一種天然氣管道止裂預(yù)測的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種天然氣管道止裂預(yù)測的方法，屬于管道設(shè)計制造【技術(shù)領(lǐng)域】。所述方法包括：獲取試樣斷裂時單位面積上損傷斷裂吸收能臨界值。利用有限元方法建立管道服役條件下的數(shù)值模型，計算管道裂紋尖端區(qū)域單位面積上的損傷斷裂吸收能，以所述損傷斷裂吸收能是否達(dá)到所述損傷斷裂吸收能臨界值作為管道是否開裂的判據(jù)。根據(jù)判據(jù)，從有限元模型中計算得到裂紋擴(kuò)展速度和氣體減壓波速度。若所述裂紋擴(kuò)展速度大于等于氣體減壓波速度，則管道在現(xiàn)有服役條件下，出現(xiàn)裂紋后不能止裂；否則，管道在現(xiàn)有服役條件下，出現(xiàn)裂紋后能止裂。本發(fā)明基于損傷斷裂吸收能，利用拉伸試樣預(yù)測管道止裂性能，對保障管道安全運(yùn)行有一定的示范作用。
【專利說明】一種天然氣管道止裂預(yù)測的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及管道設(shè)計制造【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種然氣管道止裂預(yù)測的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]為滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對天然氣日益增長的需求，天然氣管道正朝著高鋼級、大口徑、高壓力方向發(fā)展。高鋼級、高壓力天然氣管道惠及國計民生的同時，一旦發(fā)生事故，后果不堪設(shè)想，其中管道裂紋長程擴(kuò)展是最不可接受的災(zāi)難性后果，因此設(shè)計對鋼管性能的基本要求是起裂后能迅速止裂。其中脆性開裂的止裂設(shè)計可以通過控制管材的韌脆轉(zhuǎn)換溫度來實現(xiàn)，而裂紋延性擴(kuò)展則需要通過提高管材止裂韌性加以控制。
[0003]以管材夏比沖擊功(CVN)為指標(biāo)的裂紋延性擴(kuò)展止裂設(shè)計是目前國際上普遍采用的方法。對于重大管道或采用明顯技術(shù)進(jìn)步的管道(如西氣東輸二線)，夏比沖擊功最小要求值的確定是管線設(shè)計的重要研究課題?，F(xiàn)有管材止裂性能設(shè)計方法為首先采用半經(jīng)驗公式(如BATTLE雙曲線法)確定CVN值，然后利用氣體全尺寸爆破試驗驗證或修正。
[0004]在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題:
[0005]首先，CVN值是否可以代表管道的真實韌性值得商榷。CVN試驗實際上是三點(diǎn)彎曲試驗，試樣缺口處存在較大彎曲應(yīng)力，而實際大口徑鋼管管壁裂紋沿軸向起裂及擴(kuò)展時，管壁環(huán)向的拉伸應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彎曲應(yīng)力。因此可以認(rèn)為CVN試樣增加了裂紋尖端的約束，過低估計了管線鋼的韌性值。
[0006]第二，現(xiàn)有止裂預(yù)測的半經(jīng)驗公式是否對高鋼級管道有效值得探討。國際上，止裂預(yù)測半經(jīng)驗公式有BATTLE雙曲線法(BTC)、AIS1、British Gas等模型，其中BTC模型應(yīng)用最為廣泛。該模型于上世紀(jì)70年代提出，是以當(dāng)時低鋼級管線鋼實物爆破試驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依據(jù)，擬合得出的公式。BATTLE模型原理為根據(jù)管材CVN值計算管道裂紋擴(kuò)展速度，并同時計算氣體減壓波擴(kuò)展速度，若前者大于后者，則當(dāng)前CVN值下管道裂紋出現(xiàn)后不能止裂，否者可以止裂。該模型成功預(yù)測了不同工況條件下X70及以下級別管線鋼止裂所需CVN值，然而當(dāng)鋼級超過X80、壓力超過lOMPa時，BTC方法預(yù)測的準(zhǔn)確性急劇下降，需要加以修正或重新建立公式，而目前缺少較為公認(rèn)的預(yù)測公式。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種天然氣管道止裂預(yù)測的方法。
[0008]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]包括以下步驟:
[0010]1)利用拉伸試驗獲取天然氣管道單位面積上的損傷斷裂吸收能臨界值；
[0011]2)利用有限元方法建立天然氣管道服役條件下的天然氣管道有限元模型，并在鋼管有限元模型中設(shè)置天然氣管道裂紋；
[0012]3)根據(jù)天然氣管道有限元模型及天然氣管道裂紋，計算天然氣管道裂紋尖端區(qū)域單位面積上的損傷斷裂吸收能值，將損傷斷裂吸收能值與損傷斷裂吸收能臨界值進(jìn)行比較，當(dāng)損傷斷裂吸收能值大于等于損傷斷裂吸收能臨界值時，天然氣管道開裂，從天然氣管道有限元模型中計算得到裂紋擴(kuò)展速度和氣體減壓波速度；當(dāng)損傷斷裂吸收能值小于損傷斷裂吸收能臨界值時，天然氣管道未開裂；
[0013]4)若所述裂紋擴(kuò)展速度大于等于所述氣體減壓波速度，則天然氣管道服役條件下出現(xiàn)裂紋后不能止裂；若所述裂紋擴(kuò)展速度小于所述氣體減壓波速度，則天然氣管道服役條件下出現(xiàn)裂紋后能夠止裂。
[0014]2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種然氣管道止裂預(yù)測的方法，其特征在于，所述損傷斷裂吸收能臨界值獲取方法為:
[0015]對天然氣管道取橫向拉伸試樣，在可獲取時間-能量曲線及時間-載荷曲線的試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗，獲取試樣斷裂時的能量值以及載荷最大點(diǎn)對應(yīng)的能量值，將所述斷裂時的能量值和載荷最大點(diǎn)對應(yīng)的能量值的差值除以試樣截面積，得到單位面積上的損傷斷裂吸收能臨界值。
[0016]所述利用有限元方法建立天然氣管道服役條件下的天然氣管道有限元模型具體包括:
[0017]根據(jù)天然氣管道的管徑、壁厚、長度、密度、彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、真實抗拉強(qiáng)度、均勻延伸率、斷裂極限應(yīng)變、輸送介質(zhì)的溫度、壓力、定壓比熱容、定容比熱容以及所述損傷斷裂吸收能臨界值，建立流固耦合的天然氣管道有限元模型。
[0018]所述天然氣管道有限元模型通過有限元軟件ABAQUS建立。
[0019]所述損傷斷裂吸收能是指天然氣管道從損傷出現(xiàn)到載荷施加完畢過程中吸收的倉tfi。
[0020]所述損傷出現(xiàn)是指天然氣管道裂紋尖端材料應(yīng)變值達(dá)到材料均勻延伸率。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的有益效果為:
[0022]本發(fā)明提供了一種然氣管道止裂預(yù)測的方法，利用有限元方法建立天然氣管道服役條件下的數(shù)值模型，計算天然氣管道裂紋尖端區(qū)域單位面積上的損傷斷裂吸收能，以所述損傷斷裂吸收能是否達(dá)到所述損傷斷裂吸收能臨界值作為天然氣管道是否開裂的判據(jù)。根據(jù)這一判據(jù)，從有限元模型中計算得到裂紋擴(kuò)展速度和氣體減壓波速度。若所述裂紋擴(kuò)展速度大于等于氣體減壓波速度，則天然氣管道在現(xiàn)有服役條件下，出現(xiàn)裂紋后不能止裂；若所述裂紋擴(kuò)展速度小于氣體減壓波速度，則天然氣管道在現(xiàn)有服役條件下，出現(xiàn)裂紋后可以止裂。本發(fā)明基于損傷斷裂吸收能，利用拉伸試樣預(yù)測天然氣管道止裂性能，對保障天然氣管道安全運(yùn)行有一定的示范作用，能夠有效的避免高鋼級、高壓力天然氣管道因為開裂發(fā)生意外事故，保證了他人生命和財產(chǎn)的安全。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1是本發(fā)明實施例提供的拉伸試驗時間-載荷以及時間一能量曲線圖；
[0025]圖2是本發(fā)明實施例提供的管道裂紋擴(kuò)展示意圖；
[0026]圖3是本發(fā)明然氣管道止裂預(yù)測的方法的流程框圖。

【具體實施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0028]如圖3所示，本發(fā)明提供了一種然氣管道止裂預(yù)測的方法，包括以下步驟:
[0029]1)利用拉伸試驗獲取天然氣管道單位面積上的損傷斷裂吸收能臨界值；具體的損傷斷裂吸收能臨界值獲取方法為:
[0030]對天然氣管道取橫向拉伸試樣，在可獲取時間-能量曲線及時間-載荷曲線的試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗，獲取試樣斷裂時的能量值以及載荷最大點(diǎn)對應(yīng)的能量值，將所述斷裂時的能量值和載荷最大點(diǎn)對應(yīng)的能量值的差值除以試樣截面積，得到單位面積上的損傷斷裂吸收能臨界值。
[0031]2)利用有限元方法建立天然氣管道服役條件下的天然氣管道有限元模型，并在鋼管有限元模型中設(shè)置天然氣管道裂紋；
[0032]所述利用有限元方法建立天然氣管道服役條件下的鋼管有限元模型具體包括:
[0033]根據(jù)鋼管的管徑、壁厚、長度、密度、彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、真實抗拉強(qiáng)度、真實均勻延伸率、真實斷裂極限應(yīng)變、輸送介質(zhì)的溫度、壓力、定壓比熱容、定容比熱容以及所述損傷斷裂吸收能臨界值，建立流固耦合的鋼管有限元模型。
[0034]3)根據(jù)天然氣管道有限元模型及天然氣管道裂紋，計算天然氣管道裂紋尖端區(qū)域單位面積上的損傷斷裂吸收能值，將損傷斷裂吸收能值與損傷斷裂吸收能臨界值進(jìn)行比較，當(dāng)損傷斷裂吸收能值大于等于損傷斷裂吸收能臨界值時，天然氣管道開裂，從天然氣管道有限元模型中計算得到裂紋擴(kuò)展速度和氣體減壓波速度；當(dāng)損傷斷裂吸收能值小于損傷斷裂吸收能臨界值時，天然氣管道未開裂；
[0035]以所述損傷斷裂吸收能是否達(dá)到所述損傷斷裂吸收能臨界值作為天然氣管道是否開裂的判據(jù)。所述損傷斷裂吸收能是指管材從損傷出現(xiàn)到載荷施加完畢過程中吸收的能量。所述“損傷出現(xiàn)”是指天然氣管道裂紋尖端材料應(yīng)變值達(dá)到材料均勻延伸率。
[0036]4)若所述裂紋擴(kuò)展速度大于等于所述氣體減壓波速度，則天然氣管道服役條件下出現(xiàn)裂紋后不能止裂；若所述裂紋擴(kuò)展速度小于所述氣體減壓波速度，則天然氣管道服役條件下出現(xiàn)裂紋后能夠止裂。
[0037]本發(fā)明中，在上述條件下計算裂紋擴(kuò)展速度Vf，同時計算得到氣體減壓波擴(kuò)展速度Vs,若Vf彡Vs,則天然氣管道在當(dāng)前服役條件下出現(xiàn)軸向裂紋后無法止裂；若Vf〈Vs，則天然氣管道在當(dāng)前服役條件下出現(xiàn)軸向裂紋后可以止裂。
[0038]下面以具體實驗為例進(jìn)行說明:
[0039]步驟一:在天然氣管道上取橫向拉伸試樣，本實施例標(biāo)距范圍內(nèi)的規(guī)格為Φ8.9mm，利用INSTR0N拉伸試驗機(jī)進(jìn)行試驗。獲取的參數(shù)如下(如圖1所示):損傷開始時的能量為280J，斷裂時的能量為920J，于是所述單位面積損傷斷裂吸收能D。為10.3J/mm2。
[0040]步驟二:利用商用有限元軟件ABAQUS建立天然氣管道有限元模型，ABAQUS是工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。建立的各項參數(shù)為:天然氣管道外徑1219mm、壁厚18.4mm、長度(半模型)12m、密度7.8g/mm3、彈性模量210000MPa、泊松比0.3、屈服強(qiáng)度600MPa、真實抗拉強(qiáng)度720MPa、均勻延伸率0.08、斷裂極限應(yīng)變1.48、輸送介質(zhì)的溫度20°C、壓力12MPa、定壓比熱容2.25kJ/(kg.K)、定容比熱容1.74kJ/(kg.K)以及所述單位面積損傷斷裂吸收能臨界值10.3J/mm2。初始裂紋半長度設(shè)為200mm。
[0041]步驟三:利用商用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行有限元計算，獲取裂紋預(yù)期擴(kuò)展路徑上每個部位的損傷斷裂吸收能，判斷各個部位的損傷斷裂吸收能是否達(dá)到臨界值。若達(dá)到臨界值，使該部分材料開裂。
[0042]步驟四:在上述參數(shù)情況下，計算所得裂紋擴(kuò)展(如圖2所示)速度Vf為258m/s，氣體減壓波速度Vs為360m/s。由此可知Vf〈Vs，天然氣管道在當(dāng)前服役條件下出現(xiàn)軸向裂紋后可以止裂。
[0043]上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。
[0044]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實現(xiàn)上述實施例的全部或部分步驟可以通過硬件來完成，也可以通過程序來指令相關(guān)的硬件完成。
[0045]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種天然氣管道止裂預(yù)測的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)利用拉伸試驗獲取天然氣管道單位面積上的損傷斷裂吸收能臨界值； 2)利用有限元方法建立天然氣管道服役條件下的天然氣管道有限元模型，并在鋼管有限元模型中設(shè)置天然氣管道裂紋； 3)根據(jù)天然氣管道有限元模型及天然氣管道裂紋，計算天然氣管道裂紋尖端區(qū)域單位面積上的損傷斷裂吸收能值，將損傷斷裂吸收能值與損傷斷裂吸收能臨界值進(jìn)行比較，當(dāng)損傷斷裂吸收能值大于等于損傷斷裂吸收能臨界值時，天然氣管道開裂，從天然氣管道有限元模型中計算得到裂紋擴(kuò)展速度和氣體減壓波速度；當(dāng)損傷斷裂吸收能值小于損傷斷裂吸收能臨界值時，天然氣管道未開裂； 4)若所述裂紋擴(kuò)展速度大于等于所述氣體減壓波速度，則天然氣管道服役條件下出現(xiàn)裂紋后不能止裂；若所述裂紋擴(kuò)展速度小于所述氣體減壓波速度，則天然氣管道服役條件下出現(xiàn)裂紋后能夠止裂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種然氣管道止裂預(yù)測的方法，其特征在于，所述損傷斷裂吸收能臨界值獲取方法為: 對天然氣管道取橫向拉伸試樣，在可獲取時間-能量曲線及時間-載荷曲線的試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗，獲取試樣斷裂時的能量值以及載荷最大點(diǎn)對應(yīng)的能量值，將所述斷裂時的能量值和載荷最大點(diǎn)對應(yīng)的能量值的差值除以試樣截面積，得到單位面積上的損傷斷裂吸收能臨界值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種然氣管道止裂預(yù)測的方法，其特征在于，所述利用有限元方法建立天然氣管道服役條件下的天然氣管道有限元模型具體包括: 根據(jù)天然氣管道的管徑、壁厚、長度、密度、彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、真實抗拉強(qiáng)度、均勻延伸率、斷裂極限應(yīng)變、輸送介質(zhì)的溫度、壓力、定壓比熱容、定容比熱容以及所述損傷斷裂吸收能臨界值，建立流固耦合的天然氣管道有限元模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種然氣管道止裂預(yù)測的方法，其特征在于，所述天然氣管道有限元模型通過有限元軟件ABAQUS建立。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種然氣管道止裂預(yù)測的方法，其特征在于，所述損傷斷裂吸收能是指天然氣管道從損傷出現(xiàn)到載荷施加完畢過程中吸收的能量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種然氣管道止裂預(yù)測的方法，其特征在于，所述損傷出現(xiàn)是指天然氣管道裂紋尖端材料應(yīng)變值達(dá)到材料均勻延伸率。
【文檔編號】G06F17/50GK104462696SQ201410768252
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】楊鋒平, 李洋, 羅金恒, 張良, 吉玲康, 馬衛(wèi)鋒, 王珂, 李麗鋒 申請人:中國石油天然氣集團(tuán)公司, 中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所