CN112629716B - 一种酸气管道应力安全状况的评估方法 - Google Patents

一种酸气管道应力安全状况的评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种酸气管道应力安全状况的评估方法，包括：现场勘探测量；建立管道力学模型，并进行有限元分析，得到管道各截面轴向应力值和环向应力值，选取若干个截面，在所述截面上选择轴向测量点和环向测量点；对所述轴向测量点和所述环向测量点进行矫顽力测量，分别得到纵向矫顽力值和横向矫顽力值；当所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势一致，且所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势一致时，采用所述管道力学模型和实测矫顽力值对管道应力安全状况进行评估，否则返回修正所述管道力学模型，重复后续步骤。采用本发明对已变形的管道进行应力安全状况评估，既不用损坏管道，又能快速准确掌握其应力状况。

Description

一种酸气管道应力安全状况的评估方法
技术领域
本发明涉及管道应力分析评估技术领域，特别涉及一种酸气管道应力安全状况的评估方法。
背景技术
含硫天然气田投产后，发现酸气管道隧道内管墩发生多处侧向移动，同时管道产生差异性位移。这是由于在管道施工过程中管道会受到设计压力、操作压力等的影响，投产后，管道还会受到温度和内压的影响。另外，酸气管道内液化形成的酸性液体易在管道低洼处汇聚，腐蚀管材减薄管道壁厚，降低管材强度并产生应力集中点，长期作用下将产生局部腐蚀开裂，造成气体泄漏等严重后果。因此，掌握酸气管道应力安全状况在实际应用中具有十分重要的作用。
目前现有技术中获取管道应力状况有两种方法：
方法一：在管道发生变形前安装应变片，通过管道变形，应变片随管道也发生变形，根据应变片电阻值的变化来反映管道所受应力的变化，但是仅对发生变形前的管道适用，已发生变形的管道不能使用该方法；
方法二：有损法应力测量，其原理是将具有残余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释放，通过测量部件应变的变化来求出残余应力，其缺点是会对管道造成一定的损伤或破坏。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的对已经发生变形的管道需要损坏管道才能掌握管道应力状况的问题，提供一种酸气管道应力安全状况的评估方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种酸气管道应力安全状况的评估方法，包括以下步骤：
步骤一：进行现场勘探测量；
步骤二：建立管道力学模型，并进行有限元分析，得到管道各截面轴向应力值和环向应力值的数值模拟结果，沿管道轴向方向选取若干个截面，选择每个截面上最大轴向应力值和最大环向应力值所在的点位，分别作为轴向测量点和环向测量点；
步骤三：对所述步骤二中选择的轴向测量点进行矫顽力测量，测量的方式为探头平行于管道轴向方向，得到每个轴向测量点的纵向矫顽力值；
对所述步骤二中选择的环向测量点进行矫顽力测量，测量的方式为探头垂直于管道轴向方向，得到每个环向测量点的横向矫顽力值；
步骤四：将所述步骤二中得到的各个轴向测量点的所述轴向应力值的变化趋势，与所述步骤三中得到的各个轴向测量点的所述纵向矫顽力值的变化趋势进行对比，将所述步骤二中得到的各个环向测量点的所述环向应力值的变化趋势，与所述步骤三中得到的各个环向测量点的所述横向矫顽力值的变化趋势进行对比；
步骤五：当所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势一致，并且所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势一致时，采用所述管道力学模型和实测矫顽力值对管道应力安全状况进行评估；当所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势不一致，或者所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势不一致时，返回所述步骤二修正所述管道力学模型，并重复所述步骤三至所述步骤五。
本发明所述的酸气管道应力安全状况的评估方法通过有限元分析与磁滞评估法相结合，将所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势进行对比，将所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势进行对比，当所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势一致，并且所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势一致时，说明所述管道力学模型与管道真实情况接近，从而采用所述管道力学模型和实测矫顽力值对管道应力安全状况进行评估，所述实测矫顽力值是指所述步骤三中所述纵向矫顽力值和所述横向矫顽力值；当所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势不一致，或者所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势不一致时，返回所述步骤二修正所述管道力学模型，通过修正使得所述管道力学模型与管道真实情况更加接近。
所述磁滞评估法的基本原理为：材料的磁滞行为对材料的微观结构和应力应变状态非常敏感，组织、位错密度和晶粒尺寸等微观结构对磁滞参数都会有一定的影响。不同的组织对应的磁滞回线的形状是不同的；位错密度越大、晶粒越细小，磁滞回线越宽，矫顽力值越大。应力对矫顽力的影响，随着载荷的增大，磁滞参数矫顽力也逐渐增大，而且，与材料的机械性能一样，只要成分和工艺确定后，材料初始时的矫顽力、屈服时的矫顽力以及断裂时的矫顽力也是材料的固有属性，因此可以通过测量材料的磁滞参数，来表征材料的机械性能和应力应变状况。
所述步骤二中，沿管道轴向方向选取若干个截面，选取这些截面是根据管道各截面轴向应力值和环向应力值的数值模拟结果以及发明人在本技术领域的经验，选择轴向应力值和环向应力值均较大的截面，比如所述当量应力值大于0.45倍管道屈服强度。
所述步骤五中，所述变化趋势一致是指当所述轴向应力值上升、下降或者不变时，所述纵向矫顽力值也相应地上升、下降或者不变，当所述环向应力值上升、下降或者不变时，所述横向矫顽力值也相应地上升、下降或者不变，整体走势保持一致。其中，在整体走势保持基本一致的情况下，允许存在一定的误差，但是误差值小于或等于10％。
优选的，现场勘探测量的数据包括酸气管道上若干个截面的管道变形位移量，所述管道变形位移量包括X方向、Y方向、Z方向的位移量以及角位移量。所述角位移量是指所述管道发生转动或扭动的角度变化量。
优选的，所述步骤二中根据所述步骤一中测量得到的所述管道变形位移量，并施加边界条件，来建立管道力学模型
优选的，所述边界条件包括惯性边界条件、载荷类型边界条件和位移约束。
优选的，所述步骤五中，修正所述管道力学模型包括修正所述边界条件。通过修正所述边界条件，使得所述管道力学模型与管道真实情况逐渐接近，当满足所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势一致，并且所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势一致时，则认为所述管道力学模型能够代表所述管道真实情况，从而采用所述管道力学模型和实测矫顽力值对管道应力安全状况进行评估。
优选的，所述步骤二中，建立所述管道力学模型时，选择采用PIPE16单元模拟隧道穿越管道直管段，采用PIPE18单元模拟隧道穿越管道弯管段，采用COMBIN14模拟土壤约束。
优选的，所述步骤五中，当所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势一致，以及所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势一致时，根据所述步骤一中得到的所述轴向测量点的所述轴向应力值和环向应力值，计算出所述轴向测量点的当量应力值，根据所述步骤一中得到的所述环向测量点的所述轴向应力值和环向应力值，计算出所述环向测量点的当量应力值，当所述轴向测量点的当量应力值或所述环向测量点的当量应力值大于0.9倍管道屈服强度时，判定管道应力安全状况为危险状态。所述当量应力值是根据第三强度理论计算得到的。
优选的，当所述步骤三中的所述纵向矫顽力值大于管道材料初始矫顽力值的2倍时，判定管道应力安全状况为警戒状态。
优选的，所述步骤二中，建立管道力学模型以及进行有限元分析采用的软件为ANSYS软件。通过所述ANSYS软件能够实现建立所述管道模型并进行有限元分析。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明所述的酸气管道应力安全状况的评估方法通过有限元分析与磁滞评估法相结合，克服了现有技术中存在的对已经发生变形的管道需要损坏管道才能掌握管道应力状况的问题，达到既不损坏管道，又能快速准确地对管道应力安全状况进行评估的目的。
附图说明：
图1为本发明所述的酸气管道应力安全状况的评估方法的流程图；
图2为本发明测量所述纵向矫顽力值的示意图；
图3为本发明测量所述横向矫顽力值的示意图；
图4为本发明所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势对比图；
图5为本发明所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势对比图；
图6为本发明所述不同的组织对矫顽力值的影响图；
图7为本发明所述不同位错密度对矫顽力值的影响图；
图8为本发明所述不同晶粒尺寸对矫顽力值的影响图；
图9为本发明所述轴向应力值与所述纵向矫顽力值的对应关系，所述环向应力值与所述横向矫顽力值的对应关系图；
图10为本发明所述应力值与矫顽力值的对应关系图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种酸气管道应力安全状况的评估方法，包括以下步骤：
步骤一：进行现场勘探测量，测量的数据包括酸气管道上若干个截面的管道变形位移量，所述管道变形位移量包括X方向、Y方向、Z方向的位移量以及角位移量，所述角位移量是指所述管道发生转动或扭动的角度变化量；
所述步骤一中，由于隧道内的管道设有支架进行支撑，支架处管道的变形量通常比较大，因此测量的位置往往选择管道上装有支架处，并且每个支架的间距相同，对后续涉及计算的步骤也较为方便；
步骤二：建立管道力学模型，并进行有限元分析，得到管道各截面轴向应力值和环向应力值的数值模拟结果，沿管道轴向方向选取若干个截面，选择每个截面上最大轴向应力值和最大环向应力值所在的点位，分别作为轴向测量点和环向测量点；
所述步骤二中，所述管道力学模型是根据所述管道变形位移量、管道实际结构参数以及边界条件建立的，所述管道实际结构参数包括管道的长度、壁厚、直径等，所述边界条件包括惯性边界条件、载荷类型边界条件和位移约束；
所述步骤二中，建立管道力学模型以及进行有限元分析采用的软件为ANSYS软件，并且选择采用PIPE16单元模拟隧道穿越管道直管段，采用PIPE18单元模拟隧道穿越管道弯管段，采用COMBIN14模拟土壤约束；
所述步骤二中，沿管道轴向方向选取若干个截面，选取这些截面是根据管道各截面轴向应力值和环向应力值的数值模拟结果以及发明人在本技术领域的经验，选择轴向应力值和环向应力值均较大的截面，比如所述当量应力值大于0.45倍管道屈服强度；
步骤三：如图3-图4所示，对所述步骤二中选择的轴向测量点进行矫顽力测量，测量的方式为探头平行于管道轴向方向，得到每个轴向测量点的纵向矫顽力值；
对所述步骤二中选择的环向测量点进行矫顽力测量，测量的方式为探头垂直于管道轴向方向，得到每个环向测量点的横向矫顽力值；
所述步骤三中，进行矫顽力测量所使用的设备是乌克兰特殊科学工程公司研发的单参数磁滞无损评估设备；
步骤四：将所述步骤二中得到的各个轴向测量点的所述轴向应力值的变化趋势，与所述步骤三中得到的各个轴向测量点的所述纵向矫顽力值的变化趋势进行对比，将所述步骤二中得到的各个环向测量点的所述环向应力值的变化趋势，与所述步骤三中得到的各个环向测量点的所述横向矫顽力值的变化趋势进行对比；
步骤五：当所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势一致，并且所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势一致时，采用所述管道力学模型和实测矫顽力值对管道应力安全状况进行评估；当所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势不一致，或者所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势不一致时，返回所述步骤二修正所述管道力学模型，并重复所述步骤三至所述步骤五。
如图4-图5所示，所述步骤五中，所述变化趋势一致是指当所述轴向应力值上升、下降或者不变时，所述纵向矫顽力值也相应地上升、下降或者不变，当所述轴向应力值上升、下降或者不变时，所述纵向矫顽力值也相应地上升、下降或者不变，整体走势保持一致。其中，在整体走势保持基本一致的情况下，允许存在一定的误差，但是误差值小于或等于10％。图4和图5的横坐标为选择的截面所在的支架编号，由于实际隧道内某支架处的管道可能不便测量，于是选择偏移一定距离后再进行测量，如9-10号支架，指的是选择9号支架和10号支架之间的中点进行测量。
所述步骤五中，修正所述管道力学模型包括修正所述边界条件。通过修正所述边界条件，使得所述管道力学模型与管道真实情况逐渐接近，当满足所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势一致，并且所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势一致时，则认为所述管道力学模型能够代表所述管道真实情况，从而采用所述管道力学模型和实测矫顽力值对管道应力安全状况进行评估。
当所述步骤三中的所述纵向矫顽力值大于管道材料初始矫顽力值的2倍时，判定管道应力安全状况为警戒状态。
所述步骤五中，当所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势一致，以及所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势一致时，由所述步骤一中得到的所述轴向测量点的所述轴向应力值和环向应力值，根据第三强度理论计算出所述轴向测量点的当量应力值，由所述步骤一中得到的所述环向测量点的所述轴向应力值和环向应力值，根据第三强度理论计算出所述环向测量点的当量应力值，当所述轴向测量点的当量应力值或所述环向测量点的当量应力值大于0.9倍管道屈服强度时，判定管道应力安全状况为危险状态。
本发明所述的酸气管道应力安全状况的评估方法通过有限元分析与磁滞评估法相结合，将所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势进行对比，将所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势进行对比，当所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势一致，并且所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势一致时，说明所述管道力学模型与管道真实情况接近，从而采用所述管道力学模型和实测矫顽力值对管道应力安全状况进行评估，所述实测矫顽力值是指所述步骤三中所述纵向矫顽力值和所述横向矫顽力值；当所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势不一致，或者所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势不一致时，返回所述步骤二修正所述管道力学模型，通过修正使得所述管道力学模型与管道真实情况更加接近。
所述磁滞评估法的基本原理为：如图6-8所示，材料的磁滞行为对材料的微观结构和应力应变状态非常敏感，组织、位错密度和晶粒尺寸等微观结构对磁滞参数都会有一定的影响。不同的组织对应的磁滞回线的形状是不同的，图6展示的是铁素体和马氏体对应的磁滞回线，图6显示所述马氏体对应的磁滞回线比所述铁素体对应的磁滞回线宽，故所述马氏体的矫顽力值比所述铁素体的矫顽力值大；图7中ρd为位错密度，Hc为矫顽力值，dg为晶粒直径，
Figure BDA0002213364320000101
是指所述矫顽力值Hc与所述位错密度ρd成正比，故所述位错密度越大，磁滞回线越宽，所述矫顽力值越大；图8中dg为晶粒直径，Hc为矫顽力值，ρd为位错密度，c1和c2为两个常系数，
Figure BDA0002213364320000102
是指所述矫顽力值Hc与所述晶粒直径dg成反比，故晶粒越细小，磁滞回线越宽，所述矫顽力值越大。如图9所示，应力对矫顽力的影响，随着载荷的增大，磁滞参数矫顽力也逐渐增大，而且，与材料的机械性能一样，只要成分和工艺确定后，材料初始时的矫顽力、屈服时的矫顽力以及断裂时的矫顽力也是材料的固有属性，因此可以通过测量材料的磁滞参数，来表征材料的机械性能和应力应变状况。图9中所述试样1-平行是指试样1的轴向应力值与纵向矫顽力值的对应关系，所述试样1-垂直是指试样1的环向应力值与横向矫顽力值的对应关系，所述试样2-平行是指试样2的轴向应力值与纵向矫顽力值的对应关系，所述试样2-垂直是指试样2的环向应力值与横向矫顽力值的对应关系。
如图10所示，所述步骤五，采用所述管道力学模型和实测矫顽力值对管道应力安全状况进行评估之后，开展了对X80材质的应力量化评级试验，根据所述轴向应力值与所述纵向矫顽力值的对应关系，以及所述环向应力值与所述横向矫顽力值的对应关系，绘制了应力值与矫顽力值的关系图，并划分了三种状态，所述三种状态分别为：安全状态、警戒状态和危险状态。当当量应力值大于0.9倍管道屈服强度时，判定为危险状态；当纵向矫顽力值大于2倍材料初始矫顽力值，且当量应力值小于或等于0.9倍管道屈服强度时，判定为警戒状态；当纵向矫顽力值小于或等于2倍材料初始矫顽力值，且当量应力值小于或等于0.9倍管道屈服强度时，判定为安全状态。根据所述应力值与矫顽力值的关系图，对所述X80材质而言，若测得某处纵向矫顽力值，即可对应所述关系图得到该处轴向应力值，若测得该处横向矫顽力值，即可对应所述关系图得到该处环向应力值，从而直接对该处管道应力安全状况进行评估。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种酸气管道应力安全状况的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：进行现场勘探测量；
步骤二：建立管道力学模型，并进行有限元分析，得到管道各截面轴向应力值和环向应力值的数值模拟结果，沿管道轴向方向选取若干个截面，选择每个截面上最大轴向应力值和最大环向应力值所在的点位，分别作为轴向测量点和环向测量点；
步骤三：对所述步骤二中选择的轴向测量点进行矫顽力测量，测量的方式为探头平行于管道轴向方向，得到每个轴向测量点的纵向矫顽力值；
对所述步骤二中选择的环向测量点进行矫顽力测量，测量的方式为探头垂直于管道轴向方向，得到每个环向测量点的横向矫顽力值；
步骤四：将所述步骤二中得到的各个轴向测量点的所述轴向应力值的变化趋势，与所述步骤三中得到的各个轴向测量点的所述纵向矫顽力值的变化趋势进行对比，将所述步骤二中得到的各个环向测量点的所述环向应力值的变化趋势，与所述步骤三中得到的各个环向测量点的所述横向矫顽力值的变化趋势进行对比；
步骤五：当所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势一致，并且所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势一致时，采用所述管道力学模型和实测矫顽力值对管道应力安全状况进行评估，根据所述步骤一中得到的所述轴向测量点的所述轴向应力值和环向应力值，计算出所述轴向测量点的当量应力值，根据所述步骤一中得到的所述环向测量点的所述轴向应力值和环向应力值，计算出所述环向测量点的当量应力值，当所述轴向测量点的当量应力值或所述环向测量点的当量应力值大于0.9倍管道屈服强度时，判定管道应力安全状况为危险状态；当所述轴向应力值的变化趋势与所述纵向矫顽力值的变化趋势不一致，或者所述环向应力值的变化趋势与所述横向矫顽力值的变化趋势不一致时，返回所述步骤二修正所述管道力学模型，并重复所述步骤三至所述步骤五。
2.根据权利要求1所述的一种酸气管道应力安全状况的评估方法，其特征在于，所述步骤一中，现场勘探测量的数据包括酸气管道上若干个截面的管道变形位移量，所述管道变形位移量包括X方向、Y方向、Z方向的位移量以及角位移量。
3.根据权利要求2所述的一种酸气管道应力安全状况的评估方法，其特征在于，所述步骤二中根据所述步骤一中测量得到的所述管道变形位移量，并施加边界条件，来建立管道力学模型。
4.根据权利要求3所述的一种酸气管道应力安全状况的评估方法，其特征在于，所述步骤二中，所述边界条件包括惯性边界条件、载荷类型边界条件和位移约束。
5.根据权利要求4所述的一种酸气管道应力安全状况的评估方法，其特征在于，所述步骤五中，修正所述管道力学模型包括修正所述边界条件。
6.根据权利要求1所述的一种酸气管道应力安全状况的评估方法，其特征在于，所述步骤二中，建立所述管道力学模型时，选择采用PIPE16单元模拟隧道穿越管道直管段，采用PIPE18单元模拟隧道穿越管道弯管段，采用COMBIN14模拟土壤约束。
7.根据权利要求1所述的一种酸气管道应力安全状况的评估方法，其特征在于，当所述步骤三中的所述纵向矫顽力值大于管道材料初始矫顽力值的2倍时，判定管道应力安全状况为警戒状态。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种酸气管道应力安全状况的评估方法，其特征在于，所述步骤二中，建立管道力学模型以及进行有限元分析采用的软件为ANSYS软件。
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