CN112780849A - 具有内过渡段的不等壁厚管道及设计方法 - Google Patents

具有内过渡段的不等壁厚管道及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于油气输送管道技术领域，具体涉及一种具有内过渡段的不等壁厚管道及设计方法。本发明旨在解决外径相等且内径不等的两条管道的焊缝处轴向应力大的问题。本发明的具有内过渡段的不等壁厚管道及设计方法，包括第一管道和第二管道，第一管道和第二管道的外径相等；第二管道包括沿背离第一管道的方向依次设置的第一管段、多个过渡管段以及第二管段，第一管段的内径等于第一管道的内径，第一管段背离第二管段的末端与第一管道的末端焊接；第二管段的内径小于第一管道的内径；多个过渡管段的内壁位于不同的面内，每一过渡管段的内径由第一管段至第二管段逐渐减小。输送管道的厚度变化位置远离焊缝，管道内壁过渡平缓，降低了焊缝处的应力集中。

Description

具有内过渡段的不等壁厚管道及设计方法
技术领域
本发明实施例涉及油气输送管道技术领域，尤其涉及一种具有内过渡段的不等壁厚管道及设计方法。
背景技术
石油、天然气主要通过管道进行输送，管道输送具有输送效率高、输送量大、可持续输送等优点，在促进国家经济发展方面发挥着极其重要的作用。
为满足强度和安全性的设计要求，输送管道需要改变壁厚以适应地区等级变化、道路等级变化、地面过渡、道路交叉、穿越道路或者输气站阀室等情况。在壁厚变化处，输送管道包括第一管道和第二管道，第一管道和第二管道的外径相等且内径不等；连接时，将第一管道和第二管道焊接，之后在焊接的位置形成焊缝，以连接第一管道和第二管道。
然而，相关技术中，焊缝处输送管道的厚度发生变化，在输送管道受力时，焊缝处产生较大的轴向应力集中，进而导致焊缝断裂失效，导致所输送的石油或天然气泄漏。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种具有内过渡段的不等壁厚管道及设计方法，以解决外径相等且内径不等的两条管道的焊缝处轴向应力大的技术问题。
本发明实施例提供了一种具有内过渡段的不等壁厚管道，包括第一管道以及与第一管道焊接的第二管道，第一管道和第二管道的外径相等，第一管道的中心线和第二管道的中心线共线；第二管道包括沿背离第一管道的方向依次设置的第一管段、多个过渡管段以及第二管段，第一管段的内径等于第一管道的内径，第一管段背离第二管段的末端与第一管道的末端焊接；第二管段的内径小于第一管道的内径；多个过渡管段的内壁位于不同的面内，且每一过渡管段的内径由第一管段至第二管段逐渐减小。
在可以包括上述实施例的一些实施例中，在平行于第二管道中心线的截面中，过渡管段内壁对应的侧壁线条为曲线，且相邻过渡管段的内壁之间相切。
在可以包括上述实施例的一些实施例中，靠近第一管段的过渡管段内壁与第一管段的内壁相切，靠近第二管段的过渡管段内壁与第二管段的内壁相切。
在可以包括上述实施例的一些实施例中，在平行于第二管道中心线的截面中，过渡管段内壁对应的侧壁线条为弧线，每一过渡管段对应的弧线半径相等。
在可以包括上述实施例的一些实施例中，在平行于第二管道中心线的截面中，过渡管段内壁对应的侧壁线条为直线，由第一管段至第二管段的方向过渡管段对应的直线与第二管段中心线之间的夹角逐渐减小。
本发明实施例还提供了一种具有内过渡段的不等壁厚管道及设计方法，不等壁厚管道包括第一管道以及与第一管道焊接的第二管道，第一管道和第二管道的外径相等，第一管道的中心线和第二管道的中心线共线；
第二管道包括沿背离第一管道的方向依次设置的第一管段、第一过渡管段、第二过渡管段以及第二管段，第一管段的内径等于第一管道的内径，第一管段背离第二管段的末端与第一管道的末端焊接；第二管段的内径小于第一管道的内径；在第二管道中心线所在的截面中，第一过渡管段和第二过渡管段内壁对应的侧壁线条为弧线，第一过渡管段和第二过渡管段对应的弧线的半径r和圆心角均相等；第一过渡管段内壁与第一管段的内壁相切，第二过渡管段内壁与第二管段的内壁相切，第一过渡管段和第二过渡管段内壁相切；
第一管段沿第二管道中心线方向的长度L0的确定方法包括：
获取等壁厚管道焊缝处的最大应力值，等壁厚管道包括焊接的预设第一管道和预设第二管道，预设第一管道和预设第二管道的壁厚相等；
获取不等壁厚管道焊缝处的最大应力值；
获取不同r对应的L0和应力集中系数图像，确定实际r和实际应力集中系数，根据实际r和实际应力集中系数，确定实际L0；其中，应力集中系数为不等壁厚管道焊缝处的最大应力值与等壁厚管道焊缝处的最大应力值之比。
在可以包括上述实施例的一些实施例中，获取不同r对应的多个L0和应力集中系数图像，在多个L0和应力集中系数图像中，确定实际r和实际应力集中系数，根据实际r和实际应力集中系数，确定实际L0。
在可以包括上述实施例的一些实施例中，获取不同r对应的多个L0和应力集中系数图像，将不同r对应的多个L0和应力集中系数图像转换成不同应力集中系数对应的多个L0和r图像，在多个L0和r图像中，确定实际r和实际应力集中系数，根据实际r和实际应力集中系数，确定实际L0。
在可以包括上述实施例的一些实施例中，获取不同r对应的多个L0和应力集中系数图像，将不同r对应的多个L0和应力集中系数图像转换成不同应力集中系数对应的多个L0和r图像，根据坡口机镗孔能力确定实际r，根据实际r和实际应力集中系数，在不同应力集中系数对应的多个L0和r图像中确定实际L0。
本发明实施例提供的具有内过渡段的不等壁厚管道及设计方法，第一管段与第一管道的内径相等，第一管段背离第二管段的末端与第一管道的末端焊接，使焊缝处的输送管道内壁过渡平缓，降低了焊缝处的轴向应力集中。输送管道的管壁厚度变化位置位于第一管段与第二管段之间，使输送管道的厚度变化位置远离焊缝。多个过渡管段使第一管段与第二管段内壁之间的过渡更加平缓，进一步降低了焊缝处的轴向应力集中，避免了输送管道在焊缝处因较大应力集中而发生断裂，增加了石油或者天然气运输的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例提供的输送管道中的管壁的剖视图一；
图2为本发明实施例提供的输送管道中的管壁的剖视图二；
图3为本发明实施例提供的具有内过渡段的不等壁厚管道的设计方法的流程图；
图4为以L0为横坐标、SCF为纵坐标，不同r对应的多条第一曲线；
图5为以L0为横坐标、r为纵坐标，不同SCF对应的多条第二曲线。
附图标记说明：
10、第一管道；
20、第二管道；
30、焊缝；
201、第一管段；
202、第二管段；
203、过渡管段。
具体实施方式
首先，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。
其次，需要说明的是，在本发明实施例的描述中，术语“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或构件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
石油、天然气主要通过管道进行输送，管道输送具有输送效率高、输送量大、可持续输送等优点，在促进国家经济发展方面发挥着极其重要的作用。
为满足强度和安全性的设计要求，输送管道需要改变壁厚以适应地区等级变化、道路等级变化、地面过渡、道路交叉、穿越道路或者输气站阀室等情况。在壁厚变化处，输送管道包括第一管道和第二管道，第一管道和第二管道的外径相等且内径不等；连接时，将第一管道和第二管道焊接，之后在焊接的位置形成焊缝，以连接第一管道和第二管道。
然而，相关技术中，焊缝处输送管道的厚度发生变化，焊缝处的输送管道内壁呈现明显的不圆滑过渡形貌，导致在输送管道受力时，焊缝处产生较大的轴向应力集中，进而导致焊缝断裂失效，导致所输送的石油或天然气泄漏。
本实施例提供一种具有内过渡段的不等壁厚管道及设计方法，通过使输送管道的厚度变化位置远离焊缝，使焊缝处的输送管道内壁过渡平缓，进而降低焊缝处的应力集中，避免了输送管道在焊缝处因较大应力集中而发生断裂，增加了石油或者天然气运输的安全性。
如图1和图2所示，本实施例提供一种输送管道，包括第一管道10以及与第一管道10焊接的第二管道20，第一管道10和第二管道20的外径相等，第一管道10的中心线和第二管道20的中心线共线。
第二管道20包括沿背离第一管道10的方向依次设置的第一管段201、多个过渡管段203以及第二管段202，第一管段201的内径等于第一管道10的内径，第一管段201背离第二管段202的末端与第一管道10的末端焊接；第二管段202的内径小于第一管道10的内径；多个过渡管段203的内壁位于不同的面内，且每一过渡管段203的内径由第一管段201至第二管段202逐渐减小。第一管段201、过渡管段203以及第二管段202可以为一体结构。
第二管段202的内壁的延长面与第一管段201以及多个过渡管段203的内壁之间具有环形缺口，该环形缺口可以通过坡口机加工而成。
本实施例中的输送管道，第一管段201与第一管道10的内径相等，第一管段201背离第二管段202的末端与第一管道10的末端焊接，使焊缝30处的输送管道内壁过渡平缓，降低了焊缝30处的轴向应力集中。输送管道的管壁厚度变化位置位于第一管段201与第二管段202之间，使输送管道的厚度变化位置远离焊缝30。多个过渡管段203使第一管段201与第二管段202内壁之间的过渡更加平缓，进一步降低了焊缝30处的轴向应力集中，避免了输送管道在焊缝30处因较大应力集中而发生断裂，增加了石油或者天然气运输的安全性。
继续参照图1，在一些实施例中，在平行于第二管道20中心线的截面中，过渡管段203内壁对应的侧壁线条为曲线，且相邻过渡管段203的内壁之间相切。
曲线可以包括抛物线。多个过渡管段203内壁对应的侧壁线条经旋转后可以完全重合，也可以不完全重合。相邻的过渡管段203的内壁之间相切，从而使相邻的过渡管段203内壁之间的过渡更加平缓，进一步降低了焊缝30处的轴向应力集中，避免了输送管道在焊缝30处因较大应力集中而发生断裂，增加了石油或者天然气运输的安全性。
在一些实施例中，靠近第一管段201的过渡管段203内壁与第一管段201的内壁相切，靠近第二管段202的过渡管段203内壁与第二管段202的内壁相切。
过渡管段203的数量为偶数，相邻的过渡管段203之间相切，并且靠近第一管段201的过渡管段203内壁与第一管段201的内壁相切，靠近第二管段202的过渡管段203内壁与第二管段202的内壁相切，从而使从第一管段201的内壁到第二管段202的内壁之间的过渡更加平缓，进一步降低了焊缝30处的轴向应力集中，避免了输送管道在焊缝30处因较大应力集中而发生断裂，增加了石油或者天然气运输的安全性。
在一些实施例中，在平行于第二管道20中心线的截面中，过渡管段203内壁对应的侧壁线条为弧线，每一过渡管段203对应的弧线半径相等。
每一过渡管段203对应的弧线的圆心角可以相等。
本实施例中，第一管段201与第二管段202之间通过弧面过渡，使从第一管段201的内壁到第二管段202的内壁之间的过渡更加平缓，进一步降低了焊缝30处的轴向应力集中，避免了输送管道在焊缝30处因较大应力集中而发生断裂，增加了石油或者天然气运输的安全性。
继续参照图2，在一些实施例中，在平行于第二管道20中心线的截面中，过渡管段203内壁对应的侧壁线条为直线，由第一管段201至第二管段202的方向过渡管段203对应的直线与第二管段202中心线之间的夹角逐渐减小。
本实施例中，从第一管段201的内壁到第二管段202的内壁之间的过渡更加平缓，进一步降低了焊缝30处的轴向应力集中，避免了输送管道在焊缝30处因较大应力集中而发生断裂，增加了石油或者天然气运输的安全性。
如图3所示，本申请实施例还提供一种具有内过渡段的不等壁厚管道的设计方法，不等壁厚管道包括第一管道10以及与第一管道10焊接的第二管道20，第一管道10和第二管道20的外径相等，第一管道10的中心线和第二管道20的中心线共线；
第二管道20包括沿背离第一管道10的方向依次设置的第一管段201、第一过渡管段、第二过渡管段以及第二管段202，第一管段201的内径等于第一管道10的内径，第一管段201背离第二管段202的末端与第一管道10的末端焊接；第二管段202的内径小于第一管道10的内径；在第二管道20中心线所在的截面中，第一过渡管段和第二过渡管段内壁对应的侧壁线条为弧线，第一过渡管段和第二过渡管段对应的弧线的半径r和圆心角均相等；第一过渡管段内壁与第一管段201的内壁相切，第二过渡管段内壁与第二管段202的内壁相切，第一过渡管段和第二过渡管段内壁相切。
具有内过渡段的不等壁厚管道的设计方法包括如下步骤：
步骤S101、获取等壁厚管道焊缝30处的最大应力值，等壁厚管道包括焊接的预设第一管道10和预设第二管道20，预设第一管道10和预设第二管道20的壁厚相等。
预设第一管道10和预设第二管道20的外径相等，且预设第一管道10和预设第二管道20的中心线共线。预设第一管道10和预设第二管道20的壁厚可以等于第一管道10的壁厚，也可以等于第二管段202的壁厚。
步骤S102、获取不等壁厚管道焊缝30处的最大应力值。
不同r和L0的组合对应的焊缝30处的最大应力值不同，在r和L0都唯一确定时，不等壁厚管道焊缝30处的最大应力值也唯一确定。
步骤S103、获取不同r对应的L0和应力集中系数(SCF)图像，确定实际r和实际应力集中系数，根据实际r和实际应力集中系数，确定实际L0。
其中，应力集中系数为不等壁厚管道焊缝30处的最大应力值与等壁厚管道焊缝处的最大应力值之比。
获取不同r对应的多个L0和应力集中系数图像(如图4所示)，将不同r对应的多个L0和应力集中系数图像转换成不同应力集中系数对应的多个L0和r图像(如图5所示)，转换方法可以包括：从不同r对应的多个L0和应力集中系数图像中，选取相同应力集中系数对应的多个点的L0和r，将这多个点的L0和r投在以L0为横坐标、r为纵坐标的坐标系中，并拟合成曲线。根据坡口机镗孔能力确定实际r，根据工程需要确定实际应力集中系数，根据实际r和实际应力集中系数，在不同应力集中系数对应的多个L0和r图像中确定实际L0。
获取不同r对应的L0和应力集中系数图像大方法包括但不限于如下方法：确定不等壁厚管道的已知几何参数，设定不等壁厚管道的未知几何参数。
已知几何参数包括第一管道10的外径、第一管道10的壁厚t1、第二管段202的壁厚t2。
未知几何参数包括L0、r以及第一管段201和第三管段沿第二管道20中心线方向的总长度L。
根据已知几何参数和未知几何参数，建立具有内过渡段的不等壁厚管道焊接接头的有限元数值仿真模型。
有限元数值仿真模型可以通过有限元数值仿真软件建立，有限元数值仿真软件可以包括ABAQUS或ANSYS等。将已知几何参数的数值以及未知几何参数的设定值输入有限元数值仿真软件，以建立焊接接头的有限元数值仿真模型。
进一步地，L0的设定值可以在0～100mm之间取值，不包括0mm。
确定焊缝30应力集中的评价依据。评价依据可以包括应力、应力强度因子、应力集中系数、应变、弯曲应变、裂纹张开位移以及J积分。
根据评价依据，获取未知几何参数与评价依据的关系曲线图；
示例性的，以SCF为评价依据，SCF为不等壁厚管道焊缝30处的最大应力值与等壁厚管道焊缝30处的最大应力值之比。第一管道10和第二管道20的外径可以为1016mm，第一管道10的壁厚可以为15.9mm，第二管道20的壁厚可以为17.5mm，在ABAQUS软件中，对第一管道10远离第二管道20的一端，或第二管道20远离第一管道10的一端施加300Mpa的轴向拉力模拟管道的受力状态，获取不同L0和r组合下的SCF数值。根据L0、r以及SCF的数值，确定以L0为横坐标、SCF为纵坐标，不同r对应的多条第一曲线，如图4所示。
根据多条第一曲线，确定以L0为横坐标、r为纵坐标，不同SCF对应的多条第二曲线，如图5所示。
根据坡口机的镗孔能力确实际r；根据工程需要确定实际SCF；根据实际r和实际SCF，在多条第二曲线中，确定实际L0；根据实际r、实际L0、t1以及t2，确定实际
Figure BDA0002883521450000091
本实施例中的具有内过渡段的不等壁厚管道的设计方法，根据实际L0、实际r以及实际L，利用坡口机加工第一环形缺口和第二环形缺口，以降低了焊缝30处的应力集中，避免了输送管道在焊缝30处因较大应力集中而发生断裂，增加了石油或者天然气运输的安全性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种具有内过渡段的不等壁厚管道，其特征在于，包括第一管道以及与所述第一管道焊接的第二管道，所述第一管道和所述第二管道的外径相等，所述第一管道的中心线和所述第二管道的中心线共线；
所述第二管道包括沿背离所述第一管道的方向依次设置的第一管段、多个过渡管段以及第二管段，所述第一管段的内径等于所述第一管道的内径，所述第一管段背离所述第二管段的末端与所述第一管道的末端焊接；所述第二管段的内径小于所述第一管道的内径；多个所述过渡管段的内壁位于不同的面内，且每一所述过渡管段的内径由所述第一管段至所述第二管段逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的不等壁厚管道，其特征在于，在平行于所述第二管道中心线的截面中，所述过渡管段内壁对应的侧壁线条为曲线，且相邻所述过渡管段的内壁之间相切。
3.根据权利要求2所述的不等壁厚管道，其特征在于，靠近所述第一管段的所述过渡管段内壁与所述第一管段的内壁相切，靠近所述第二管段的所述过渡管段内壁与所述第二管段的内壁相切。
4.根据权利要求3所述的不等壁厚管道，其特征在于，在平行于所述第二管道中心线的截面中，所述过渡管段内壁对应的侧壁线条为弧线，每一所述过渡管段对应的弧线的半径相等。
5.根据权利要求4所述的不等壁厚管道，其特征在于，每一所述过渡管段对应的弧线的圆心角相等。
6.根据权利要求1所述的不等壁厚管道，其特征在于，在平行于所述第二管道中心线的截面中，所述过渡管段内壁对应的侧壁线条为直线，由所述第一管段至所述第二管段的方向所述过渡管段对应的直线与所述第二管段中心线之间的夹角逐渐减小。
7.一种具有内过渡段的不等壁厚管道的设计方法，其特征在于，所述不等壁厚管道包括第一管道以及与所述第一管道焊接的第二管道，所述第一管道和所述第二管道的外径相等，所述第一管道的中心线和所述第二管道的中心线共线；
所述第二管道包括沿背离所述第一管道的方向依次设置的第一管段、第一过渡管段、第二过渡管段以及第二管段，所述第一管段的内径等于所述第一管道的内径，所述第一管段背离所述第二管段的末端与所述第一管道的末端焊接；所述第二管段的内径小于所述第一管道的内径；在第二管道中心线所在的截面中，所述第一过渡管段和所述第二过渡管段内壁对应的侧壁线条为弧线，所述第一过渡管段和所述第二过渡管段对应的弧线的半径r和圆心角均相等；所述第一过渡管段内壁与所述第一管段的内壁相切，所述第二过渡管段内壁与所述第二管段的内壁相切，所述第一过渡管段和所述第二过渡管段内壁相切；
所述第一管段沿所述第二管道中心线方向的长度L0的确定方法包括：
获取等壁厚管道焊缝处的最大应力值，等壁厚管道包括焊接的预设第一管道和预设第二管道，预设第一管道和预设第二管道的壁厚相等；
获取不等壁厚管道焊缝处的最大应力值；
获取不同r对应的L0和应力集中系数图像，确定实际r和实际应力集中系数，根据实际r和实际应力集中系数，确定实际L0；其中，应力集中系数为不等壁厚管道焊缝处的最大应力值与等壁厚管道焊缝处的最大应力值之比。
8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述获取不同r对应的L0和应力集中系数图像，确定实际r和实际应力集中系数，根据实际r和实际应力集中系数，确定实际L0，具体包括：
获取不同r对应的多个L0和应力集中系数图像，在多个L0和应力集中系数图像中，确定实际r和实际应力集中系数，根据实际r和实际应力集中系数，确定实际L0。
9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，所述获取不同r对应的多个L0和应力集中系数图像，在多个L0和应力集中系数图像中，确定实际r和实际应力集中系数，根据实际r和实际应力集中系数，确定实际L0，具体包括：
获取不同r对应的多个L0和应力集中系数图像，将不同r对应的多个L0和应力集中系数图像转换成不同应力集中系数对应的多个L0和r图像，在多个L0和r图像中，确定实际r和实际应力集中系数，根据实际r和实际应力集中系数，确定实际L0。
10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，所述获取不同r对应的多个L0和应力集中系数图像，将不同r对应的多个L0和应力集中系数图像转换成不同应力集中系数对应的多个L0和r图像，在多个L0和r图像中，确定实际r和实际应力集中系数，根据实际r和实际应力集中系数，确定实际L0，具体包括：
获取不同r对应的多个L0和应力集中系数图像，将不同r对应的多个L0和应力集中系数图像转换成不同应力集中系数对应的多个L0和r图像，根据坡口机镗孔能力确定实际r，根据实际r和实际应力集中系数，在不同应力集中系数对应的多个L0和r图像中确定实际L0。
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