一种油气管道断管回弹计算方法与流程

1.本发明涉及油气管道维修技术领域，尤其是涉及一种油气管道断管回弹 计算方法。


背景技术：

2.油气长输管道由于自身特点，管线长度长，地域跨度大，周边地质、环 境复杂，管道穿越地形地貌复杂多变，环境、人为影响较大，由于油气长输 管道的这些特点，导致管道施工及运行过程中，在管道上产生附加应力。
3.管道附加应力往往具有难追溯性、难预测性、原因复杂性，这导致管道 附加应力给管道安全运营带来了很大的隐患和不确定性，管道附加应力的存 在不仅是导致管道失效的主要原因之一，也会对管道换管过程产生重要影响， 轻则管道切割后发生偏移、出现斜口，严重的往往导致管道切割过程中发生 崩开，损坏切割设备，危害现场操作人员的人身安全。
4.上述中的现有技术方案存在以下缺陷：管道换管修复施工包括土方开挖、 装卸、管道内介质置换、管道切割、管段预制、管道焊接及防腐等多种施工 手段，换管地段往往地质环境复杂、作业空间有限，当这些因素与管道附加 应力叠加时，使得断管操作与焊口组对的难度大大增加，大大提高管道换管 修复过程中的风险。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种降对管道断管后的释放变形进行预测，能够有 效指导管道换管过程的施工过程，避免切管过程中伤人及设备损伤的油气管 道断管回弹计算方法。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
7.一种油气管道断管回弹计算方法，其计算步骤如下：
8.s1：查阅管道埋设情况，定制管道轨迹线、管径、材质的模型信息，并 查阅周边土壤条件，获取土壤本构，管道埋深的信息；
9.s2：采用应力测量手段获取管道环向点位应力，进行管道载荷分析并计 算管道切口回弹位移大小和方向，对管道的三个集中力(f
x
,fy,fz)和三个力矩 (m
x
,my,mz)进行求解，给出管道所受外部载荷的边界条件：
10.a1：当埋地管线一部分被开挖后，现场应力在切割端部概括为三个集中 力(f
x
,fy,fz)和三个力矩(m
x
,my,mz)的组合,三个集中力中f
x
,fy对应剪切变形 力，fz对应拉压变形力，三个集中力矩中m
x
,my对应弯曲变形力，mz对应横 截面扭转变形力；
11.s3：根据管道土壤参数、管沟结构参数和管道规格的管道埋设因素，建 立土壤三维实体分析模型和管道壳体分析模型；
12.b1：三维实体建模，基于位移方式建立的计算分析公式为
[0013][0014]
其中σ
ij
为土壤中应力分量，δui为位移变分，
[0015]
对于土壤中应力-应变本构关系可以表示为公式σ
ij
＝e
ijkl
ε
kl
，其中e
ijkl
为弹性 常数四阶张量；
[0016]
b1：壳体分析模型遵从薄壳理论的基本假设，其构造的位移形插函数如 下公式：其刚度矩阵表示为公式其 余部分的处理与常规有限元模型方式相一致；
[0017]
s4：通过现场应力测试，求解处管道所受外部载荷的边界条件，基于外 部载荷的边界条件，通过管土耦合作用建模，可以计算管道的回弹位移和回 弹方向，为管道换管提供技术支撑和预防控制措施。
[0018]
进一步的，所述s2中载荷分析方法包括直管段管道载荷分析方法和含弯 管段管道载荷分析方法两种。
[0019]
进一步的，所述直管段管道载荷分析方法为直管段管道应力测试界面为a 和o，切点为o截面，每个截面上对称分布的进行四个钟点位的应力测试，两 截面之间的距离为l，则可以得到直管段管道载荷的表达式为：
[0020][0021][0022][0023][0024][0025]mz
＝0。
[0026]
进一步的，所述含弯管段管道载荷分析方法为切点为o点，应力测试点 位截面为a、b、o三个截面，每个截面上对称分布的进行四个钟点位的应力 测试，则可以得到含弯管段管道载荷的表达式为：
[0027][0028][0029][0030]
[0031][0032][0033]
综上所述，本发明的有益技术效果为：
[0034]
1、该油气管道断管回弹计算方法，能够基于管道现场应力测试结果进行 管道载荷分析，并结合管土作用模型，计算出管道断管后的回弹方向和回弹 位移，对管道回弹进行有效预判，达到了为管道换管提供技术支撑的效果；
[0035]
2、该油气管道断管回弹计算方法，基于管土作用的管道断管回弹位移计 算模型能够计算管道的回弹位移和回弹方向，达到了为管道换管提供预防控 制措施的效果。
附图说明
[0036]
图1为本发明工作流程示意图；
[0037]
图2为本发明管道截面受力情况示意图；
[0038]
图3为本发明管道外壁测量应力点位置示意图；
[0039]
图4为本发明管道内弯距分解示意图；
[0040]
图5为本发明管道内弯距点位置分布示意图。
具体实施方式
[0041]
以下结合附图对本发明方法作进一步详细说明。
[0042]
参照附图1，一种油气管道断管回弹计算方法，其计算步骤如下：
[0043]
s1：查阅管道埋设情况，定制管道轨迹线、管径、材质的模型信息，并 查阅周边土壤条件，获取土壤本构，管道埋深的信息，对管道特征进行定义 为：管道轨迹定义、管径、壁厚、管材本构定义、是否开挖和是否切口，对 土壤的定义为：管道埋深定义、土壤本构定义和宏观本构等效；
[0044]
s2：采用应力测量手段获取管道环向点位应力，进行管道载荷分析并计 算管道切口回弹位移大小和方向，对管道的三个集中力(f
x
,fy,fz)和三个力矩 (m
x
,my,mz)进行求解，给出管道所受外部载荷的边界条件，能够适用于直径 508mm-1422mm、钢级x60-x80、不同壁厚以及直管段管道或含弯管段管道：
[0045]
a1：当埋地管线一部分被开挖后，如图2所示，现场应力在切割端部概 括为三个集中力(f
x
,fy,fz)和三个力矩(m
x
,my,mz)的组合,三个集中力中f
x
,fy对应剪切变形力，fz对应拉压变形力，三个集中力矩中m
x
,my对应弯曲变形力， mz对应横截面扭转变形力；
[0046]
载荷分析方法包括直管段管道载荷分析方法和含弯管段管道载荷分析方 法两种：
[0047]
如图3所示，直管段管道载荷分析方法为直管段管道应力测试界面为a 和o，切点为o截面，每个截面上对称分布的进行四个钟点位的应力测试，对 应点位为
①‑⑧
，两截面之间的距离为l，则可以得到直管段管道载荷的表达 式为：
[0048][0049][0050][0051][0052][0053]mz
＝0；
[0054]
如图4-图5所示，含弯管段管道载荷分析方法为切点为o点，应力测试 点位截面为a、b、o三个截面，每个截面上对称分布的进行四个钟点位的应 力测试，测点分别为
①‑
则可以得到含弯管段管道载荷的表达式为：
[0055][0056][0057][0058][0059][0060][0061]
s3：根据管道土壤参数、管沟结构参数和管道规格的管道埋设因素，建 立土壤三维实体分析模型和管道壳体分析模型；
[0062]
b1：三维实体建模，基于位移方式建立的计算分析公式为
[0063][0064]
其中σ
ij
为土壤中应力分量，δui为位移变分，
[0065]
对于土壤中应力-应变本构关系可以表示为公式σ
ij
＝e
ijkl
ε
kl
，其中e
ijkl
为弹性 常数四阶张量；
[0066]
b1：壳体分析模型遵从薄壳理论的基本假设，其构造的位移形插函数如 下公式：其刚度矩阵表示为公式其 余部分的处理与常规有限元模型方式相一致；
[0067]
s4：通过现场应力测试，求解处管道所受外部载荷的边界条件，基于外 部载荷的边界条件，通过管土耦合作用建模，可以计算管道的回弹位移和回 弹方向，为管道换管提供技术支撑和预防控制措施。
[0068]
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发 明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应 涵盖于本发明的保护范围之内。