一种天然气管道止裂预测的方法
【专利摘要】本发明公开了一种天然气管道止裂预测的方法，属于管道设计制造【技术领域】。所述方法包括：获取试样断裂时单位面积上损伤断裂吸收能临界值。利用有限元方法建立管道服役条件下的数值模型，计算管道裂纹尖端区域单位面积上的损伤断裂吸收能，以所述损伤断裂吸收能是否达到所述损伤断裂吸收能临界值作为管道是否开裂的判据。根据判据，从有限元模型中计算得到裂纹扩展速度和气体减压波速度。若所述裂纹扩展速度大于等于气体减压波速度，则管道在现有服役条件下，出现裂纹后不能止裂；否则，管道在现有服役条件下，出现裂纹后能止裂。本发明基于损伤断裂吸收能，利用拉伸试样预测管道止裂性能，对保障管道安全运行有一定的示范作用。
【专利说明】一种天然气管道止裂预测的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及管道设计制造【技术领域】，特别涉及一种然气管道止裂预测的方法。
【背景技术】
[0002]为满足国民经济发展对天然气日益增长的需求，天然气管道正朝着高钢级、大口径、高压力方向发展。高钢级、高压力天然气管道惠及国计民生的同时，一旦发生事故，后果不堪设想，其中管道裂纹长程扩展是最不可接受的灾难性后果，因此设计对钢管性能的基本要求是起裂后能迅速止裂。其中脆性开裂的止裂设计可以通过控制管材的韧脆转换温度来实现，而裂纹延性扩展则需要通过提高管材止裂韧性加以控制。
[0003]以管材夏比冲击功(CVN)为指标的裂纹延性扩展止裂设计是目前国际上普遍采用的方法。对于重大管道或采用明显技术进步的管道(如西气东输二线)，夏比冲击功最小要求值的确定是管线设计的重要研究课题。现有管材止裂性能设计方法为首先采用半经验公式(如BATTLE双曲线法)确定CVN值，然后利用气体全尺寸爆破试验验证或修正。
[0004]在实现本发明的过程中，现有技术至少存在以下问题:
[0005]首先，CVN值是否可以代表管道的真实韧性值得商榷。CVN试验实际上是三点弯曲试验，试样缺口处存在较大弯曲应力，而实际大口径钢管管壁裂纹沿轴向起裂及扩展时，管壁环向的拉伸应力远远大于弯曲应力。因此可以认为CVN试样增加了裂纹尖端的约束，过低估计了管线钢的韧性值。
[0006]第二，现有止裂预测的半经验公式是否对高钢级管道有效值得探讨。国际上，止裂预测半经验公式有BATTLE双曲线法(BTC)、AIS1、British Gas等模型，其中BTC模型应用最为广泛。该模型于上世纪70年代提出，是以当时低钢级管线钢实物爆破试验的统计数据为依据，拟合得出的公式。BATTLE模型原理为根据管材CVN值计算管道裂纹扩展速度，并同时计算气体减压波扩展速度，若前者大于后者，则当前CVN值下管道裂纹出现后不能止裂，否者可以止裂。该模型成功预测了不同工况条件下X70及以下级别管线钢止裂所需CVN值，然而当钢级超过X80、压力超过lOMPa时，BTC方法预测的准确性急剧下降，需要加以修正或重新建立公式，而目前缺少较为公认的预测公式。
【发明内容】
[0007]为了解决现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种天然气管道止裂预测的方法。
[0008]为达到以上目的，本发明的技术方案如下:
[0009]包括以下步骤:
[0010]1)利用拉伸试验获取天然气管道单位面积上的损伤断裂吸收能临界值；
[0011]2)利用有限元方法建立天然气管道服役条件下的天然气管道有限元模型，并在钢管有限元模型中设置天然气管道裂纹；
[0012]3)根据天然气管道有限元模型及天然气管道裂纹，计算天然气管道裂纹尖端区域单位面积上的损伤断裂吸收能值，将损伤断裂吸收能值与损伤断裂吸收能临界值进行比较，当损伤断裂吸收能值大于等于损伤断裂吸收能临界值时，天然气管道开裂，从天然气管道有限元模型中计算得到裂纹扩展速度和气体减压波速度；当损伤断裂吸收能值小于损伤断裂吸收能临界值时，天然气管道未开裂；
[0013]4)若所述裂纹扩展速度大于等于所述气体减压波速度，则天然气管道服役条件下出现裂纹后不能止裂；若所述裂纹扩展速度小于所述气体减压波速度，则天然气管道服役条件下出现裂纹后能够止裂。
[0014]2、根据权利要求1所述的一种然气管道止裂预测的方法，其特征在于，所述损伤断裂吸收能临界值获取方法为:
[0015]对天然气管道取横向拉伸试样，在可获取时间-能量曲线及时间-载荷曲线的试验机上进行拉伸试验，获取试样断裂时的能量值以及载荷最大点对应的能量值，将所述断裂时的能量值和载荷最大点对应的能量值的差值除以试样截面积，得到单位面积上的损伤断裂吸收能临界值。
[0016]所述利用有限元方法建立天然气管道服役条件下的天然气管道有限元模型具体包括:
[0017]根据天然气管道的管径、壁厚、长度、密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、真实抗拉强度、均匀延伸率、断裂极限应变、输送介质的温度、压力、定压比热容、定容比热容以及所述损伤断裂吸收能临界值，建立流固耦合的天然气管道有限元模型。
[0018]所述天然气管道有限元模型通过有限元软件ABAQUS建立。
[0019]所述损伤断裂吸收能是指天然气管道从损伤出现到载荷施加完毕过程中吸收的倉tfi。
[0020]所述损伤出现是指天然气管道裂纹尖端材料应变值达到材料均匀延伸率。
[0021]与现有技术比较，本发明的有益效果为:
[0022]本发明提供了一种然气管道止裂预测的方法，利用有限元方法建立天然气管道服役条件下的数值模型，计算天然气管道裂纹尖端区域单位面积上的损伤断裂吸收能，以所述损伤断裂吸收能是否达到所述损伤断裂吸收能临界值作为天然气管道是否开裂的判据。根据这一判据，从有限元模型中计算得到裂纹扩展速度和气体减压波速度。若所述裂纹扩展速度大于等于气体减压波速度，则天然气管道在现有服役条件下，出现裂纹后不能止裂；若所述裂纹扩展速度小于气体减压波速度，则天然气管道在现有服役条件下，出现裂纹后可以止裂。本发明基于损伤断裂吸收能，利用拉伸试样预测天然气管道止裂性能，对保障天然气管道安全运行有一定的示范作用，能够有效的避免高钢级、高压力天然气管道因为开裂发生意外事故，保证了他人生命和财产的安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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。
[0024]图1是本发明实施例提供的拉伸试验时间-载荷以及时间一能量曲线图；
[0025]图2是本发明实施例提供的管道裂纹扩展示意图；
[0026]图3是本发明然气管道止裂预测的方法的流程框图。
【具体实施方式】
[0027]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0028]如图3所示，本发明提供了一种然气管道止裂预测的方法，包括以下步骤:
[0029]1)利用拉伸试验获取天然气管道单位面积上的损伤断裂吸收能临界值；具体的损伤断裂吸收能临界值获取方法为:
[0030]对天然气管道取横向拉伸试样，在可获取时间-能量曲线及时间-载荷曲线的试验机上进行拉伸试验，获取试样断裂时的能量值以及载荷最大点对应的能量值，将所述断裂时的能量值和载荷最大点对应的能量值的差值除以试样截面积，得到单位面积上的损伤断裂吸收能临界值。
[0031]2)利用有限元方法建立天然气管道服役条件下的天然气管道有限元模型，并在钢管有限元模型中设置天然气管道裂纹；
[0032]所述利用有限元方法建立天然气管道服役条件下的钢管有限元模型具体包括:
[0033]根据钢管的管径、壁厚、长度、密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、真实抗拉强度、真实均匀延伸率、真实断裂极限应变、输送介质的温度、压力、定压比热容、定容比热容以及所述损伤断裂吸收能临界值，建立流固耦合的钢管有限元模型。
[0034]3)根据天然气管道有限元模型及天然气管道裂纹，计算天然气管道裂纹尖端区域单位面积上的损伤断裂吸收能值，将损伤断裂吸收能值与损伤断裂吸收能临界值进行比较，当损伤断裂吸收能值大于等于损伤断裂吸收能临界值时，天然气管道开裂，从天然气管道有限元模型中计算得到裂纹扩展速度和气体减压波速度；当损伤断裂吸收能值小于损伤断裂吸收能临界值时，天然气管道未开裂；
[0035]以所述损伤断裂吸收能是否达到所述损伤断裂吸收能临界值作为天然气管道是否开裂的判据。所述损伤断裂吸收能是指管材从损伤出现到载荷施加完毕过程中吸收的能量。所述“损伤出现”是指天然气管道裂纹尖端材料应变值达到材料均匀延伸率。
[0036]4)若所述裂纹扩展速度大于等于所述气体减压波速度，则天然气管道服役条件下出现裂纹后不能止裂；若所述裂纹扩展速度小于所述气体减压波速度，则天然气管道服役条件下出现裂纹后能够止裂。
[0037]本发明中，在上述条件下计算裂纹扩展速度Vf，同时计算得到气体减压波扩展速度Vs,若Vf彡Vs,则天然气管道在当前服役条件下出现轴向裂纹后无法止裂；若Vf〈Vs，则天然气管道在当前服役条件下出现轴向裂纹后可以止裂。
[0038]下面以具体实验为例进行说明:
[0039]步骤一:在天然气管道上取横向拉伸试样，本实施例标距范围内的规格为Φ8.9mm，利用INSTR0N拉伸试验机进行试验。获取的参数如下(如图1所示):损伤开始时的能量为280J，断裂时的能量为920J，于是所述单位面积损伤断裂吸收能D。为10.3J/mm2。
[0040]步骤二:利用商用有限元软件ABAQUS建立天然气管道有限元模型，ABAQUS是工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。建立的各项参数为:天然气管道外径1219mm、壁厚18.4mm、长度(半模型)12m、密度7.8g/mm3、弹性模量210000MPa、泊松比0.3、屈服强度600MPa、真实抗拉强度720MPa、均匀延伸率0.08、断裂极限应变1.48、输送介质的温度20°C、压力12MPa、定压比热容2.25kJ/(kg.K)、定容比热容1.74kJ/(kg.K)以及所述单位面积损伤断裂吸收能临界值10.3J/mm2。初始裂纹半长度设为200mm。
[0041]步骤三:利用商用有限元软件ABAQUS进行有限元计算，获取裂纹预期扩展路径上每个部位的损伤断裂吸收能，判断各个部位的损伤断裂吸收能是否达到临界值。若达到临界值，使该部分材料开裂。
[0042]步骤四:在上述参数情况下，计算所得裂纹扩展(如图2所示)速度Vf为258m/s，气体减压波速度Vs为360m/s。由此可知Vf〈Vs，天然气管道在当前服役条件下出现轴向裂纹后可以止裂。
[0043]上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0044]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成。
[0045]以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种天然气管道止裂预测的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)利用拉伸试验获取天然气管道单位面积上的损伤断裂吸收能临界值； 2)利用有限元方法建立天然气管道服役条件下的天然气管道有限元模型，并在钢管有限元模型中设置天然气管道裂纹； 3)根据天然气管道有限元模型及天然气管道裂纹，计算天然气管道裂纹尖端区域单位面积上的损伤断裂吸收能值，将损伤断裂吸收能值与损伤断裂吸收能临界值进行比较，当损伤断裂吸收能值大于等于损伤断裂吸收能临界值时，天然气管道开裂，从天然气管道有限元模型中计算得到裂纹扩展速度和气体减压波速度；当损伤断裂吸收能值小于损伤断裂吸收能临界值时，天然气管道未开裂； 4)若所述裂纹扩展速度大于等于所述气体减压波速度，则天然气管道服役条件下出现裂纹后不能止裂；若所述裂纹扩展速度小于所述气体减压波速度，则天然气管道服役条件下出现裂纹后能够止裂。
2.根据权利要求1所述的一种然气管道止裂预测的方法，其特征在于，所述损伤断裂吸收能临界值获取方法为: 对天然气管道取横向拉伸试样，在可获取时间-能量曲线及时间-载荷曲线的试验机上进行拉伸试验，获取试样断裂时的能量值以及载荷最大点对应的能量值，将所述断裂时的能量值和载荷最大点对应的能量值的差值除以试样截面积，得到单位面积上的损伤断裂吸收能临界值。
3.根据权利要求1所述的一种然气管道止裂预测的方法，其特征在于，所述利用有限元方法建立天然气管道服役条件下的天然气管道有限元模型具体包括: 根据天然气管道的管径、壁厚、长度、密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、真实抗拉强度、均匀延伸率、断裂极限应变、输送介质的温度、压力、定压比热容、定容比热容以及所述损伤断裂吸收能临界值，建立流固耦合的天然气管道有限元模型。
4.根据权利要求3所述的一种然气管道止裂预测的方法，其特征在于，所述天然气管道有限元模型通过有限元软件ABAQUS建立。
5.根据权利要求1所述的一种然气管道止裂预测的方法，其特征在于，所述损伤断裂吸收能是指天然气管道从损伤出现到载荷施加完毕过程中吸收的能量。
6.根据权利要求5所述的一种然气管道止裂预测的方法，其特征在于，所述损伤出现是指天然气管道裂纹尖端材料应变值达到材料均匀延伸率。
【文档编号】G06F17/50GK104462696SQ201410768252
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】杨锋平, 李洋, 罗金恒, 张良, 吉玲康, 马卫锋, 王珂, 李丽锋 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气集团公司管材研究所