本发明涉及一种基于管道存在弹性敷设时轴向监测应力的预警方法，属于油气长输管道应力监测技术领域。
背景技术：
在油气长输管道的建设及规划中，因资源市场分布以及地形、地方规划等因素限制，油气管道不可避免地要通过活动断层、坡体、采空区、软土等可能发生地表位移的地段。这些地段的管道除了环向承压外，轴向还会受到由于地表位移引起的附加应力，使得管道应力处于危险状态。当前对于可能发生地表位移地段的管道，多采用应力监测措施，以便实时掌握管道的应力状态，及时采取应对措施。振弦式应变计因其传感器结构简单、输出信号便于计算机处理、连接牢固适用于长期监测等优点，广泛应用于油气长输管道的应力监测措施中。
评估埋地管道的应力状态时，一般根据管道的轴向应力以及轴向应力与环向应力组合的当量应力进行评价。对于埋地直管道而言，管道位移变形主要影响管道轴向应力，其对管道环向应力的影响很小可以忽略不计，管道环向应力只与管道运行压力有关。因此对地表位移段管道采取长期应力监测措施时，一般只在管道轴向上布置振弦式应变计，监测管道的轴向应力变化情况，同时参考运行压力等因素评价管道的应力状态。根据管道轴向应力评估管道应力状态并判断应力预警级别的方法，称为基于管道轴向监测应力的预警方法。这种监测措施方法简单，经济性好，便于应用。
但是，实施中因为对管道应力内涵的理解不够透彻，易将管道轴向应力监测值与管道轴向应力(或轴向附加应力)混淆，同时存在采取应力监测措施时的管道轴向应力设置不符合实际、预警值设置方法不合理等问题，导致管道应力状态及预警级别的判断极易出现偏差，造成管道应力安全状态误预警或管道应力危险状态不预警等危险情况，严重影响管道安全和应急处置。这是管道穿越多发地表位移地段 应力应变监测及预警方面亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
为了解决目前管道轴向应力监测及应力预警中存在的一系列问题，本发明的目的在于提供一种基于管道存在弹性敷设时轴向监测应力的预警方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现的：
一种基于管道存在弹性敷设时轴向监测应力的预警方法，包括以下步骤：
步骤1，根据采取应力监测措施的时间节点建立管道轴向应力计算模型，其为：
σL＝σL,1+ΔσL
式中：σL为采取应力监测措施后的管道轴向应力；σL,1为采取应力监测措施时的管道轴向应力；ΔσL为采取应力监测措施之后的管道轴向附加应力；
步骤2，建立采取应力监测措施时的管道轴向应力计算模型，其为：
式中：μ为泊松比；α为管材的线膨胀系数；E为管材的弹性模量；P1为采取监测措施时的运行压力；d为管道内径；t为管道壁厚；T0为管道下沟回填时的管壁温度；T1为采取监测措施时的管壁温度；D为管道外径；ρ为弹性敷设曲率半径；
步骤3，建立采取应力监测措施后的管道轴向附加应力与轴向应力监测值之间的计算模型，其为：
式中：σL,M为管道轴向应力监测值；P2为轴向应力监测值对应时刻的管道运行压力；
步骤4，根据步骤1～步骤3中所述的计算模型，建立采取应力监 测措施后的管道轴向应力与轴向应力监测值之间的计算模型，其为：
步骤5，建立管道轴向允许附加应力的关系式，其为：
式中：σs为管材的屈服强度；
步骤6，根据步骤5中所述管道轴向允许附加应力的关系式，建立管道轴向监测应力的应力预警级别模型，其为：
式中：β为管道轴向附加应力占管道轴向允许附加应力的百分比；
步骤7，采用步骤6中所述基于管道轴向监测应力的应力预警级别模型，根据模型中的管道参数、轴向应力监测数据和管道运行参数，计算管道的应力状态，判断管道的应力预警级别。
进一步的，管道轴向监测应力允许值的关系式为：
进一步的，采取应力监测措施为：在管道上选择监测截面，沿监测截面圆周选择若干个位置作为应力监测点，打开各监测点防腐层并将管壁打磨光滑；在管壁外表面的各应力监测点沿管道轴向布置振弦式应变计，待所有应力监测点的振弦式应变计布置完毕后，清零振弦 式应变计读数，并将此时刻计为采取应力监测措施的时刻，开始记录管道轴向应力数据。
进一步的，管道应力预警级别可设置为：
当β处于30％与60％之间时，为蓝色预警；
当β处于60％与90％之间时，为蓝色预警；
当β大于90％时，为红色预警。
本发明有益效果为：
本发明提供的基于管道轴向监测应力的预警方法，通过建立简单的计算模型，使管道设计人员根据管道参数、轴向应力监测数据和管道运行数据等相关参数，便可计算出某一时刻的管道应力状态和相应的预警级别，提高了工作效率，降低了因管道应力认识不足造成应力预警误判的可能性。本发明实施简单，进行应力监测时只需要在管道轴向布置振弦式应变计，且不用增加温度补偿装置，即可进行长期的管道应力监测并评估管道应力状态和预警级别；同时提供的计算模型，具有通用性强、方便快捷、准确度高等优点，易被广大管道运行管理人员和设计人员掌握，可广泛应用于管道应力监测领域。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
将管道轴向应力进行分解，通过力学理论，分析各轴向应力分量的应力与应变之间的对应关系，研究各轴向应力分量在应变计上的反映。多发地表位移段埋地管道轴向应力一般包括内压引起的轴向泊松应力σP、温度变化引起的管道轴向应力σT和管道位移引起的轴向应力σD。管道轴向监测应力只反映管道轴向应力应变的变化，各轴向应力分量表现如下：
(1)内压引起的轴向泊松应力σP。在内压作用下，管道环向膨胀的同时发生轴向收缩，因管道轴向受到土体的约束作用限制了管道 的轴向变形，在管道轴向产生泊松应力σP，轴向变形为0；因应变计的变形与管道同步，故管道轴向应变计无法测出内压引起的轴向泊松应力σP。
(2)温度变化引起的管道轴向应力σT。当管道运行温度和初始温度不同时，管道轴向发生热胀冷缩，因土体约束限制了管道的轴向变形，在管道轴向产生轴向应力σT；轴向应变计温度与管壁相同，应变计的振弦发生同步的热胀冷缩并表现出振动频率的变化，进而在应变计中产生温度变化引起应力σT1；应变计振弦和管材的线膨胀系数相同，故σT＝σT1，故振弦式应变计可以反映温度变化引起的管道轴向应力σT。
(3)管道位移引起的轴向应力σD。当管道发生位移变形时，管道轴向产生应变，轴向应变计和管道的轴向变形同步且变形量相等，故管道轴向应变计可以测出管道位移引起的轴向应变进而可得到对应的轴向应力σD。
通过上述分析可知，管道轴向应力监测值不完全等同于实际的管道轴向应力(或管道轴向附加应力)。
实施例1
一种基于管道存在弹性敷设时轴向监测应力的预警方法，包括已下步骤：
步骤1，根据采取应力监测措施的时间节点建立管道轴向应力计算模型，其为：
σL＝σL,1+ΔσL
式中：σL为采取应力监测措施后的管道轴向应力(MPa)；σL,1为采取应力监测措施时的管道轴向应力(MPa)；ΔσL为采取应力监测措施之后的管道轴向附加应力(MPa)；
步骤2，从力学理论出发，建立采取应力监测措施时的管道轴向应力计算模型，其为：
式中：μ为泊松比，取0.3；α为管材的线膨胀系数，一般取1.2×10-5℃-1；E为管材的弹性模量(MPa)；P1为采取监测措施时的运行压力(MPa)；d为管道内径(mm)；t为管道壁厚(mm)；T0为管道下沟回填时的管壁温度(℃)；T1为采取监测措施时的管壁温度(℃)；D为管道外径(mm)；ρ为弹性敷设曲率半径(mm)；
步骤3，从力学理论出发，建立采取应力监测措施后的管道轴向附加应力与轴向应力监测值之间的计算模型，其为：
式中：σL,M为管道轴向应力监测值(MPa)；P2为轴向应力监测值对应时刻的管道运行压力(MPa)；
步骤4，根据步骤1～步骤3中所述的计算模型，建立采取应力监测措施后的管道轴向应力与轴向应力监测值之间的计算模型，其为：
步骤5，建立管道轴向允许附加应力的关系式。
当量应力要求：参照《输气管道工程设计规范》(GB50251-2015)，当量应力应小于0.9倍最小屈服强度，如下所示：
σe＝|σh-σL|≤0.9σs
式中，σh为管道环向应力(MPa)，σs为管材的屈服强度(MPa)；
根据上式和步骤1、步骤2中的计算模型，可得：
轴向应力要求：参照《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》(ASME B31.8-2014)，轴向应力应小于0.9倍最小屈服强度，如下所示：
|σL|≤0.9σs
根据上式和步骤1、步骤2中的计算模型，可得：
得到管道轴向允许附加应力的关系式，其为：
式中：σs为管材的屈服强度(MPa)；
步骤6，根据步骤5中所述管道轴向允许附加应力的关系式，建立基于管道轴向监测应力的应力预警级别模型，其为：
式中：β为管道轴向附加应力占管道轴向允许附加应力的百分比；
步骤7，采用步骤6中所述基于管道轴向监测应力的应力预警级别模型，根据应力预警级别模型中的管道参数、轴向应力监测数据和管道运行参数，计算管道的应力状态，判断管道的应力预警级别。
另外，根据步骤4中采取应力监测措施后的管道轴向应力与轴向应力监测值之间的计算模型及步骤5中管道轴向允许附加应力的关系式，得到管道轴向监测应力允许值的关系式为：
本发明适用于弹性敷设段埋地管道。
下面以D1219mm/15.3mm壁厚/X80钢级某管道，某地表位移处弹性敷设段轴向应力监测为例来说明本实施例的计算过程：
1)管道参数，如表1所示：
表1
2)采取应力监测措施后某一时刻的监测数据显示，监测截面呈受压状态，最大轴向压缩应力为-113.61MPa。
3)管道的应力预警级别：
假设管道应力预警级别设置原则为：当管道轴向附加应力达到管道轴向允许附加应力的30％时，为蓝色预警水平；当管道轴向附加应力达到管道轴向允许附加应力的60％时，为黄色预警水平；当管道轴向附加应力达到管道轴向允许附加应力的90％时，为红色预警水平。
根据基于管道轴向监测应力的应力预警级别模型判断应力预警级别。其中：泊松比μ取0.3；钢材的线膨胀系数α取1.2×10-5℃-1；钢材的弹性模量E＝2.1×105MPa；D管道外径，mm；t为管道壁厚，mm；d为管道内径，mm；ρ为弹性敷设曲率半径，mm；管道下沟回填时的管壁温度T0＝21.8℃；采取监测措施时的运行压力P1＝8.38MPa；采取监测措施时的管壁温度T1＝9.8℃；应力监测后计算时刻的运行压力P2＝7.81MPa；管材屈服强度σs＝555MPa；监测截面最大轴向压缩应力σL,M＝-113.61MPa。
首先判断
选取公式并计算得
参照管道应力预警级别设置原则，管道应力处于蓝色预警水平。
本实施例提供的基于管道轴向监测应力的预警方法，通过建立简单的数学计算模型，根据管道参数、管道监测数据和运行数据等相关参数，便可便捷地计算出管道应力预警级别，提高了工作效率，减少了管道运行管理人员和设计人员对管道应力认识不足造成预警误判的可能性。本发明中所述的轴向应力监测数据中包含轴向温差应力的监测措施。本发明提供的计算模型，具有通用性强、计算快捷、使用方便、准确度高等优点，易被广大管道运行管理人员、管道应力监测人员和管道设计人员掌握，可广泛应用于管道应力监测领域。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。