图5所示。

1-6.模型验证

为了确保模型的准确性，将数值模拟结果与实验结果进行比较。管材为API X80，管径为506mm，壁厚为10mm，管长为3000mm。对管道分别施加5mm-50mm的凹陷缺陷，根据有限元计算结果，提取出不同凹陷深度下管道凹陷中心的荷载。

有限元计算数据与试验数据对比结果如图6所示，从对比结果中可以看出，两者的变化规律一致，且各个点的误差均小于10％，因此建立的有限元模型计算结果符合工程要求。

步骤2，计算计算监控阈值D₂和修复阈值D₁

定义管道的缺陷参数为：凹陷深度/管道外径；

采用Oyane韧性损伤准则来对凹陷区域的损伤程度进行判别，损伤程度的计算公式如下：

式中，

指等效应变，

指等效应力，σ_m指静水压力，C₁、C₂指材料常数。

可以通过以下方法确定材料常数C₁、C₂：

采用单向拉伸试验和平面应变拉伸试验来确定材料参数。平面应变拉伸试验选用厚度为2mm的X80管线钢试件为研究对象。

通过试验取真实应力最大时刻的应变为试样断裂时的应变，统计分析三组试验，取三组试验中试样断裂应变的平均值为最终试样在平面应变拉伸过程中的断裂应变为0.052，同理求得试样在单向拉伸时的断裂应变为0.146，其中断裂应变作为等效应变量。

塑性应变比(r)定义为试样标距内宽度方向的真实应变(ε_b)和厚度方向真实应变(ε_t)的比值。

式中b₀、b分别代表试样变形前后的宽度；t₀、t分别代表试样变形前后的厚度。为减小测量误差的影响，在均匀塑性变形阶段，根据等体积原理，将上式优化为：

由实验数据得出r＝1.54。

根据Hill屈服准则，在不考虑平面各向异性差别△r的情形下，应力三轴度

和等效应变与单向拉伸第一主应变的比

可分别简化为如下形式：

单向拉伸：

平面拉伸：

综合式3、6、7及单向拉伸和平面应变拉伸试验得到的断裂应变结果计算式(3)的材料常数。

单向拉伸：将塑性应变比r＝1.54带入式(6)，即

由实验可知，该条件下的断裂应变

同理，在平面拉伸的情况下

断裂应变

将上述两组数据带入式(3)，得到材料常数C₁＝-0.139，C₂＝0.026，从而得到APIX80管道的损伤量计算公式如下：

2-1.计算修复阈值和监控阈值

定义管道的缺陷参数为：凹陷深度/管道外径；

当凹陷区域的损伤程度等于1时，管道回弹后的缺陷参数定义为修复阈值D₁，管道回弹前的缺陷参数定义为监控阈值D₂。

利用损伤量计算公式，模拟有压管道运行期间产生凹陷缺陷并发生回弹后的工况。

本实施例中，设计压力P＝10MPa，选用球形施痕物，施痕物半径R＝10％D。凹陷初始深度从管径的1％增加开始增加，每次增加1％，模拟有压管道运行期间产生凹陷缺陷并发生回弹后的工况，当回弹后损伤量等于1时模拟停止，计算结果如表2和图7所示。

表2.球形凹陷数值模拟计算结果

由图7可以看出，随着管道凹陷缺陷实际深度的增加，管道凹陷区域的损伤量也逐渐增大。当凹陷增加到一定深度时，管道回弹后的损伤量为1，此时的缺陷参数就是管道的修复阈值D₁；管道回弹前的损伤量为1，此时的缺陷参数就是管道的监控阈值D₂，在本实施例中，D₁＝5.94％，D₂＝5.22％。

步骤3.修正监控阈值D₂和修复阈值D₁

通过对三种不同类型凹陷模拟发现，内压对于三种类型凹陷的影响规律基本相同。管道径厚比D/t＝55.2为固定值，凹陷半径R＝10％D为固定值，在不同管道内压下的管道缺陷如表3所示。

表3.不同管压状态下的管道缺陷

对监控阈值和修复阈值随内压变化曲线进行数据拟合，得到修正后的监控阈值D₂’和修复阈值D₁’与管道内压p的关系为：

D₁'＝10.877-0.273P-0.01P² (9)

D₂'＝4.374+0.564P-0.0475P² (10)

根据上述公式，对实际压力条件下的管道阈值进行修正。

步骤4.根据监测值判断管道的状态

代入管道的实际运行压力，例如P＝5MPa，得到该运行压力下修正后的监控阈值D₂’＝6.007和修复阈值D₁’＝9.262；

当实际缺陷参数小于修正后的监控阈值D₂’，管道安全；

当实际缺陷参数小于修正后的修复阈值D₁’且大于等于修正后的监控阈值D₂’，需对管道凹陷处加以监控；

当缺陷参数大于等于修正后的修复阈值D₁’，需立即对凹陷管道进行修复。

值得说明的是，对于相同材料的管道，在实际做管道凹陷的安全评价时，只需要将实际运行压力代入上述公式(9)和(10)即可得到两个管道阈值，将实测管道损伤情况与这两个管道阈值比较，即可得到管道的实际损伤情况。

采用本发明的管道凹陷缺陷的安全评价方法，综合考虑了管道材料的因素、其应力应变的情况、管道直径、管道实际运行压力等各方面的影响因素，其评价结果更加准确；并且在材料不变、管压不变、凹陷类型不变的情况下，可直接根据凹陷参数(凹陷深度/管道外径)即可判断管道的损伤情况，效率更高，精度更高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种管道凹陷缺陷的安全评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.建模

获取相关油气管道参数以及内检测数据，建立管道三维模型，模拟管道内凹陷产生过程；得到不同载荷下的初始凹陷深度值和实际凹陷深度值；

其中，初始凹陷深度为管道回弹前的凹陷深度，实际凹陷深度为管道回弹后的凹陷深度；

步骤2.计算监控阈值D₂和修复阈值D₁

定义管道的缺陷参数为：凹陷深度/管道外径；

根据韧性损伤准则计算凹陷区域的损伤程度，并定义：

当凹陷区域的损伤程度等于1时，管道回弹前的缺陷参数为监控阈值D₂，管道回弹后的缺陷参数定义为修复阈值D₁；

步骤3.修正监控阈值D₂和修复阈值D₁

模拟不同管道运行压力下的监控阈值D₂和修复阈值D₁，拟合得到缺陷参数与管道运行压力的关系式：

D₁’＝f₁(p)

D₂’＝f₂(p)

其中，D₁’和D₂’分别为修正后的修复阈值和监控阈值，p为管道运行压力值；

步骤4.根据监测值判断管道的状态

代入管道的实际运行压力，得到该实际运行压力下修正后的监控阈值D₂’和修复阈值D₁’；

当实际缺陷参数小于修正后的监控阈值D₂’，管道安全；

当实际缺陷参数小于修正后的修复阈值D₁’且大于等于修正后的监控阈值D₂’，需对管道凹陷处加以监控；

当缺陷参数大于等于修正后的修复阈值D₁’，需立即对凹陷管道进行修复。

2.如权利要求1所述的一种管道凹陷缺陷的安全评价方法，其特征在于，所述步骤1中的建模步骤为：

1-1.设置材料参数

将材料工程应力应变转换为真实应力应变：

σ_T＝σ(1+ε)

ε_T＝ln(1+ε)

式中：ε_T—真实应变；ε—工程应变；σ_T—真实应力，单位为MPa；σ—工程应力，单位为MPa；

1-2.建立施痕物模型和管道模型；

1-3.设置边界条件；

1-4.建立分析步，包括：

1-4-1.令施痕物向下按压管道，对管道施加凹陷缺陷；

1-4-2.移除施痕物；

1-4-3.对管道内侧施加均布内压；

1-5.网格划分；

1-6.模型验证。

3.如权利要求1所述的一种管道凹陷缺陷的安全评价方法，其特征在于，所述步骤2中的韧性损伤程度I的计算式为：

其中，

为等效应变，

为等效应力，σ_m为静水压力，C₁、C₂为材料常数。

4.权利要求1所述的一种管道凹陷缺陷的安全评价方法，其特征在于，所述步骤2中，计算监控阈值D₂和修复阈值D₁时，初始凹陷深度从1％开始依次增加，分别计算管道回弹前和回弹后的最大损伤量，当回弹后的最大损伤量为1时结束计算，记录当凹陷区域的损伤程度等于1时，管道回弹前的缺陷参数为监控阈值D₂，管道回弹后的缺陷参数为修复阈值D₁。

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