專利名稱：一種基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于管線強度分析技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及ー種基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法。
背景技術(shù)：
目前，油氣長輸管道在運行過程中將不可避免遭受腐蝕的侵害，腐蝕將嚴重影響管道強度和使用壽命，對油氣管道的安全可靠運行造成威脅。針對管線單點腐蝕缺陷問題，目前的監(jiān)檢測手段有兩大類，一類只能在線監(jiān)測介質(zhì)腐蝕性，反應(yīng)的是輸送介質(zhì)的腐蝕速率；另一類則只能周期性檢測管線缺陷，反應(yīng)的是管 道被腐蝕缺陷的近似形狀，而所得到的檢測結(jié)果都不能對管線的安全狀況做出判斷。需要對應(yīng)進行剩余強度評價。從20世紀70年代起，世界各國就相繼對管道的剰余強度進行研究，提出了一系列評價方法。這些方法都是以數(shù)學(xué)表達式的形式來表示各種參數(shù)的，這些數(shù)學(xué)表達式經(jīng)過大量實物試驗證明是有效可靠的，但隨著工程應(yīng)用經(jīng)驗的積累以及力學(xué)分析能力的提高，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行標準過于保守。對管道剰余強度評價比較復(fù)雜。應(yīng)用有限元法與其他方法相比具有明顯的優(yōu)勢，它可以盡可能地少簡化模型，能較精確模擬管道的實際受力狀態(tài)，得到的結(jié)果能滿足工程的需要。但是每次進行評價都要建立起與實際情況相吻合的模型并且計算，這存在需要大量的時間等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法。本發(fā)明的目的是提供一種基于有限元剩余強度評價，與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，利用了軟件編程，將傳統(tǒng)的復(fù)雜評估方式簡單化，既彌補了傳統(tǒng)評價的保守又避免了每次評估都要建立復(fù)雜模型花費大量的時間，并且精度能夠達到工程需要等特點的基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法。本發(fā)明基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法所采取的技術(shù)方案是—種基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法，其特點是強度智能分析方法步驟為I)根據(jù)缺陷幾何形狀建立貼合實際的模型將幾種管道腐蝕缺陷形狀近似簡化為規(guī)則的幾何形狀；2)有限兀網(wǎng)格劃分 根據(jù)腐蝕管道的機構(gòu)特點，選用三維10節(jié)點四面體單元進行自由網(wǎng)格劃分，在靠近缺陷的部位進行細化網(wǎng)格；3 )對設(shè)計模型加載邊界條件對管道模型加載邊界約束及壓カ載荷，進行靜力分析；4)對受カ管道模型進行求解計算
根據(jù)管道缺陷腐蝕發(fā)展變化情況，針對不同腐蝕缺陷形狀分組進行求解計算；5)提取計算結(jié)果將缺陷周圍管道外壁應(yīng)カ應(yīng)變值提取出來，繪制曲線，井根據(jù)腐蝕深度及面積發(fā)展分組整合曲線圖；6)建立管道外壁受カ數(shù)學(xué)模型利用管道受腐蝕影響的最大位置所產(chǎn)生應(yīng)變值建立起管道應(yīng)變值與體積型缺陷深度、直徑、及管道內(nèi)壓カ的數(shù)學(xué)關(guān)系模型；7)建立軟件評估系統(tǒng)通過軟件編程將幾種體積型缺陷的數(shù)學(xué)關(guān)系模型方程寫入軟件，建立軟件評估系統(tǒng)；井根據(jù)標準將管道臨界應(yīng)變值編入軟件從而實現(xiàn)管道的評估?！け景l(fā)明基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法還可以采用如下技術(shù)措施所述的基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法，其特點是根據(jù)缺陷幾何形狀建立貼合實際的模型吋，將幾種管道腐蝕缺陷形狀近似簡化為圓柱型、瓦罐型、球冠型和圓錐型。所述的基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法，其特點是求解計算并提取計算結(jié)果時，根據(jù)腐蝕缺陷深度及面積發(fā)展情況，分別對缺陷深度為1/4、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10管道壁厚以及缺陷直徑為4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm兩兩對應(yīng)進行多組計算；提取ー個缺陷深度對應(yīng)不同直徑以及ー個缺陷直徑對應(yīng)不同深度的缺陷附近管道外壁應(yīng)變值。本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法由于采用了本發(fā)明全新的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于有限元剩余強度評價，與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，利用了軟件編程，將傳統(tǒng)的復(fù)雜評估方式簡單化，既彌補了傳統(tǒng)評價的保守又避免了每次評估都要建立復(fù)雜模型花費大量的時間，并且精度能夠達到工程需要。


圖I是基于有限元的含缺陷管線強度智能分析流程示意圖；圖2是內(nèi)腐蝕缺陷管道有限元模擬示意圖(I為環(huán)向1/4管道模型，2為管道內(nèi)壁缺陷模型);圖3是缺陷部位有限元劃分單元示意圖(3為缺陷附近細化網(wǎng)格)；圖4是管壁應(yīng)カ隨缺陷深度變化擬合曲線示意圖；圖5是管壁應(yīng)カ隨缺陷直徑變化擬合曲線示意圖。圖中，Iー環(huán)向1/4管道模型，2—管道內(nèi)壁缺陷模型，3—缺陷附近細化網(wǎng)格。
具體實施例方式為能進一歩了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下參閱附圖I至圖5。實施例I
一種基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法，流程參見圖1，包括以下步驟I)設(shè)計模型的簡化參照“GB/T 18590-2001金屬和合金的腐蝕點蝕評定方法”將常見的幾種形式的體積型內(nèi)腐蝕缺陷簡化為規(guī)則的圓柱型、瓦罐型、球冠型以及圓錐型，本專利中以圓柱型缺陷形狀為實施例。本模型選用油氣管道材料為X60，管道規(guī)格為の356X 12. 7mm根據(jù)圣維南原理，為了消除邊界效應(yīng)，有限元模型的長度取管線直徑的:T5倍，取管線長度為1000mm，建立環(huán)向1/4管道模型可參見圖2。2)有限兀網(wǎng)格劃分建立完幾何模型后，根據(jù)腐蝕管道的結(jié)構(gòu)特點，本文選用三維10節(jié)點四面體単元進行自由網(wǎng)格劃分。由于在腐蝕缺陷處應(yīng)カ和應(yīng)變變化梯度大，所以在腐蝕缺陷部位和缺 陷附近網(wǎng)格進行細化，而在遠離缺陷處網(wǎng)格較為稀疏。參見示意圖33)確定設(shè)計模型的邊界條件由于管道較長，計算的腐蝕管道相對比較短，因此可以不考慮管道軸向位移，兩側(cè)的鉛垂位移為零。管道軸向根據(jù)實際情況采取無約束狀態(tài)。管道外部載荷以管道實際承受內(nèi)壓為準在內(nèi)表面加載壓力。4)求解計算并提取計算結(jié)果根據(jù)腐蝕缺陷深度及面積發(fā)展情況，分別對缺陷深度為1/4、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10管道壁厚以及缺陷直徑為4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm兩兩對應(yīng)進行多組計算。提取一個缺陷深度對應(yīng)不同直徑以及ー個缺陷直徑對應(yīng)不同深度的缺陷附近管道外壁應(yīng)變值。5)對提取值處理建立管道應(yīng)變的數(shù)學(xué)模型通過軟件繪制管道外壁應(yīng)變極值隨內(nèi)部缺陷加深的曲線圖，并擬合為數(shù)學(xué)方程。當缺陷深度為3/4管道壁厚時，管道外壁應(yīng)變隨壓カ和缺陷直徑變化的數(shù)學(xué)表達式為Y 圓柱=(4. 0429*10-6+4. 9339*10_5*F) + (-6. 1991*10-8+2. 9200*10_6*F) *D 擬合曲線如圖4所示。當缺陷直徑為14_吋，管道外壁應(yīng)變隨壓カ和腐蝕深度變化的數(shù)學(xué)表達式為Y圓柱=(y0=4. 1407*10-6+6. 1427*10_5*F)+ (-1. 8560*10-8+4. 2780*10_8*F)*e (0. 6928*h)擬合曲線如圖5所示。以此類推擬合各個缺陷深度以及缺陷直徑的數(shù)學(xué)表達式，由于在彈性范圍內(nèi)，管道應(yīng)變與內(nèi)壓呈線性關(guān)系，擬合入壓カ后最終確定圓柱型缺陷管道外壁應(yīng)變隨缺陷深度、缺陷直徑和工作壓カ變化的數(shù)學(xué)模型表達式為Y圓柱=F*[ (I. 8846*10-4+2. 6479*10_7*e0. 5667*h) + (2. 5216*10-6-3. 6172*10_8*e0. 6286*h) *D]/3. 36)建立軟件評估系統(tǒng)將以上得出的數(shù)學(xué)模型方程編程寫入軟件，利用無損檢測手段獲取管道內(nèi)缺陷深度及直徑，將數(shù)值輸入軟件直接通過編寫的軟件就可以獲知任何參數(shù)下的管道外壁應(yīng)變值。井根據(jù)標準將管道臨界應(yīng)變值編入軟件從而實現(xiàn)管道的評估。本軟件以預(yù)報警形式體現(xiàn)。本實驗中監(jiān)測到缺陷深度為9mm，直徑為13mm，管道當時內(nèi)壓為5MPa，通過軟件計算得出管道外壁應(yīng)變值為398 y e。根據(jù)標準此應(yīng)變不會影響管道正常使用。
本實施例基于有限元剩余強度評價，與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，既彌補了傳統(tǒng)評價的保 守又避免了每次評估都要建立復(fù)雜模型花費大量的時間，具有所述的積極效果。
權(quán)利要求
1.一種基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法，其特征是強度智能分析方法步驟為 1)根據(jù)缺陷幾何形狀建立貼合實際的模型 將幾種管道腐蝕缺陷形狀近似簡化為規(guī)則的幾何形狀； 2)有限元網(wǎng)格劃分 根據(jù)腐蝕管道的機構(gòu)特點，選用三維10節(jié)點四面體單元進行自由網(wǎng)格劃分，在靠近缺陷的部位進行細化網(wǎng)格； 3)對設(shè)計模型加載邊界條件 對管道模型加載邊界約束及壓力載荷，進行靜力分析； 4)對受力管道模型進行求解計算 根據(jù)管道缺陷腐蝕發(fā)展變化情況，針對不同腐蝕缺陷形狀分組進行求解計算； 5)提取計算結(jié)果 將缺陷周圍管道外壁應(yīng)力應(yīng)變值提取出來，繪制曲線，并根據(jù)腐蝕深度及面積發(fā)展分組整合曲線圖； 6)建立管道外壁受力數(shù)學(xué)模型 利用管道受腐蝕影響的最大位置所產(chǎn)生應(yīng)變值建立起管道應(yīng)變值與體積型缺陷深度、直徑、及管道內(nèi)壓力的數(shù)學(xué)關(guān)系模型； 7)建立軟件評估系統(tǒng) 通過軟件編程將幾種體積型缺陷的數(shù)學(xué)關(guān)系模型方程寫入軟件，建立軟件評估系統(tǒng)；并根據(jù)標準將管道臨界應(yīng)變值編入軟件從而實現(xiàn)管道的評估。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法，其特征是根據(jù)缺陷幾何形狀建立貼合實際的模型時，將幾種管道腐蝕缺陷形狀近似簡化為圓柱型、瓦罐型、球冠型和圓錐型。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法，其特征是求解計算并提取計算結(jié)果時，根據(jù)腐蝕缺陷深度及面積發(fā)展情況，分別對缺陷深度為1/4、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10 管道壁厚以及缺陷直徑為 4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm 兩兩對應(yīng)進行多組計算；提取一個缺陷深度對應(yīng)不同直徑以及一個缺陷直徑對應(yīng)不同深度的缺陷附近管道外壁應(yīng)變值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法。本發(fā)明屬于管線強度分析技術(shù)領(lǐng)域。一種基于有限元的含缺陷管線強度智能分析方法1)根據(jù)缺陷幾何形狀建立貼合實際的模型；2)有限元網(wǎng)格劃分選用三維10節(jié)點四面體單元進行自由網(wǎng)格劃分；3)對設(shè)計模型加載邊界條件加載邊界約束及壓力載荷；4)對受力管道模型進行求解計算針對不同腐蝕缺陷形狀分組進行求解計算；5)提取計算結(jié)果將缺陷周圍管道外壁應(yīng)力應(yīng)變值提取出來；6)建立管道外壁受力數(shù)學(xué)模型；7)建立軟件評估系統(tǒng)根據(jù)標準將管道臨界應(yīng)變值編入軟件從而實現(xiàn)管道的評估。本發(fā)明既彌補了傳統(tǒng)評價的保守又避免了建立復(fù)雜模型花費大量時間，并且精度達到工程需要。
文檔編號G06F17/50GK102955880SQ20121041203
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者胡欣 申請人:天津億利科能源科技發(fā)展股份有限公司