CN115730496B - 埋地管道的最小壁厚确定方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种埋地管道的最小壁厚确定方法、装置及存储介质，其中，方法包括：采用管‑土‑壳单元耦合的有限元模型，确定出不同内径、不同壁厚的受管土相互作用的埋地管道在不同热载荷作用下的最大径向位移与最大等效塑性应变，并对所确定的最大径向位移与最大等效塑性应变关联的参数进行非线性拟合，确定出受管土相互作用的埋地管道在热载荷作用下的最小壁厚的确定公式。本申请的方法，解决了若埋地管道的内径大于1200mm，采用标准CJJ/T 81‑2013的管壁厚度计算公式设计的埋地管道，无法满足工程实际提出的兼顾使用寿命和管道资源节约要求的问题。
Description
技术领域
本申请涉及管道设计技术领域，尤其涉及一种埋地管道的最小壁厚确定方法、装置及存储介质。
背景技术
管道的最小壁厚与管道的使用寿命和管道的材料用量(即管道耗材)密切相关，是管道设计中的重要参数。
目前，城镇集中供热系统中供热用的直埋管道通常采用直埋于地下的方式进行铺设。直埋管道也称为埋地管道。在供热系统的埋地管道的设计中，埋地管道的最小壁厚是按照技术标准CJJ/T 81-2013《城镇直埋供热管道工程技术规程》中管壁厚度计算公式进行确定的。
若埋地管道的内径大于1200mm，采用标准CJJ/T 81-2013的管壁厚度计算公式设计的埋地管道，往往无法满足工程实际提出的兼顾使用寿命和管道资源节约的要求。
发明内容
本申请提供一种埋地管道的最小壁厚确定方法、装置及存储介质，以解决若埋地管道的内径大于1200mm，采用标准CJJ/T 81-2013的管壁厚度计算公式设计的埋地管道，无法满足工程实际提出的兼顾使用寿命和管道资源节约要求的问题。
第一方面，本申请提供一种埋地管道的最小壁厚确定方法，包括：
获取埋地管道的初始参数；所述初始参数包括内径、管材的标识、热载荷和屈曲参数；
从预设的拟合系数库中，确定与所述管材的标识、所述屈曲参数、所述内径对应的拟合系数；所述拟合系数为在管土相互作用下，所述热载荷对所述埋地管道的热屈曲行为的影响参数；所述管土相互作用为具有所述管材的弹塑性的所述埋地管道，在含有预设管道缺陷且受预设运行内压作用的条件下，与预设的土壤参数对应的土壤之间的相互作用；
基于所确定的拟合系数、所述热载荷和屈曲参数，确定所述埋地管道的最小壁厚，以用于所述埋地管道的设计。
可选的，所述屈曲参数为最大径向位移和/或最大等效塑性应变/>
所述基于所确定的拟合系数、所述热载荷和屈曲参数，确定所述埋地管道的最小壁厚，包括：
若所述屈曲参数为最大径向位移则按公式/>确定所述埋地管道的最小壁厚tmin为t1min；
若所述屈曲参数为最大等效塑性应变则按公式/>确定所述埋地管道的最小壁厚tmin为t2min；
若所述屈曲参数为最大径向位移和最大等效塑性应变/>则按如下公确定出所述埋地管道的最小壁厚tmin：
其中，t1min为基于最大径向位移确定的埋地管道的最小壁厚；t2min为基于最大等效塑性应变/>确定的埋地管道的最小壁厚；T为管道运行温度，即热载荷；a1、a2、a3、a4为与管材、内径和最大径向位移关联的拟合系数；b1、b2、b3、b4为与管材、内径和最大等效塑性应变关联的拟合系数。
可选的，所述拟合系数是按如下方式确定的：
获取所述管材对应的多个最大径向位移和多个最大等效塑性应变；所述最大径向位移为在指定热载荷作用下，指定内径、指定壁厚、所述管材对应的埋地管道的最大径向位移；所述最大等效塑性应变为在指定热载荷作用下，指定内径、指定壁厚、所述管材对应的埋地管道的最大等效塑性应变；所述指定内径、指定壁厚、所述管材对应的埋地管道，为具有所述预设管道缺陷和所述管材的弹塑性，受所述预设运行内压作用，且与所述预设的土壤参数的土壤相互作用的埋地管道；
对所述多个最大径向位移和与所述多个最大径向位移关联的内径、壁厚、热载荷，进行非线性拟合，得到与所述管材、内径、最大径向位移关联的拟合系数；
对所述多个最大等效塑性应变和与所述多个最大等效塑性应变关联的内径、壁厚、热载荷，进行非线性拟合，得到与所述管材、内径、最大等效塑性应变关联的拟合系数。
可选的，所述管材对应的多个最大径向位移和多个最大等效塑性应变是按如下方式确定的：
将所述预设管道缺陷对应的预设参数、所述预设运行内压、所述预设的土壤参数、所述管材的弹塑性对应的预设参数、指定内径、指定壁厚、指定热载荷输入预先设置的管道模型，得到与所述管材、所述指定内径、所述指定壁厚对应的埋地管道在所述指定热载荷下的最大径向位移和最大等效塑性应变；
其中，所述管道模型为用于模拟埋地管道热屈曲行为的有限元模型。
可选的，所述管道模型是基于管土壳单元耦合模型的有限元模型；所述管土壳单元耦合模型为由管状的壳单元两端分别连接管状的管单元的模型；所述管单元轴向上包含多个土弹簧节点。
可选的，所述预设的土壤参数包括预设的土壤轴向极限抗力和预设的土壤轴向屈服位移；所述预设管道缺陷对应的预设参数包括预设的管道轴向截面不直度和预设的管道环向截面椭圆度；所述管材的弹塑性对应的预设参数包括预设的抗拉强度和预设的屈服强度；
所述预设的土壤轴向极限抗力、所述预设的土壤轴向屈服位移、所述预设的管道轴向截面不直度、所述预设的管道环向截面椭圆度、所述预设的抗拉强度、所述预设的屈服强度、所述预设的运行内压均是按如下方式确定的：
采用所述管道模型和有限元数值计算方式，计算目标预设参数的多个取值各自对应的所述管道模型的屈曲参数；
对所述多个取值各自对应的所述管道模型的屈曲参数进行正态分布计算，得到所述目标预设参数的预设值；
所述目标预设参数为所述预设的土壤轴向极限抗力、所述预设的土壤轴向屈服位移、所述预设的管道轴向截面不直度、所述预设的管道环向截面椭圆度、所述预设的抗拉强度、所述预设的屈服强度、所述预设的运行内压中的任一项。
第二方面，本申请提供一种管道设计设备，所述设备包括：
收发模块和处理模块；
所述收发模块，用于获取埋地管道的初始参数；所述初始参数包括内径、管材的标识、热载荷和屈曲参数；
所述处理模块，用于从预设的拟合系数库中，确定与所述管材的标识、所述屈曲参数、所述内径对应的拟合系数；所述拟合系数为在管土相互作用下，所述热载荷对所述埋地管道的热屈曲行为的影响参数；所述管土相互作用为具有所述管材的弹塑性的所述埋地管道，在含有预设管道缺陷且受预设运行内压作用的条件下，与预设的土壤参数对应的土壤之间的相互作用；
所述处理模块，还用于基于所确定的拟合系数、所述热载荷和屈曲参数，确定所述埋地管道的最小壁厚，以用于所述埋地管道的设计。
第三方面，本申请提供一种管道设计装置，所述装置包括：
处理器和存储器；
所述存储器存储所述处理器可执行的可执行指令；
其中，所述处理器执行所述存储器存储的可执行指令，使得所述处理器执行如上所述的方法。
第四方面，本申请提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如上所述的方法。
第五方面，本申请提供一种程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法。
本申请提供的埋地管道的最小壁厚确定方法、装置及存储介质，通过基于埋地管道的管材、屈曲参数、内径、热载荷、以及在管土相互作用下热载荷对埋地管道的热屈曲行为的影响参数，确定出埋地管道所需的最小壁厚，以用于埋地管道的设计。本申请解决了若埋地管道的内径大于1200mm，采用标准CJJ/T 81-2013的管壁厚度计算公式设计的埋地管道，无法满足工程实际提出的兼顾使用寿命和管道资源节约要求的问题。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请实施例提供的埋地管道的最小壁厚确定场景图；
图2为本申请实施例提供的埋地管道的最小壁厚确定方法流程图；
图3为本申请实施例提供的管-土-壳单元耦合模型示意图；
图4为本申请实施例提供的管道设计设备结构图；
图5为本申请实施例提供的管道设计装置结构图。
通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、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，对本申请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。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
管道的最小壁厚是管道设计中的重要参数。管道的最小壁厚与管道的使用寿命密切和管道耗材密切相关相关。管道的最小壁厚越大，管道使用寿命越长，但管道耗材也越多。截止目前，技术标准CJJ/T 81-2013《城镇直埋供热管道工程技术规程》是我国唯一针对埋地管道设计的技术标准。目前在埋地管道设计过程中，埋地管道的最小壁厚通常按照该标准中的管壁厚度计算公式进行计算确定的。然而，该标准主要基于上世纪八十年代弹性薄壳结构局部屈曲理论，适用于无管道几何缺陷、公称直径(或内径)小于等于1200mm的供热管道，未考虑更大内径的大口径管道，也没有考虑管土相互作用以及管道弹塑性条件下供热管道的失效特征。管土相互作用为具有管材的弹塑性的埋地管道，在含有管道缺陷且受运行内压作用的条件下，与土壤之间的相互作用。
随着我国城市集中供热的发展，一些城市的供热管网主干线用的埋地管道的内径增大至1400mm，甚至大于1400mm，工作压力达到2.5MPa，最高设计工作温度高达130℃。由于埋地管道的失效方式主要为屈曲失效。供热管道通常是直埋于土壤中的，供热管道的热屈曲行为通常受到管土相互作用的影响。此外，相较于小口径管道而言，管道热应力自限性使得热载荷作用下大口径埋地管道的屈曲演化行为更加复杂。因此，采用现有的技术标准CJJ/T 81-2013中管壁厚度计算公式确定的大口径直埋供热管道，往往无法满足工程实际需求，如工程中对埋地管道提出的兼顾管道使用寿命和管道资源节约的要求。
对此，本申请提出一种埋地管道的最小壁厚确定方法，通过获取埋地管道的初始参数；初始参数包括内径、管材的标识、热载荷和屈曲参数；从预设的拟合系数库中，确定与管材的标识、屈曲参数、内径对应的拟合系数；拟合系数为在管土相互作用下，热载荷对埋地管道的热屈曲行为的影响参数；管土相互作用为具有管材的弹塑性的埋地管道，在含有预设管道缺陷且受预设运行内压作用的条件下，与预设的土壤参数对应的土壤之间的相互作用；基于所确定的拟合系数、热载荷和屈曲参数，确定埋地管道的最小壁厚，以用于埋地管道的设计。本申请的方法，基于埋地管道的初始参数中的管材、内径、屈曲参数、热载荷，以及在管土相互作用下热载荷对埋地管道的热屈曲行为的影响参数，确定出埋地管道所需的最小壁厚，以用于埋地管道的设计，使得基于该最小壁厚设计的埋地管道满足工程所需的管道使用寿命和管道资源节约要求，解决了若埋地管道的内径大于1200mm，采用现有标准CJJ/T 81-2013的管壁厚度计算公式设计的埋地管道，无法满足工程实际提出的兼顾使用寿命和管道资源节约要求的问题。
下面结合部分实施例对本申请提供的埋地管道的最小壁厚确定方法进行说明。
图1为本申请实施例提供的埋地管道的最小壁厚确定场景图。如图1所示，管道设计设备12从管道工程的工程发起方的工况确定设备11，获取埋地管道的初始参数。初始参数包括内径、管材的标识、埋地管道在运行过程中需承受的热载荷、以及屈曲参数。管材的标识如管材的牌号。管道设计设备12从预设的拟合系数库中，确定与管材的标识、屈曲参数、内径对应的拟合系数。例如，管道设计设备12从多个拟合系数库中，确定与管材的标识和屈曲参数属性对应的目标拟合系数库。管道设计设备12从所确定的目标拟合系数库中，确定与内径对应的拟合系数。拟合系数为在管土相互作用下，热载荷对埋地管道的热屈曲行为的影响参数。管土相互作用为具有管材的弹塑性的埋地管道，在含有预设管道缺陷且受预设运行内压作用的条件下，与预设的土壤参数对应的土壤之间的相互作用。管材的弹塑性在本申请中也称为管材的材料特性。管道设计设备12基于所确定的拟合系数、热载荷和屈曲参数，确定埋地管道的最小壁厚，以用于埋地管道的设计。管道设计设备12可以基于所确定的埋地管道的最小壁厚，确定出埋地管道的其他设计参数。管道设计设备12可以将所确定的包括最小壁厚在内的埋地管道的设计参数发送到管道采购设备13和工程施工设备14，以便于管道采购人员和工程施工人员进行埋地管道的采购和工程施工。管道设计设备12也可以将所确定的埋地管道的最小壁厚发送到其他管道设计设备，以便于设计人员基于其他管道设计设备收到的最小壁厚进行埋地管道的设计。
本申请实施例提供的埋地管道的最小壁厚确定方法，通过埋地管道的初始参数中的管材的标识、屈曲参数、内径，确定出对应的拟合系数，基于拟合系数、热载荷和屈曲参数，确定出在管土相互作用和热载荷作用下，埋地管道所需的最小壁厚，以确保按照该最小壁厚设计的埋地管道满足工程所需的管道使用寿命和管道资源节约要求，解决了若埋地管道的内径大于1200mm，采用现有标准CJJ/T 81-2013的管壁厚度计算公式设计的埋地管道，无法满足工程实际提出的兼顾使用寿命和管道资源节约要求的问题。
下面结合图2和图3对本申请提供的埋地管道的最小壁厚确定方法进行详细说明。图2所示实施例的执行主体可以为图1所示实施例中的管道设计设备12。图3为本申请实施例提供的管-土-壳单元耦合模型示意图。如图2所示，该方法包括：
S101、获取埋地管道的初始参数；初始参数包括内径、管材的标识、热载荷和屈曲参数。
具体而言，管道设计设备12获取埋地管道的初始参数。初始参数包括内径、管材的标识、热载荷和屈曲参数。
S102、从预设的拟合系数库中，确定与管材的标识、屈曲参数、内径对应的拟合系数；拟合系数为在管土相互作用下，热载荷对埋地管道的热屈曲行为的影响参数；管土相互作用为具有管材的弹塑性的埋地管道，在含有预设管道缺陷且受预设运行内压作用的条件下，与预设的土壤参数对应的土壤之间的相互作用。
具体而言，管道设计设备12从预设的拟合系数库中，确定与管材的标识、屈曲参数、内径对应的拟合系数。拟合系数为在管土相互作用下，热载荷对埋地管道的热屈曲行为的影响参数。管土相互作用为具有管材的弹塑性的埋地管道，在含有预设管道缺陷且受预设运行内压作用的条件下，与预设的土壤参数对应的土壤之间的相互作用。
埋地管道的弹塑性是由管材的弹塑性(即材料特性)确定的。材料特性如材料的抗拉强度和屈服强度，或材料的应力-应变力学性能。
可选地，屈曲参数为最大径向位移和/或最大等效塑性应变/>拟合系数可以是按如下步骤S1021-S1023所示方式确定的：
S1021、管道设计设备12获取管材对应的多个最大径向位移和多个最大等效塑性应变。最大径向位移为在指定热载荷作用下，指定内径、指定壁厚、管材对应的埋地管道的最大径向位移。最大等效塑性应变为在指定热载荷作用下，指定内径、指定壁厚、管材对应的埋地管道的最大等效塑性应变。指定内径、指定壁厚、管材对应的埋地管道，为具有预设管道缺陷、管材的弹塑性，受到预设运行内压作用，且与预设的土壤参数的土壤相互作用的埋地管道。
可选地，管材对应的多个最大径向位移和多个最大等效塑性应变可以是按如下方式确定的：管道设计设备12将预设管道缺陷对应的预设参数、预设运行内压、预设的土壤参数、管材的弹塑性对应的预设参数、指定内径、指定壁厚、指定热载荷输入预先设置的管道模型，得到与管材、指定内径、指定壁厚对应的埋地管道在指定热载荷下的最大径向位移和最大等效塑性应变。
其中，管道模型为用于模拟埋地管道热屈曲行为的有限元模型。该有限元模型用于对预设管道缺陷对应的预设参数、预设运行内压、预设的土壤参数、管材的弹塑性对应的预设参数、指定内径、指定壁厚、指定热载荷对应的埋地管道进行有限元数值计算，得到该埋地管道的最大径向位移和最大等效塑性应变。
可选地，预设的土壤参数包括预设的土壤轴向极限抗力和预设的土壤轴向屈服位移。预设管道缺陷对应的预设参数包括预设的管道轴向截面不直度和预设的管道环向截面椭圆度。管材的弹塑性对应的预设参数包括预设的抗拉强度和预设的屈服强度。
可选地，管道轴向截面不直度包括管道轴向截面不直度的幅度和管道轴向截面不直度的宽度。
预设的土壤轴向极限抗力、预设的土壤轴向屈服位移、预设的管道轴向截面不直度、预设的管道环向截面椭圆度、预设的抗拉强度、预设的屈服强度、预设的运行内压均是按如下步骤I-II所示方式确定的：
I、管道设计设备12采用管道模型和有限元数值计算方式，计算目标预设参数的多个取值各自对应的管道模型的屈曲参数。
II、管道设计设备12对多个取值各自对应的管道模型的屈曲参数进行正态分布计算，得到目标预设参数的预设值。
目标预设参数为预设的土壤轴向极限抗力、预设的土壤轴向屈服位移、预设的管道轴向截面不直度、预设的管道环向截面椭圆度、预设的抗拉强度、预设的屈服强度、预设的运行内压中的任一项。
可选地，管道模型可以是基于如图3所示的管-土-壳单元耦合模型的有限元模型。如图3所示，管-土-壳单元耦合模型为由管状的壳单元两端分别连接管状的管单元的模型。管单元轴向上包含多个土弹簧节点。
S1022、管道设计设备12对多个最大径向位移和与多个最大径向位移关联的内径、壁厚、热载荷，进行非线性拟合，得到与管材、内径、最大径向位移关联的拟合系数。
S1023、管道设计设备12对多个最大等效塑性应变和与多个最大等效塑性应变关联的内径、壁厚、热载荷，进行非线性拟合，得到与管材、内径、最大等效塑性应变关联的拟合系数。
S103、基于所确定的拟合系数、热载荷和屈曲参数，确定埋地管道的最小壁厚，以用于埋地管道的设计。
具体而言，管道设计设备12基于所确定的拟合系数、热载荷和屈曲参数，确定埋地管道的最小壁厚。
可选地，屈曲参数为最大径向位移和/或最大等效塑性应变/>
若屈曲参数为最大径向位移则按公式/>确定埋地管道的最小壁厚tmin为t1min；
若屈曲参数为最大等效塑性应变则按公式/>确定埋地管道的最小壁厚tmin为t2min；
若屈曲参数为最大径向位移和最大等效塑性应变/>则按如下公确定出埋地管道的最小壁厚tmin：
其中，t1min为基于最大径向位移确定的埋地管道的最小壁厚；t2min为基于最大等效塑性应变/>确定的埋地管道的最小壁厚；T为管道运行温度，即热载荷；a1、a2、a3、a4为与管材、内径和最大径向位移关联的拟合系数；b1、b2、b3、b4为与管材、内径和最大等效塑性应变关联的拟合系数。
可选地，拟合系数数据库可以是存储在如图1所示的管道设计设备12上，也可以存续在其他具有存储功能的设备上。
下面以具体实例对本申请提供的埋地管道的最小壁厚确定方法进行说明。
在本申请中，埋地管道也简称为管道。
管道设计设备12预先按如下步骤1-步骤5所示方式确定出埋地管道的最小壁厚的确定公式：
步骤1、确定管道模型。
埋地管道对管土相互作用的响应是高度非线性的，相较于解析分析方法，基于非线性有限元的数值分析方法能够更加准确的描述埋地管道对管土相互作用的响应问题。数值分析方法主要包括：管-土弹簧模型、壳-土弹簧模型、壳-实体单元模型。管-土弹簧模型，以土弹簧描述管土相互作用，计算成本最小，这些模型能够较好的模拟管道整体屈曲响应，但是在精细计算管道局部变形情况上存在局限性，具体为：
壳-实体单元模型，以实体单元的形式描述土壤、以面面接触描述管土作用，可以得到更加真实的管土相互作用描述，但是存在计算效率低、成本高，以及无法保障不同工况计算收敛性的缺陷。
壳-土弹簧模型，以土弹簧模拟管土相互作用，以壳单元模拟管道整体及局部的屈曲响应，在管道失效行为分析上应用最为广泛。由壳-土弹簧模型逐渐发展形成的管-壳-土弹簧模型，使用壳单元模拟局部变形集中位置，使用管单元模拟局部变形段两端管道的状态，在保证准确模拟管道整体与局部响应的基础上，进一步提升了计算效率。
管-壳-土弹簧模型也称为管土壳单元耦合模型或管-土-壳单元耦合模型。
因此，本申请中，管道设计设备12选用以管壳单元耦合模拟管道，以土弹簧模拟管土相互作用，按如下步骤1.1-步骤1.3确定出基于如图3所示管-土-壳单元耦合模型的有限元模型。
步骤1.1、管-土-壳单元耦合模型的确定。
由于通过模态分析引入缺陷的方式无法代表工程实际中管道缺陷(如管道初始几何缺陷)最严重的情况，为了保守起见，管道设计设备12采用在管-土-壳单元耦合模型上添加管道缺陷，并通过管单元、壳单元耦合的方式构建含管道缺陷的管-土-壳单元耦合模型。
管道缺陷包括管道轴向截面不直度和管道环向截面椭圆度。该管-土-壳单元耦合模型中管单元和壳单元材料的弹塑性对应的应力应变曲线，是由Ramberg-Osgood(R-O)本构模型计算得到的。
示例性地，该管-土-壳单元耦合模型是由2米(m)管状的壳单元(S4R)两端各连接100米管状的管单元(PIPE31)所构成的。假设管单元和壳单元的管材的标识，如材料牌号，为Q235。管道设计设备12采用R-O本构模型计算得到Q235材料的材料特性：屈服强度和抗拉强度。
经试验对比发现，在管道的内径、壁厚、缺陷、土壤参数、管-土-壳单元耦合模型相同的条件下，R-O模型确定的Q235材料特性对应埋地管道的最大径向位移和最大等效塑性应变，均大于小尺寸试样试验测得的Q235材料特性对应埋地管道的最大径向位移和最大等效塑性应变。其中，试验测得的Q235材料特性为采用Q235材料的小尺寸试样进行试验后测得的材料特性。两种方式确定的Q235材料特性对应埋地管道的最大径向位移和最大等效塑性应变，均是采用有限元数值计算方式计算确定的。由此可知，本申请方法基于R-O模型确定的材料特性进行埋地管道最小壁厚的确定，是符合工程实际对管道的寿命要求(或安全设计要求)的。
步骤1.2、管-土-壳单元耦合模型上边界条件的确定。
在步骤1.1所构建的管-土-壳单元耦合模型上，按如下方式确定管单元与壳单元连接处的边界条件：
在管单元与壳单元连接处，管道设计设备12使用ABAQUS提供的运动式耦合方法(Dinematic coupling constraint)进行两者自由度的绑定。该耦合方法能够将壳单元端面上所有节点的平均位移和转角绑定到管单元端部节点上，在保障管单元与壳单元连接耦合、同步响应的同时，有效避免常见的多点耦合连接方式(Muti-point coupling)引发的耦合位置的应力集中问题。
管道设计设备12采用SPRING弹簧单元(Connect points to ground)方式模拟土弹簧，并设置非线性土弹簧描述土壤对埋地管道的轴向约束作用，施加约束控制管单元只能发生轴向位移。土弹簧参数根据ALA2001管道设计导则给出的计算方法与工程实际土壤参数的取值范围进行确定。
其中，工程实际土壤参数包括土壤轴向极限抗力、土壤轴向屈服位移以及如表1所示的其他土壤参数。
示例性地，为保障准确描述管土相互作用并节省计算成本，在管单元轴向每隔1m建立管节点，采用SPRING弹簧单元(Connect points to ground)方式模拟土弹簧，并设置管节点对应的边界条件。土弹簧参数根据ALA2001管道设计导则给出的计算方法与工程实际土壤参数的可能取值范围进行确定。
例如，土弹簧参数包括：土壤轴向极限抗力和土壤轴向屈服位移。管道设计设备12根据ALA2001管道设计导则给出的计算方法与工程实际土壤参数的可能取值范围，土壤轴向极限抗力Tu按公式 确定。土壤轴向极限抗力Tu对应的轴向土弹簧屈服位移Δt为：
其中，D为埋地管道的内径；c为土壤凝聚力特征值；H为埋地管道中心线埋深；γ为土壤有效容重；K0为侧向土压系数；f为管土界面摩擦折减系数；为土壤内摩擦角；α为粘合系数，且，
α＝0.608-0.123c-0.274/(c2+1)+0.695/(c3+1)。
实际工程中部分土壤参数的取值范围如表1所示，其中，对于砂土而言，土壤凝聚力c取值为0，内摩擦角取值范围较宽。
表1土壤参数取值范围
根据ALA 2001管道设计导则的土弹簧参数确定方法，确定热屈曲数值分析模型中土壤轴向极限抗力取值为20kN/m、40kN/m、60kN/m、80kN/m、100kN/m，土壤轴向屈服位移为3mm、5mm、8mm。
步骤1.3、管-土-壳单元耦合模型上载荷步展开设置。
在步骤1.2得到的管-土-壳单元耦合模型上，进一步设置两个载荷步展开。第一个载荷步对埋地管道施加一定的内压，第二个载荷步对埋地管道施加热载荷以模拟埋地管道的高温运行状态。
其中，内压为埋地管道的运行内压。
管道设计设备12将本步骤所确定的管-土-壳单元耦合模型和开源语言Python结合得到用于模拟埋地管道热屈曲行为的有限元模型。
步骤2、基于步骤1所确定的管-土-壳单元耦合模型，管道设计设备12采用开源语言Python开展有限元模型组合工况批量计算，结合实验测定和统计计算，确定出管道缺陷、土壤参数、管道几何参数(内径、壁厚)、运行内压、管材特性(抗拉强度、屈服强度)等因素对管道的最大径向位移与最大等效塑性应变随热载荷变化的影响程度后，进而确定在管材为Q235材料的情况下，管道缺陷、土壤参数、运行内压、管材特性(抗拉强度、屈服强度)等参数的基准值(或保守值)，如表2所示。
示例性地，基于步骤1所确定的管-土-壳单元耦合模型，管道设计设备12采用开源语言Python开展有限元模型组合工况批量计算，得到管道缺陷、土壤参数、运行内压、管材特性(抗拉强度、屈服强度)各自的多个取值对应的最大径向位移与最大等效塑性应变。管道设计设备12对管道缺陷、土壤参数、运行内压、管材特性(抗拉强度、屈服强度)各自的多个取值对应的最大径向位移和/或最大等效塑性应变进行正态分布计算，得到如表2所示的管道缺陷、土壤参数、运行内压、管材特性(抗拉强度、屈服强度)各自的预设值(即基准值)。
表2管道热屈曲行为影响参数的基准值
如表2所示的管道缺陷、土壤参数、运行内压、管材特性(抗拉强度、屈服强度)等参数的基准值(或保守值)可以作为本申请方法的预设的土壤轴向极限抗力、预设的土壤轴向屈服位移、预设的管道轴向截面不直度、预设的管道环向截面椭圆度、预设的抗拉强度、预设的屈服强度、预设的运行内压的预设值。
步骤3、管道设计设备12基于如表2所示的目标预设参数的基准值(或预设值)，确定不同内径与壁厚组合的埋地管道，在不同热载荷作用下，埋地管道的最大径向位移与最大等效塑性应变，并以此构建最大径向位移与最大等效塑性应变数据库。
示例性地，假设管材为Q235，管道设计设备12基于表2所示的基准值，从529mm～1420mm的内径范围和5mm～20mm的管道壁厚范围中，组合确定出不同内径、壁厚的32种埋地管道。管道设计设备12基于所确定的管道模型，对所确定的32种管道分别在80℃、100℃、115℃、130℃的热载荷作用下的最大径向位移和最大等效塑性应变进行有限元计算，得到所确定的32中管道分别在80℃、100℃、115℃、130℃的热载荷作用下各自的最大径向位移和最大等效塑性应变的具体值。例如，管道设计设备12基于表2所示的基准值，确定出内径为529mm，壁厚为5mm的Q235埋地管道在130℃的热载荷作用下的最大径向位移为2.2788mm。管道设计设备12将所得到的各埋地管道的最大径向位移和最大等效塑性应变的具体值存储到最大径向位移与最大等效塑性应变数据库中。最大径向位移与最大等效塑性应变数据库可以存储在管道设计设备12上，也可以存储在其他具有存储功能的设备上的。数据库中所存储的Q235管道的最大径向位移和最大等效塑性应变的具体值如表3和表4所示。
表3热载荷作用下Q235埋地管道的最大径向位移
表4热载荷作用下Q235埋地管道的最大等效塑性应变
步骤4、管道设计设备12对所得到的管道的最大径向位移和最大等效塑性应变关联的内径、壁厚、热载荷进行非线性拟合，分别确定在热载荷作用下，埋地管道的最大径向位移和最大等效塑性应变各自的预测公式。
示例性地，管道设计设备12对表3中的数值进行非线性拟合，分别确定出在热载荷作用下，不同内径的埋地管道的最大径向位移与埋地管道的壁厚、热载荷之间的关系式：关系式/> 即为在热载荷作用下，埋地管道的最大径向位移的预测公式。
管道设计设备12对表4中的数值进行非线性拟合，分别确定出在热载荷作用下，不同内径的埋地管道的最大等效塑性应变与埋地管道的壁厚、热载荷之间的关系式：关系式/> 即为在热载荷作用下，埋地管道的最大等效塑性应变的预测公式。
其中，t为埋地管道的壁厚。
关系式和关系式/>适用于所有管材的埋地管道。可选地，也可以采用步骤1-步骤5所示的方式确定任意指定管材的埋地管道的最大径向位移和最大等效塑性应变各自的预测公式，进而确定出在热载荷作用下埋地管道的最小壁厚的确定公式。
进一步地，管道设计设备12基于埋地管道的最大径向位移的预测公式与埋地管道的最大径向位移的相关数值，确定出埋地管道的最大径向位移的预测公式中的拟合系数a1、a2、a3、a4的取值。例如，管道设计设备12基于埋地管道的最大径向位移的预测公式与表3所示的Q235埋地管道的最大径向位移的相关数值，确定出如表5所示的Q235埋地管道的最大径向位移的预测公式中的拟合系数a1、a2、a3、a4的取值。
表5Q235埋地管道的最大径向位移的预测公式的拟合系数取值
类似地，管道设计设备12基于埋地管道的最大等效塑性应变的预测公式与指定材质的埋地管道的最大等效塑性应变的相关数值(如表4所示Q235埋地管道的相关数值)，确定出指定材质的埋地管道的最大等效塑性应变的预测公式中的拟合系数b1、b2、b3、b4的取值。例如，管道设计设备12基于埋地管道的最大等效塑性应变的预测公式 与表4所示的Q235埋地管道的最大等效塑性应变的相关数值，确定出如表6所示的Q235埋地管道的最大等效塑性应变的预测公式中的拟合系数b1、b2、b3、b4的取值。
表6Q235埋地管道的最大等效塑性应变的预测公式的拟合系数取值
管道设计设备12将如表5和表6所示的拟合系数相关数值存储于拟合系数库中。
步骤5、基于在热载荷作用下，埋地管道的最大径向位移的预测公式和最大等效塑性应变的预测公式/> 管道设计设备12确定在热载荷作用下，基于最大径向位移/>确定的埋地管道的最小壁厚基于最大等效塑性应变/>确定的埋地管道的最小壁厚
管道设计设备12从管道工程的工程发起方的工况确定设备11，获取埋地管道的内径、管材的标识(如管材的牌号)、埋地管道在运行过程中将承受的热载荷、以及屈曲参数等初始参数。管道设计设备12从预设的拟合系数库中，确定与管材的标识、屈曲参数、内径对应的拟合系数。管道设计设备12基于确定的拟合系数、热载荷和屈曲参数，确定埋地管道的最小壁厚，以用于埋地管道的设计。
本申请实施例提供的埋地管道的最小壁厚确定方法，通过埋地管道的初始参数中的管材的标识、屈曲参数、内径，确定出对应的拟合系数，基于拟合系数、热载荷和屈曲参数，确定出在管土相互作用和热载荷作用下，埋地管道所需的最小壁厚，以用于埋地管道的设计，确保了基于该最小壁厚设计的埋地管道满足工程所需的管道使用寿命和管道资源节约要求，解决了若埋地管道的内径大于1200mm，采用现有标准CJJ/T 81-2013的管壁厚度计算公式设计的埋地管道，无法满足工程实际提出的兼顾使用寿命和管道资源节约要求的问题。此外，本申请的方法，采用基于管土相互作用构建的管-土-壳单元耦合模型的有限元模型，进行有限元数值计算确定出不同内径、不同壁厚的受管土相互作用的埋地管道在不同热载荷作用下的最大径向位移与最大等效塑性应变，并对所确定的不同内径、不同壁厚的受管土相互作用的埋地管道在不同热载荷作用下的最大径向位移与最大等效塑性应变的相关数值进行非线性拟合，确定出在热载荷作用下，受管土相互作用的埋地管道的最大径向位移与最大等效塑性应变各自的预测公式，进而确定出在热载荷作用下的埋地管道的最小壁厚的确定公式，在有效精准模拟埋地管道的热屈曲行为的前提下，确保了热载荷作用下多种内径的埋地管道最小壁厚确定公式的精准性。本申请的方法从基于最大径向位移失效准则与基于等效塑性应变失效准则两个角度，提出了热载荷作用下埋地管道最小壁厚的确定方法，为工程中埋地管道壁厚设计提供了精度高的强有力的技术支撑。本申请的方法，弥补了采用现有标准CJJ/T 81-2013的管壁厚度计算公式设计的埋地管道，未考虑管道弹塑性和管土相互作用对埋地管道热屈曲失效特征影响的缺陷。
本申请提供的埋地管道的最小壁厚确定方法，不但可以应用于直埋供热管道的最小壁厚的确定，也可应用于加热输油管道、蒸汽管道等管道的最小壁厚的确定。
本申请实施例还提供一种管道设计设备，图4为本申请实施例提供的管道设计设备结构图。如图4所示，管道设计设备包括：
收发模块41和处理模块42；
收发模块41，用于获取埋地管道的初始参数。初始参数包括内径、管材的标识、热载荷和屈曲参数。
处理模块42，用于从预设的拟合系数库中，确定与管材的标识、屈曲参数、内径对应的拟合系数。拟合系数为在管土相互作用下，热载荷对埋地管道的热屈曲行为的影响参数。管土相互作用为具有管材的弹塑性的埋地管道，在含有预设管道缺陷且受预设运行内压作用的条件下，与预设的土壤参数对应的土壤之间的相互作用。
处理模块42，还用于基于所确定的拟合系数、热载荷和屈曲参数，确定埋地管道的最小壁厚，以用于埋地管道的设计。
本申请实施例提供的管道设计设备，其具体实现原理和技术效果与图2所示实施例的具体实现原理和技术效果类似，本实施例此处不再赘述。
本申请实施例还提供一种管道设计装置。图5为本申请实施例提供的管道设计装置结构图。如图5所示，该装置包括处理器51和存储器52，存储器52存储有处理器51可执行指令，使得该处理器51可用于执行上述方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，本实施例此处不再赘述。应理解，上述处理器51可以是中央处理单元(英文：CentralProcessing Unit，简称：CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(英文：DigitalSignal Processor，简称：DSP)、专用集成电路(英文：Application Specific IntegratedCircuit，简称：ASIC)等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合发明所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。存储器52可能包含高速随机存取存储器(英文：Random Access Memory，简称：RAM)，也可能还包括非易失性存储器(英文：Non-volatilememory，简称：NVM)，例如至少一个磁盘存储器，还可以为U盘、移动硬盘、只读存储器、磁盘或光盘等。
本申请实施例还提供一种存储介质，该存储介质中存储有计算机执行指令，这些计算机执行指令被处理器执行时，实现上述的埋地管道的最小壁厚确定方法。存储介质可以是由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(英文：Static Random-Access Memory，简称：SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(英文：Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，简称：EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(英文：Erasable Programmable Read-Only Memory，简称：EPROM)，可编程只读存储器(英文：Programmable Read-Only Memory，简称：PROM)，只读存储器(英文：Read-Only Memory，简称：ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于专用集成电路(英文：Application Specific Integrated Circuits，简称：ASIC)中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于电子设备或主控设备中。
本申请实施例还提供一种程序产品，如计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本申请所涵盖的埋地管道的最小壁厚确定方法。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施方式对本发明已经进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施方式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实施方式技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种埋地管道的最小壁厚确定方法，其特征在于，包括：
获取埋地管道的初始参数；所述初始参数包括内径、管材的标识、热载荷和屈曲参数；
从预设的拟合系数库中，确定与所述管材的标识、所述屈曲参数、所述内径对应的拟合系数；所述拟合系数为在管土相互作用下，所述热载荷对所述埋地管道的热屈曲行为的影响参数；所述管土相互作用为具有所述管材的弹塑性的所述埋地管道，在含有预设管道缺陷且受预设运行内压作用的条件下，与预设的土壤参数对应的土壤之间的相互作用；
基于所确定的拟合系数、所述热载荷和屈曲参数，确定所述埋地管道的最小壁厚，以用于所述埋地管道的设计；
所述屈曲参数为最大径向位移和/或最大等效塑性应变/>
所述基于所确定的拟合系数、所述热载荷和屈曲参数，确定所述埋地管道的最小壁厚，包括：
若所述屈曲参数为最大径向位移则按公式/>确定所述埋地管道的最小壁厚tmin为t1min；
若所述屈曲参数为最大等效塑性应变则按公式/>确定所述埋地管道的最小壁厚tmin为t2min；
若所述屈曲参数为最大径向位移和最大等效塑性应变/>则按如下公确定出所述埋地管道的最小壁厚tmin：
其中，t1min为基于最大径向位移确定的埋地管道的最小壁厚；t2min为基于最大等效塑性应变/>确定的埋地管道的最小壁厚；T为管道运行温度，即热载荷；a1、a2、a3、a4为与管材、内径和最大径向位移关联的拟合系数；b1、b2、b3、b4为与管材、内径和最大等效塑性应变关联的拟合系数；
所述拟合系数是按如下方式确定的：
获取所述管材对应的多个最大径向位移和多个最大等效塑性应变；所述最大径向位移为在指定热载荷作用下，指定内径、指定壁厚、所述管材对应的埋地管道的最大径向位移；所述最大等效塑性应变为在指定热载荷作用下，指定内径、指定壁厚、所述管材对应的埋地管道的最大等效塑性应变；所述指定内径、指定壁厚、所述管材对应的埋地管道，为具有所述预设管道缺陷和所述管材的弹塑性，受所述预设运行内压作用，且与所述预设的土壤参数的土壤相互作用的埋地管道；
对所述多个最大径向位移和与所述多个最大径向位移关联的内径、壁厚、热载荷，进行非线性拟合，得到与所述管材、内径、最大径向位移关联的拟合系数；
对所述多个最大等效塑性应变和与所述多个最大等效塑性应变关联的内径、壁厚、热载荷，进行非线性拟合，得到与所述管材、内径、最大等效塑性应变关联的拟合系数；
所述管材对应的多个最大径向位移和多个最大等效塑性应变是按如下方式确定的：
将所述预设管道缺陷对应的预设参数、所述预设运行内压、所述预设的土壤参数、所述管材的弹塑性对应的预设参数、指定内径、指定壁厚、指定热载荷输入预先设置的管道模型，得到与所述管材、所述指定内径、所述指定壁厚对应的埋地管道在所述指定热载荷下的最大径向位移和最大等效塑性应变；
其中，所述管道模型为用于模拟埋地管道热屈曲行为的有限元模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管道模型是基于管土壳单元耦合模型的有限元模型；所述管土壳单元耦合模型为由管状的壳单元两端分别连接管状的管单元的模型；所述管单元轴向上包含多个土弹簧节点。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预设的土壤参数包括预设的土壤轴向极限抗力和预设的土壤轴向屈服位移；所述预设管道缺陷对应的预设参数包括预设的管道轴向截面不直度和预设的管道环向截面椭圆度；所述管材的弹塑性对应的预设参数包括预设的抗拉强度和预设的屈服强度；
所述预设的土壤轴向极限抗力、所述预设的土壤轴向屈服位移、所述预设的管道轴向截面不直度、所述预设的管道环向截面椭圆度、所述预设的抗拉强度、所述预设的屈服强度、所述预设的运行内压均是按如下方式确定的：
采用所述管道模型和有限元数值计算方式，计算目标预设参数的多个取值各自对应的所述管道模型的屈曲参数；
对所述多个取值各自对应的所述管道模型的屈曲参数进行正态分布计算，得到所述目标预设参数的预设值；
所述目标预设参数为所述预设的土壤轴向极限抗力、所述预设的土壤轴向屈服位移、所述预设的管道轴向截面不直度、所述预设的管道环向截面椭圆度、所述预设的抗拉强度、所述预设的屈服强度、所述预设的运行内压中的任一项。
4.一种管道设计设备，其特征在于，所述设备包括：
收发模块和处理模块；
所述收发模块，用于获取埋地管道的初始参数；所述初始参数包括内径、管材的标识、热载荷和屈曲参数；
所述处理模块，用于从预设的拟合系数库中，确定与所述管材的标识、所述屈曲参数、所述内径对应的拟合系数；所述拟合系数为在管土相互作用下，所述热载荷对所述埋地管道的热屈曲行为的影响参数；所述管土相互作用为具有所述管材的弹塑性的所述埋地管道，在含有预设管道缺陷且受预设运行内压作用的条件下，与预设的土壤参数对应的土壤之间的相互作用；
所述处理模块，还用于基于所确定的拟合系数、所述热载荷和屈曲参数，确定所述埋地管道的最小壁厚，以用于所述埋地管道的设计；
所述屈曲参数为最大径向位移和/或最大等效塑性应变/>
所述处理模块，具体用于：
若所述屈曲参数为最大径向位移则按公式/>确定所述埋地管道的最小壁厚tmin为t1min；
若所述屈曲参数为最大等效塑性应变则按公式/>确定所述埋地管道的最小壁厚tmin为t2min；
若所述屈曲参数为最大径向位移和最大等效塑性应变/>则按如下公确定出所述埋地管道的最小壁厚tmin：
其中，t1min为基于最大径向位移确定的埋地管道的最小壁厚；t2min为基于最大等效塑性应变/>确定的埋地管道的最小壁厚；T为管道运行温度，即热载荷；a1、a2、a3、a4为与管材、内径和最大径向位移关联的拟合系数；b1、b2、b3、b4为与管材、内径和最大等效塑性应变关联的拟合系数；
所述处理模块，还用于获取所述管材对应的多个最大径向位移和多个最大等效塑性应变；所述最大径向位移为在指定热载荷作用下，指定内径、指定壁厚、所述管材对应的埋地管道的最大径向位移；所述最大等效塑性应变为在指定热载荷作用下，指定内径、指定壁厚、所述管材对应的埋地管道的最大等效塑性应变；所述指定内径、指定壁厚、所述管材对应的埋地管道，为具有所述预设管道缺陷和所述管材的弹塑性，受所述预设运行内压作用，且与所述预设的土壤参数的土壤相互作用的埋地管道；对所述多个最大径向位移和与所述多个最大径向位移关联的内径、壁厚、热载荷，进行非线性拟合，得到与所述管材、内径、最大径向位移关联的拟合系数；对所述多个最大等效塑性应变和与所述多个最大等效塑性应变关联的内径、壁厚、热载荷，进行非线性拟合，得到与所述管材、内径、最大等效塑性应变关联的拟合系数；
所述处理模块，还用于将所述预设管道缺陷对应的预设参数、所述预设运行内压、所述预设的土壤参数、所述管材的弹塑性对应的预设参数、指定内径、指定壁厚、指定热载荷输入预先设置的管道模型，得到与所述管材、所述指定内径、所述指定壁厚对应的埋地管道在所述指定热载荷下的最大径向位移和最大等效塑性应变；其中，所述管道模型为用于模拟埋地管道热屈曲行为的有限元模型。
5.一种管道设计装置，其特征在于，所述装置包括：
处理器和存储器；
所述存储器存储所述处理器可执行的可执行指令；
其中，所述处理器执行所述存储器存储的可执行指令，使得所述处理器执行如权利要求1-3任一项所述的方法。
6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1-3任一项所述的方法。
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