一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法与流程

本发明属于天然气输送管道断裂控制
技术领域：
，具体涉及一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法。
背景技术：
：天然气是一种清洁能源，也是一种易燃、易爆的危险介质，通常采用管道运输。管道在长期服役过程中，由于受到地层压力、腐蚀、疲劳、外部机械损伤等，易于造成管道开裂、泄漏等事故发生。输气管道一旦开裂，管内高压气体并不能立刻排空，而是由断裂点向两侧各产生一个减压波并向远端传播。由于气体减压波速低于裂纹扩展速度，裂纹尖端就会保持持续的高应力状态，裂纹也会持续的高速扩展，进而导致输气管道延性裂纹的长程扩展。高压天然气管道中裂纹的长程扩展会造成巨大的灾难和损失，因此必须保证管道一旦开裂后能够及时止裂。现有的全尺寸气体爆破试验结果表明：对于高钢级管道，其难以依靠自身韧性进行止裂，这已经成为严重威胁管道安全并制约高钢级管线钢应用的瓶颈问题。当管线钢自身的韧性不能保证阻止延性裂纹扩展时，需采用一些外部机械装置，通过施加外部约束来预防、阻止管道中延性裂纹的长程扩展。止裂过程涉及到裂纹的高速动态扩展、天然气减压波、管道自身阻力以及止裂器外部约束的交互作用，无论有限元计算还是全尺寸爆破试验验证都非常复杂，目前国内外没有公认的公式/方法/标准可用于高钢级输气管道外部止裂器的设计。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，可用于阻止高钢级管线钢管道延性裂纹的长程扩展。本发明采用以下技术方案：一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，包括以下步骤：s1、根据管线技术指标计算管道服役条件下的减压波曲线与材料阻力曲线，通过减压波曲线和材料阻力曲线计算工况条件下管道的断裂速度vf；s2、改变材料阻力曲线中的断裂阻力f，通过减压波曲线与材料阻力曲线的切点计算得到管道止裂时的最小断裂速度vmin；s3、判断当前钢套筒止裂器设计方法是否适用；s4、止裂器材质、dwtt剪切面积要求、间隙度选择；s5、钢套筒止裂器厚度计算；s6、止裂器长度计算。更进一步的，本发明的特点还在于：步骤s1中，管道的断裂速度vf为减压波曲线与材料阻力曲线的交点速度。其中，减压波曲线采用bwrs/gegr08气体状态方程计算，输入的参数包括温度、压力、各天然气组分摩尔百分比，输出为减压波曲线；材料阻力曲线计算如下：其中，σflow为钢管流变应力，t为钢管壁厚，d为钢管直径，e为钢管弹性模量，r为钢管单位面积的夏比冲击功，pa为止裂压力，vc为裂纹扩展速度。更进一步的，本发明的特点还在于：步骤s2中，当材料阻力曲线与减压波曲线相切时的断裂速度即为管道止裂时的最小断裂速度vmin。更进一步的，本发明的特点还在于：步骤s3中，管道断裂速度vf小于最大断裂速度vmax。其中，最大断裂速度vmax计算如下：其中，cr为钢管与止裂器的缝隙宽度；r为主管线钢管半径。更进一步的，本发明的特点还在于：步骤s4中，选用与主管线相同钢级材料制作钢套筒止裂器；钢套筒止裂器在主管线设计温度下的dwtt剪切面积≥50％；选用与主管线之间间隙度为零的止裂器。更进一步的，本发明的特点还在于：步骤s5中，钢套筒止裂器的厚度计算如下：其中，tarr钢套筒止裂器厚度；tpipe主管线钢管厚度；σupipe主管线钢管抗拉强度；σuarr钢套筒止裂器抗拉强度。更进一步的，本发明的特点还在于：步骤s6中，钢套筒止裂器的长度计算如下：其中，vmin为最小断裂速度，即裂纹止裂时的临界速度；vf'为对管道断裂速度vf修正后的断裂速度，修正后的断裂速度更加保守；d为主管线钢管直径；m为止裂/扩展边界线斜率。其中，止裂/扩展边界线斜率m由下式计算：对管道断裂速度vf进行修正得到修正后的断裂速度v'f，对于x90管线：在1.2vf≥310m/s的情况下，v'f＝1.2vf；在1.2vf<310m/s的情况下，v'f＝310m/s；对于x80管线：在1.2vf≥270m/s的情况下，v'f＝1.2vf；在1.2vf<270m/s的情况下，v'f＝270m/s。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，裂纹扩展的驱动力为裂纹尖端气体压力(即气体减压波)，裂纹扩展的阻力为管道材料本身的断裂阻力。当裂纹扩展驱动力(裂纹尖端气体压力)大于裂纹扩展阻力(钢管自身韧性)时，裂纹将加速扩展。当裂纹扩展驱动力等于裂纹扩展阻力时，裂纹将稳态扩展。当裂纹扩展的驱动力小于裂纹扩展阻力时，裂纹将止裂。裂纹长程扩展是一个非常复杂的力学问题，涉及很多力学参数(如管体应变、裂纹尖端张开角等)。本发明将裂纹扩展过程中的各种参数简化为断裂速度这一简单参数，通过裂纹扩展阻力曲线和减压波曲线计算得到裂纹扩展速度vf和止裂情况下的临界断裂速度vmin。将vf和vmin这两个基本参量代入本发明创造得到的经验公式，可计算得到止裂器设计的关键参数。同时对止裂器的材质、剪切面积和间隙度进行了规定，保证止裂器的经济性和有效性，简化了止裂器设计过程。进一步的，根据现有理论计算得到了实际管道的断裂速度vf，为止裂器的设计提供关键参数。进一步的，减压波曲线和材料阻力曲线计算均为现有成熟计算方法，本发明需要使用这两条曲线来计算管道实际断裂速度vf及止裂时的临界断裂速度vmin。进一步的，根据现有理论计算得到了止裂情况下的临界断裂速度vmin，为止裂器的设计提供关键参数。进一步的，当管道的实际断裂速度高于边界条件速度vmax时，由于裂纹扩展速度太高，钢套筒止裂器无法实现止裂功能。边界条件速度vmax为通过系列x80/x90全尺寸爆破试验得到。进一步的，当钢套筒止裂器材质与主管道一致时，钢套筒止裂器具有和主管道一致的弹性模量，可以协同变形，具有良好的止裂效果。50％的止裂器剪切面积要求，可以保证止裂器不发生脆性断裂。同时，当止裂器与主管道间隙度为0时，止裂器与主管道紧密贴合，止裂效果最好。进一步的，当止裂器材质和间隙度确定后，止裂器设计中最关键的两个参数就是止裂器的厚度和长度。止裂器存在一个最佳厚度，当止裂器厚度达不到要求时，没有止裂效果。当止裂器厚度超过最佳厚度时，止裂能力不会进一步提高，还会造成材料的浪费，本发明通过计算得到了止裂器的最佳厚度。进一步的，当止裂器材质和间隙度确定后，止裂器设计中最关键的两个参数就是止裂器的厚度和长度。理论上，止裂器越长越好，但是随着止裂器长度的增加，成本也会增加。本发明确定了止裂器的最优长度，可以保证对高速扩展的裂纹进行止裂，同时控制了制造成本。进一步的，根据开展的全尺寸爆破试验结果，裂纹扩展速度越高，越难于止裂。同时管道的钢级越高，裂纹扩展速度越高，越难于止裂。对于x90管道，裂纹稳态扩展速度通常在150m/s～258m/s之间，按照1.2倍安全裕量设计，及1.2vf计算(vf取最高值258m/s)，得到的断裂速度为310m/s。按照310m/s断裂速度计算得到的止裂器长度可以保证止裂。在极端情况下，当裂纹扩展速度vf超过258m/s时，按照实际vf的1.2倍进行取值，可以保证止裂效果及经济性。对于x80管道，裂纹稳态扩展速度通常在150m/s～225m/s之间，按照1.2倍安全裕量设计，及1.2vf计算(vf取最高值225m/s)，得到的断裂速度为270m/s。按照270m/s断裂速度计算得到的止裂器长度可以保证止裂。在极端情况下，当裂纹扩展速度vf超过258m/s时，按照实际vf的1.2倍进行取值，可以保证止裂效果及经济性。综上所述，本发明提出了一种用于x80/x90输气管道的钢套筒止裂器设计方法，经此方法设计的钢套筒止裂器通过全尺寸气体爆破试验验证，可以实现高速扩展裂纹的止裂功能。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为管道断裂速度vf计算示意图；图2为管道最小断裂速度vmin计算示意图；图3为止裂/扩展边界线斜率示意图；图4为管道断裂速度vf和最小断裂速度vmin示意图。具体实施方式本发明提供了一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，可用于x80/x90输气管道外部止裂器的设计，防止裂纹的长程扩展。本发明一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，包括以下步骤：s1、根据管线技术指标计算管道服役条件下的减压波曲线与材料阻力曲线，通过减压波曲线和材料阻力曲线计算工况条件下管道的断裂速度vf；管线技术指标包括：管线服役温度、天然气组分、运行压力、钢级、壁厚、钢管夏比冲击功要求。减压波曲线采用bwrs/gegr08气体状态方程计算，输入的参数包括：温度、压力、各天然气组分摩尔百分比，输出为减压波曲线，即天然气压力与速度的对应关系。材料阻力曲线采用公式1和2进行计算如下：其中，σflow为钢管流变应力，t为钢管壁厚，d为钢管直径，e为钢管弹性模量，r为钢管单位面积的夏比冲击功。请参阅图1，管道的断裂速度vf为减压波曲线与材料阻力曲线的交点速度。s2、改变材料阻力曲线中的断裂阻力f，通过减压波曲线与材料阻力曲线的切点计算得到管道止裂时的最小断裂速度vmin；请参阅图2，当材料阻力曲线与减压波曲线相切时的断裂速度即为管道止裂时的最小断裂速度vmin。s3、判断当前钢套筒止裂器设计方法是否适用；管道断裂速度vf必须小于最大断裂速度vmax，在vf大于vmax的情况下不能使用当前钢套筒止裂器设计方法，vmax按公式(3)进行计算：其中，cr为钢管与止裂器的缝隙宽度；r为主管线钢管半径。s4、止裂器材质、dwtt剪切面积要求、间隙度选择；优先选用与主管线相同钢级材料制作钢套筒止裂器；钢套筒止裂器在主管线设计温度下的dwtt剪切面积≥50％；优先选用与主管线之间间隙度为零的止裂器。s5、钢套筒止裂器厚度计算；钢套筒止裂器的厚度采用式(4)进行计算：其中，tarr钢套筒止裂器厚度；tpipe主管线钢管厚度；σupipe主管线钢管抗拉强度；σuarr钢套筒止裂器抗拉强度。s6、止裂器长度计算；钢套筒止裂器的长度采用式(5)进行计算：其中，vmin为最小断裂速度，即裂纹止裂时的临界速度；vf'为对管道断裂速度vf修正后的断裂速度，修正后的断裂速度更加保守；d为主管线钢管直径；m为止裂/扩展边界线斜率。请参阅图3，止裂/扩展边界线斜率m由下式计算：m＝1.95581e7×exp(-100cr/71965.36693×r)+6020.17315×exp(-100cr/0.79489×r)+941.44258×exp(-100×cr/0.17545×r)-1.95565e7(6)。对管道断裂速度vf进行修正得到修正后的断裂速度v'f，修正过程如下：对于x90管线：在1.2vf≥310m/s的情况下，v'f＝1.2vf；在1.2vf<310m/s的情况下，v'f＝310m/s。对于x80管线：在1.2vf≥270m/s的情况下，v'f＝1.2vf；在1.2vf<270m/s的情况下，v'f＝270m/s。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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。实施例(1)首先确定管道参数，并通过bwrs状态方程计算减压波曲线，根据公式1和2计算材料阻力曲线。x90输气管道设计参数如表1所示：表1x90输气管道参数输送气体组分如表2所示，天然气温度为10℃。天然气组分甲烷乙烷摩尔百分比85％15％(2)通过减压波曲线和材料阻力曲线计算工况条件下管道的断裂速度vf和最小断裂速度vmin。由材料阻力曲线和减压波曲线确定的vmin＝50m/s，vf＝190m/s。假设止裂器与输气管道之间的缝隙cr为0mm，则vf<vmax可以通过间隙度为零的钢套筒止裂器进行止裂，如图4所示。(3)选用与输气管道相同的x90钢来制作钢套筒止裂器(4)钢套筒止裂器厚度计算σuarr＝σupipe＝695mpa止裂器的厚度为16.3mm。(5)钢套筒止裂器长度计算采用公式进行计算主管线钢管直径d＝1219，钢管与止裂器的缝隙cr为零，则止裂/扩展边界线斜率如下：m＝1.95581e7+6020.17315+941.44258-1.95565e7＝8562其中，vf＝190m/s，1.2vf＝228m/s。对于x90钢管：在1.2vf<310m/s的情况下，v'f＝310m/s。钢套筒止裂器的长度为1.21m。目前对于高钢级管线钢没有钢套筒止裂器设计标准，有限元计算过程复杂不是一般技术人员能够掌握，同时有限元计算结果也必须通过实物试验进行校准和修正。本发明，根据系列x80及x90全尺寸气体爆破试验结果，基于battelle双曲线方法，建立了一套经验公式/方法，可以快速准确的对钢套筒止裂器的设计参数进行计算，保证在最经济的条件下，设计出的钢套筒止裂器可以对高速扩展的裂纹进行止裂。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。当前第1页12