CN117195573A - 一种埋地管道可靠度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种埋地管道可靠度计算方法，属于埋地管道可靠度计算领域，该方法为：根据埋地管道基本数据参数分别计算附加荷载作用下埋地管道的垂直作用力及法向力、土壤重力对埋地管道的垂直作用力、内压作用下埋地管道的环向压力以及侧向荷重；计算埋地管道的最大弯矩；计算埋地管道的最大环向应力和最大轴向应力，根据管道最大环向应力和最大轴向应力计算得到埋地管道的极限状态系数；利用蒙特卡洛法统计管道极限状态系数小于0的情况，计算得到埋地管道的可靠度。本发明充分考虑了埋地管道管‑土相互作用过程以及多种荷载作用对埋地管道的影响，能够快速且有效地分析埋地管道的失效概率，在役埋地管道完整性进行全面的风险评估。

Description

一种埋地管道可靠度计算方法

技术领域

本发明属于埋地管道可靠度计算领域，具体涉及一种埋地管道可靠度计算方法。

背景技术

现有技术中，大多数埋地管道可靠度计算方法主要集中在估计管道的环向破坏，虽然某些情况仅采用环向破坏是合理的，但实际管道的坍塌评估受三维增长的影响。现有技术无法准确解释其几何变化，且对于埋地管道的可靠性评估方式、作用荷载类型、考虑条件等条件单一，为确保埋地管道的安全运行在计算埋地管道可靠度时往往会牺牲管道的部分工作能力。为解决上述问题，本发明提供了一种基于附加荷载作用下考虑多因素共同作用的埋地管道可靠度计算方法。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供的一种埋地管道可靠度计算方法，解决了现有埋地管道可靠度计算方法过分保守的问题，同时能够考虑多方面因素共同作用下的埋地管道可靠度的计算。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种埋地管道可靠度计算方法，包括以下步骤：

S1：分别计算附加荷载作用下埋地管道的垂直作用力W₁、土壤重力对埋地管道的垂直作用力W₂、内压作用下埋地管道的环向压力σ_P、埋地管道的侧向荷重q_TUC以及附加荷载作用下埋地管道的法向力N；

S2：根据附加荷载作用下埋地管道的垂直作用力W₁、土壤重力对埋地管道的垂直作用力W₂以及内压作用下埋地管道的环向压力σ_P计算得到埋地管道的最大环向应力σ_X；

S3：根据埋地管道的侧向荷重q_TUC以及F计算得到埋地管道的最大弯矩M；

S4：根据埋地管道的最大弯矩M、附加荷载作用下埋地管道的法向力N以及内压作用下埋地管道的环向压力σ_P计算得到埋地管道的最大轴向应力σ_Y；

S5：根据埋地管道的最大环向应力σ_X和埋地管道的最大轴向应力σ_Y计算得到埋地管道的极限状态系数σ_t；

S6：比较埋地管道的极限状态系数σ_t与0的大小，并根据比较结果判断管道是否失效；

S7：根据判断结果，利用蒙特卡洛法统计埋地管道没有失效的情况，并根据统计结果得到埋地管道的可靠度。

本发明技术方案的有益效果为：本发明充分考虑埋地管道管-土相互作用以及外部荷载等多因素共同作用对埋地管道可靠度的影响，能够快速且有效的分析埋地管道结构失效概率。

进一步地：附加荷载作用下埋地管道的垂直作用力W₁的计算公式如下：

其中，F为土表荷载，D为管道直径，H为埋深。

上述进一步方案的有益效果为：根据埋地管道自身性质计算出附加荷载作用下埋地管道的垂直作用力W₁，便于后期计算埋地管道的最大环向应力σ_X。

土壤重力对埋地管道垂直作用力W₂的计算公式如下：

其中，n为土层数，ρ_i为第i层土壤密度，h_i为第i层土壤厚度，g为重力加速度。

上述进一步方案的有益效果为：根据埋地管道所埋土壤的相关性质计算出土壤重力对埋地管道的垂直作用力W₂，便于后期计算埋地管道的最大环向应力σ_X。

进一步地：内压作用下埋地管道的环向压力σ_P的计算公式如下：

其中，P为管道工作时的压力，s为管道壁厚；

上述进一步方案的有益效果为：计算得到内压作用下埋地管道的环向压力，便于后期计算σ_X和σ_Y。

进一步地：埋地管道的侧向荷重q_TUC的计算公式如下：

其中，ρ为土壤密度，为土壤的摩擦角；

上述进一步的有益效果为：根据土壤相关参数计算出埋地管道的侧向荷重q_TUC，便于后期计算埋地管道的最大弯矩M。

进一步地：附加荷载作用下埋地管道的法向力N的计算公式如下：

其中，ρ为土壤密度，h为土壤厚度，a为荷载作用的宽度，b为荷载作用的长度，μ_D为荷载动力系数。

上述进一步方案的有益效果为：根据土壤相关参数计算出土壤附加荷载作用下埋地管道的法向力N，便于后期计算埋地管道的最大弯矩M。

进一步地：管道的最大环向应力σ_X的计算公式如下：

其中，D为管道直径，s为管道壁厚，k为弯曲系数，E为管道的弹性模量，K为基座系数，P为管道工作时的压力。当开槽铺设时k＝0.108，K＝0.235，当钻孔埋设时k＝0.096，K＝0.157。

上述进一步方案的有益效果为：根据W₁和W₂计算出管道的最大环向应力σ_X，便于后期计算埋地管道的极限状态系数σ_t。

进一步地：埋地管道的最大弯矩M的计算公式如下：

其中，ρ为土壤密度，h为土壤厚度，h_D为荷载动力系数，F为土表荷载，a为荷载作用的宽度，b为荷载作用的长度，H为埋深，D为管道直径。

上述进一步方案的有益效果为：根据埋地管道的侧向荷重q_TUC和土壤相关参数计算出管道的最大弯矩M，便于后期计算埋地管道的最大轴向应力σ_Y。

进一步地：埋地管道的最大轴向应力σ_Y的计算公式如下：

其中，D为管道直径。

上述进一步方案的有益效果为：根据M、N以及σ_P计算出埋地管道的最大轴向应力σ_Y，便于后期计算埋地管道极限状态系数σ_t。

进一步地：埋地管道的极限状态系数σ_t的计算公式如下：

其中，σ_X、σ_Y和σ_Z分别为埋地管道的最大环向应力、埋地管道的最大轴向应力、第三主应力；Φ为设计系数，σ_s为管道的屈服应力。

上述进一步方案的有益效果为：根据σ_X、σ_Y、σ_Z和σ_s计算出埋地管道的极限状态系数σ_t，便于后续统计判断管道是否可靠。

进一步地：将埋地管道的极限状态系数σ_t与0比较大小判断管道是否失效，具体判别方法如下：当σ_t＝0时，管道处于极限状态；当σ_t<0时，管道没有失效；当σ_t>0时，管道失效。

上述进一步方案的有益效果为：为可靠度的判定提供了标准，能够对数据进行分类分析。

进一步地：可靠度计算公式如下：

其中，P为埋地管道的可靠度，Z为σ_t<0发生的次数，N为总次数。

上述进一步方案的有益效果为：将可靠度进行数字化，能够直观地表现出管道的可靠性能。

本发明的有益效果为：本发明充分考虑了管-土相互作用以及外部荷载等多因素共同作用对埋地管道可靠度的影响，能够快速且有效地分析埋地管道的失效概率，同时能够更加全面地对埋地管道实施进行风险评估，针对相关参数对埋地管道安全运维进行优化。

附图说明

图1为一种埋地管道可靠度计算方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本发明计算方法的流程如下：一种埋地管道可靠度计算方法埋地管道可靠度计算方法，包括以下步骤：

S1：分别计算附加荷载作用下埋地管道的垂直作用力W₁、土壤重力对埋地管道的垂直作用力W₂、内压作用下埋地管道的环向压力σ_P、埋地管道的侧向荷重q_TUC以及附加荷载作用下埋地管道的法向力N；

S2：根据附加荷载作用下埋地管道的垂直作用力W₁、土壤重力对埋地管道的垂直作用力W₂以及内压作用下埋地管道的环向压力σ_P计算得到埋地管道的最大环向应力σ_X；

S3：根据埋地管道的侧向荷重q_TUC计算得到埋地管道的最大弯矩M；

S4：根据埋地管道的最大弯矩M、附加荷载作用下埋地管道的法向力N以及内压作用下埋地管道的环向压力σ_P计算得到埋地管道的最大轴向应力σ_Y；

S5：根据埋地管道的最大环向应力σ_X和埋地管道的最大轴向应力σ_Y计算得到埋地管道的极限状态系数σ_t；

S6：比较埋地管道的极限状态系数σ_t与0的大小，并根据比较结果判断管道是否失效；

S7：根据判断结果，利用蒙特卡洛法统计埋地管道没有失效的情况，并根据统计结果得到埋地管道的可靠度。

首先，分别计算附加荷载作用下埋地管道的垂直作用力W₁、土壤重力对埋地管道的垂直作用力W₂、内压作用下埋地管道的环向压力σ_P、埋地管道的侧向荷重q_TUC以及附加荷载作用下埋地管道的法向力N；

附加荷载作用下埋地管道的垂直作用力W₁的计算公式如下：

其中，F为土表荷载，D为管道直径，H为埋深；

土壤重力对埋地管道垂直作用力W₂的计算公式如下：

其中，n为土层数，ρ_i为第i层土壤密度，h_i为第i层土壤厚度，g为重力加速度；

内压作用下埋地管道的环向压力σ_P的计算公式如下：

其中，P为管道工作时的压力，s为管道壁厚；

埋地管道的侧向荷重q_TUC的计算公式如下：

其中，ρ为土壤密度，为土壤的摩擦角；

附加荷载作用下埋地管道的法向力N的计算公式如下：

其中，h为土壤厚度，μ_D为荷载动力系数，a为荷载作用的宽度，b为荷载作用的长度。

然后，根据以上结果可计算出埋地管道的最大环向应力σ_X、最大弯矩M和最大轴向应力σ_Y。

埋地管道的最大环向应力σ_X的计算公式如下：

其中，D为管道直径，s为管道壁厚，k为弯曲系数，E为管道的弹性模量，K为基座系数，P为管道工作时的压力；当开槽铺设时k＝0.108，K＝0.235，当钻孔埋设时k＝0.096，K＝0.157。

埋地管道的最大弯矩M的计算公式如下：

其中，ρ为土壤密度，h为土壤厚度，μ_D为荷载动力系数，F为土表荷载，a为荷载作用的宽度，b为荷载作用的长度，H为埋深，D为管道直径。

埋地管道的最大轴向应力σ_Y的计算公式如下：

其中，M为埋地管道的最大弯矩，N为附加荷载作用下埋地管道的法向力，P为管道工作时的压力，s为管道壁厚，D为管道直径。

最后，根据以上计算结果可计算出管道的极限状态系数σ_t，其计算公式如下：

其中，σ_X、σ_Y和σ_Z分别为埋地管道的最大环向应力、埋地管道的最大轴向应力、第三主应力；Φ为设计系数，σ_s为管道的屈服应力。

比较管道的极限状态系数W_t与0的大小判断管道是否失效，具体判别方法如下：当σ_t＝0时，管道处于极限状态；当σ_t<0时，管道没有失效；当σ_t>0时，管道失效。

利用蒙特卡洛法统计发生σ_t<0的情况为Z次，总次数为N次，则其可靠度的表达式如下为：

其中，P为埋地管道的可靠度，Z为σ_t<0发生的次数，N为总次数。

本发明的有益效果为：本发明充分考虑埋地管道管-土相互作用以及外部荷载等多因素共同作用，对埋地管道可靠度进行计算分析，能够快速且有效地分析管道地失效概率，同时能够更加全面地对埋地管道进行风险评估，针对相关参数对后续管道进行优化。

本发明的一个实施例

某长输高压天然气管线沿公路铺设，管线埋地的平均深度为0.9m，土壤容重为1890kg/m³。本例土层均质，计算参数参照工程实际及相关文献资料(表1)。应力扩散角为30°，采用开槽铺设；荷载作用范围为矩形，其长为0.5m，宽为0.2m；屈服应力为15.4MPa；本实施例中管道设计参数取0.8。

表1参数统计表

根据以上表格数据，首先建立各个变量参数的正态分布函数，从每个正态分布函数中选取100000个数据，即重复工况N＝100000次，将每一次工况的相关数据代入本发明的计算公式中，首先分别计算附加荷载作用下埋地管道的垂直作用力W₁、土壤重力对埋地管道垂直作用力W₂、内压作用下埋地管道的环向压力σ_P、埋地管道的侧向荷重q_TUC以及附加荷载作用下管道的法向力N；然后根据W₁、W₂以及σ_P计算埋地管道最大环向应力σ_X；根据q_TUC计算出埋地管道最大弯矩M；根据M、N以及σ_P计算出埋地管道轴向的最大轴向应力σ_Y；最终根据σ_X和σ_Y计算出管道极限状态系数σ_t；记录σ_t<0的次数共Z次，最终本实施例得到其可靠度P＝Z/N＝0.977，此公式中N为重复工况次数100000次。

Claims (8)

1.一种埋地管道可靠度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：分别计算附加荷载作用下埋地管道的垂直作用力W₁、土壤重力对埋地管道的垂直作用力W₂、内压作用下埋地管道的环向压力σ_P、埋地管道的侧向荷重q_TUC以及附加荷载作用下埋地管道的法向力N；

S2：根据附加荷载作用下埋地管道的垂直作用力W₁、土壤重力对埋地管道的垂直作用力W₂以及内压作用下埋地管道的环向压力σ_P，计算得到埋地管道的最大环向应力σ_X；

S3：根据埋地管道的侧向荷重q_TUC，计算得到埋地管道的最大弯矩M；

S4：根据埋地管道的最大弯矩M、附加荷载作用下埋地管道的法向力N以及内压作用下埋地管道的环向压力σ_P，计算得到埋地管道的最大轴向应力σ_Y；

S5：根据埋地管道的最大环向应力σ_X和埋地管道的最大轴向应力σ_Y计算得到埋地管道的极限状态系数σ_t；

S6：比较埋地管道的极限状态系数σ_t与0的大小，并根据比较结果判断管道是否失效；

S7：根据判断结果，利用蒙特卡洛法统计埋地管道没有失效的情况，并根据统计结果得到埋地管道的可靠度。

2.根据权利要求1所述的埋地管道可靠度计算方法，其特征在于，所述步骤S1中附加荷载作用下埋地管道的垂直作用力W₁的计算公式如下：

其中，F为土表荷载，D为管道直径，H为埋深；

所述土壤重力对埋地管道垂直作用力W₂的计算公式如下：

其中，n为土层数，ρ_i为第i层土壤密度，h_i为第i层土壤厚度，g为重力加速度；

所述内压作用下埋地管道的环向压力σ_P的计算公式如下：

其中，P为管道工作时的压力，s为管道壁厚；

所述埋地管道的侧向荷重q_TUC的计算公式如下：

其中，ρ为土壤密度，为土壤的摩擦角；

所述附加荷载作用下埋地管道的法向力N的计算公式如下：

其中，h为土壤厚度，μ_D为荷载动力系数，a为荷载作用的宽度，b为荷载作用的长度。

3.根据权利要求1所述的埋地管道可靠度计算方法，其特征在于，所述步骤S2中埋地管道的最大环向应力σ_X的计算公式如下：

其中，D为管道直径，s为管道壁厚，k为弯曲系数，E为管道的弹性模量，K为基座系数，P为管道工作时的压力。

4.根据权利要求1所述的埋地管道可靠度计算方法，其特征在于，所述步骤S3中埋地管道的最大弯矩M的计算公式如下：

其中，ρ为土壤密度，h为土壤厚度，μ_D为荷载动力系数，F为土表荷载，a为荷载作用的宽度，b为荷载作用的长度，H为埋深，D为管道直径。

5.根据权利要求1所述的埋地管道可靠度计算方法，其特征在于，所述步骤S4中管道最大轴向应力σ_Y的计算公式如下：

其中，D为管道直径。

6.根据权利要求1所述的埋地管道可靠度计算方法，其特征在于，所述步骤S5中埋地管道的极限状态系数σ_t的计算公式如下：

其中，σ_X、σ_Y和σ_Z分别为埋地管道的最大环向应力、埋地管道的最大轴向应力和径向应力，Φ为设计系数，σ_s为管道的屈服应力。

7.根据权利要求1所述的埋地管道可靠度计算方法，其特征在于，所述步骤S6具体如下：

比较埋地管道的极限状态系数σ_t与0的大小，当σ_t＝0时，管道处于极限状态；当σ_t<0时，管道没有失效；当σ_t>0时，管道失效。

8.根据权利要求1所述的埋地管道可靠度计算方法，其特征在于，所述步骤S7中可靠度的计算公式如下：

其中，P为埋地管道的可靠度，Z为σ_t<0发生的次数，N为总次数。