基于应变监测的环焊缝缺陷管道安全评定方法与流程

本发明涉及安全评定技术领域，具体涉及一种基于应变监测的环焊缝缺陷管道安全评定方法。

背景技术：

随着城市化和工业化发展，我国对石油、天然气等能源的需求越来越大。长输油气管道是长距离油气输运的最重要方式之一。鉴于油气管道泄露事故造成的严重社会、环境和经济影响，政府、社会与企业越来越关注油气管道的安全问题。环焊缝开裂是油气管道的主要失效形式之一，具有开裂长度长、泄漏量大等特点，易对周边人员安全和环境造成严重威胁，特别是具有抢修工作困难、对管道停输要求严格、环境敏感点多等特点的管道，及时对管道进行应力应变监测分析及评估，并修复环焊缝缺陷，保障管道本质安全具有重要的经济和社会意义。

例如，中国专利，公开号为cn103049648b，公开了一种针对工程实际问题的管道应力评定方法，包括如下步骤：(1)确定评定中将采用的所有规范种类，以及这些规范中包括的所有管道级别(2)确定需要考虑的各个规范的版本，以及规范中或其他的特殊要求，进行分析评定要求编码(3)针对所有规范找出所有的载荷类型，把所有规范中相同的载荷类型归类，并进行设计载荷编码(4)根据所有规范的计算要求得到各载荷条件的分析要求标识码(5)根据所有规范中的计算公式归类，完全相同的公式作为一类，得到可用的各种不同的计算公式类数，找到每一个不同的计算公式对应的分析要求识别码，确定各公式的计算要求编码标识(6)按照用户的计算要求，得到计算中各个载荷工况的分析要求标识码，并根据载荷工况的分析要求标识码找到应该采用的计算公式的计算要求编码标识(7)根据计算要求编码标识的公式计算应力值以及对应的许用应力值，并给出评定公式与对应的规范说明(8)对有附加条件的题目计算要求进行附加的计算与评定。

上述技术方案评定过程计算繁杂，工作量大，评定成本较高。由于管道的工作环境难以准确分析，输送状态时刻在变化，难以实时准确地把控管道的实际应力情况及安全评定。

目前国内和国际上的缺陷评定标准和规范较多，但是与应变监测数据相结合同步得到管道缺陷评定结果的方法基本还没有。所以梳理一种基于应变监测的环焊缝缺陷管道安全评定方法，对于提升管道安全运营大有裨益。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于应变监测的环焊缝缺陷管道安全评定方法，能够简化计算，减少工作量，降低成本，并且能够有效提升管道安全运营状况。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于应变监测的环焊缝缺陷管道安全评定方法，其特征在于，包括如下步骤，

s1.计算环焊缝缺陷管道缺陷附近应力状态，包括：

s11.在管道环焊缝缺陷附近设置应变监测单元，

所述应变监测单元包括第一应变监测传感器组和第二应变监测传感器组，两组应变监测传感器组分别设置在油气管道环焊缝缺陷的两侧，所述每组应变监测传感器组至少包括3支应变传感器；沿油气管道气流方向，取油气管道的圆形截面，在所述圆形截面按顺时针方向任选三点l、u、r，其中点l和点u与圆形截面圆心的连线之间的夹角等于点u和点r与圆形截面圆心的连线之间的夹角，在点l、u、r的位置上分别设置一支应变传感器；

s12.监测管道横截面应变分布；

s13.计算管道横截面应力与内力；

s2.基于应变监测的环焊缝缺陷管道安全评定方法，包括：

s21.基于现状应力的缺陷评定；

s22.基于应力阈值的安全预警；

s23.量化安全评价与风险控制。

进一步地，所述步骤s21包括，

(1)处于安全状态的埋地直管段无缺陷管道，应同时满足如下(11)和(12)两条：

(11)按asmeb31.8-2016的规定，埋地约束管道轴向应力的最大允许值为0.9倍的最小屈服强度，即管道轴向应力应满足

|σl|≤0.9σs

(12)按gb50251和gb50253的规定，埋地直管段的轴向应力与环向应力组合的当量应力，应小于钢管标准规定的最小屈服强度的90％，即管道组合当量应力应满足

σe＜0.9σs

同时满足(11)和(12)条件，评价为管道安全；否则，不安全；

其中：σs-管道最小屈服强度(mpa)；

σl-埋地管道轴向应力；

σe-管道组合当量应力；

(2)处于安全状态的埋地直管段含焊缝裂纹缺陷管道的，应同时满足如下(21)和(22)两条：

(21)应满足(11)的评价条件；

(22)管道轴向许用拉伸应力应满足

其中，k：应力强度因子；

y：几何因子或形状因子；

a：裂纹尺寸，如：圆裂纹半径、椭圆裂纹半短轴。

进一步地，所述步骤s22包括，

基于监测历史数据和力学计算，计算得到可能出现的不同应力状态下的缺陷安全状态，基于此得到在当前工况或指定工况下缺陷可承受的应力阈值，基于监测数据和应力阈值，可得到应力占许用应力的比值，基于该值设定预警等级并进行缺陷预警。

进一步地，所述第一应变监测传感器组和所述第二应变监测传感器组分别设置在油气管道环焊缝缺陷两侧的0.5-1m处。

进一步地，所述第一应变监测传感器组和所述第二应变监测传感器组对称设置在油气管道环焊缝缺陷的两侧。

进一步地，所述应变监测传感器为振弦式应变传感器。

进一步地，所述应变监测传感器的外侧设置有保护罩。

本发明的基于应变监测的环焊缝缺陷管道安全评定方法，能够简化计算，减少工作量，降低成本。通过应变监测装置，能够根据管道的工作环境、输送状态的时刻变化，实时准确把控管道的实际应力情况，获取实时应变监测数据后，可同步得到缺陷评定结果，给出缺陷安全或不安全的结论与依据，为工程决策服务。本发明评定过程简单高效，并且可实时通过应变监测数据对管道的安全状态进行评定。

附图说明

图1为一种针对工程实际问题的易用的管道应力评定方法流程图；

图2为应变传感器安装方式示意图；

图3为监测截面安装位置示意图；

图4为管道钢三折线本构关系示意图；

图5为基于应变监测的环焊缝缺陷管道安全评定流程图。

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，以下结合附图和实施例，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。

近年来，随着国内管道行业大力发展，大量新建管道建设投产。虽然新建管道普遍采用高强钢焊接工艺，制管和施工质量相比以前的老管道有了很大提升，但仍有部分管道存在冬季施工中未按照工艺要求进行管体预热、保温以及强力组对等问题，导致环焊缝焊接缺陷问题凸显，影响管道安全运行。因此，本发明提供了一种基于应变监测的环焊缝缺陷管道安全评定方法，能够对含缺陷管道的受力进行实时监控，以便全面分析并对管道安全状态做出预警。

本发明的基于应变监测的环焊缝缺陷管道安全评定方法，包括如下步骤，

s1.计算环焊缝缺陷管道缺陷附近应力状态，包括：

s11.在管道环焊缝缺陷附近设置应变监测单元，

应变监测单元设置在管道上，用于对管道的应力进行实时监控。所述应变监测单元包括第一应变监测传感器组和第二应变监测传感器组，两组应变监测传感器组分别设置在油气管道环焊缝缺陷的两侧，所述每组应变监测传感器组至少包括3支应变传感器；沿油气管道气流方向，取油气管道的圆形截面，在所述圆形截面按顺时针方向任选三点l、u、r，其中点l和点u与圆形截面圆心的连线之间的夹角等于点u和点r与圆形截面圆心的连线之间的夹角，在点l、u、r的位置上分别设置一支应变传感器。

发明采用一种振弦式应变传感器11，振弦式应变传感器为无源式传感器，其体积较小，加装保护罩12后易于隔绝外部载荷的挤压、易于防腐处理，能够避免由于土体位移剪切而造成的传感器失效，长期稳定且耐久性好。管道应力不能直接测量，所以要测定管道上应力的大小，就必须直接测定管道上的应变。对于含缺陷管道，由于管道含缺陷截面为潜在危险点，在进行应变监测时不宜直接在含缺陷截面安装监测设备，以避免人为造成缺陷扰动而引起缺陷的不利扩展。因此，进行缺陷监测时，在缺陷两侧0.5m～1m处分别安装1组监测截面，并通过管道轴向受力规律计算得到缺陷处应力分布。即如图3所示，分别设置在第一监测截面13和第二监测截面14处，第一应变监测传感器组和所述第二应变监测传感器组对称设置在油气管道环焊缝缺陷的两侧。通过两组监测截面，可以计算出监测管段的复杂受力状态，监测精度高，可靠性高，适用于风险等级较低的环焊缝缺陷管道。

优选地，在管道横截面的左侧(l)、顶部(u)和右侧(r)分别安装1支应变传感器，测得同一截面三点的应变后，即可根据管道截面应变分布规律计算得到截面任一角度的应变分布，同时也可得到壁厚方向的应变分布。根据监测截面应变分布，可得到监测截面的应力分布与截面内力。传感器安装方式示意图如图2所示。

s12.监测管道横截面应变分布；

根据平截面假定和叠加原理，管道应变由薄膜应变、x方向弯曲应变和y方向弯曲应变组成。设监测截面薄膜应变、最大y向弯曲应变和最大z向弯曲应变分别为εm、和则根据叠加原理，得管道截面上任一点处的应变为：

其中，-管道截面上任一点与该截面顶点顺时针方向的夹角；

r-管道截面圆心到截面上任一点的距离，大小介于管道内径ri与管道外径ro之间；

根据公式可得监测应变值u(0，r0)、和与εm、和的关系为：

将上述公式整理可得由监测应变表示的截面薄膜应变(平均轴向应变)与y、z方向最大弯曲分别为：

组合y、z两方向的弯曲应变，可得截面最大弯曲应变为：

最大弯曲应变所在角度为：

相应地，监测截面最大与最小轴向应变为：

将公式-整理可得由监测应变表示的管道截面任一处的轴向应变为：

同样，由公式可得监测截面各角度最大轴向应变为：

若缺陷位于截面环向σe处，则由公式可得缺陷处管道内、外表面的轴向应变分别为：

监测截面平均轴向应变和弯曲应变的计算可由下式计算：

监测截面平均轴向应变：

监测截面弯曲应变：

其中，εl’为截面轴向平均应变；εr为截面弯曲应变；εmax为截面上最大应变；εmin为截面上最小应变。

s13.计算管道横截面应力与内力；

如图4所示为管道钢三折线应力-应变关系，依据管道钢应力应变关系可分别计算得到弹性范围内缺陷点应力和弹塑性范围内缺陷点应力。

1)当测量拉伸应变(ε‘max)在弹性区内，即ε‘max＜ε1时

σ’max＝eε‘max

2)当测量拉伸应变(ε‘max)在弹塑性区内，即εmax’≥ε1时，

式中，

σs----管道最小屈服强度(mpa)；

σb----管道极限拉伸强度(mpa)；

n----应变硬化指数；

注：公式出自bs7910-2013和csaz662.15-2015。

综上，可由监测截面三个应变传感器监测应变得到整个监测截面的应变分布，并依据应变分布得到监测截面应力分布。依据监测截面应力分布和截面内力定义，可得监测截面轴力、对y轴弯矩和对z轴弯矩如下式：

s2.基于应变监测的环焊缝缺陷管道安全评定方法，包括：

具体地，基于应变监测的环焊缝缺陷管道安全评定(见图5)包括以下内容：

s21.基于现状应力的缺陷评定；

基于监测应变和应力分析结果，综合现行缺陷评定规范，推导基于监测应变的缺陷评定准则。将监测应变与初始应力结合得到管道现状应力，基于现状应力和缺陷评定准则对缺陷进行简化评定和常规评定，校核缺陷当前安全状态。

(1)处于安全状态的埋地直管段无缺陷管道，应同时满足如下(11)和(12)两条：

(11)按asmeb31.8-2016的规定，埋地约束管道轴向应力的最大允许值为0.9倍的屈服强度，即管道轴向应力应满足

|σl|≤0.9σs

(12)按gb50251和gb50253的规定，埋地直管段的轴向应力与环向应力组合的当量应力，应小于钢管标准规定的最小屈服强度的90％，即管道组合当量应力应满足

σe＜0.9σs

同时满足(11)和(12)条件，评价为管道安全；否则，不安全。

其中：σs-管道最小屈服强度(mpa)；

σl-埋地管道轴向应力；

σe-管道组合当量应力；

(2)处于安全状态的埋地直管段含焊缝裂纹缺陷管道的，应同时满足如下(21)和(22)两条：

(21)应满足(11)的评价条件；

(22)管道轴向许用拉伸应力应满足

其中，k：应力强度因子；

y：几何因子或形状因子；

a：裂纹尺寸，如：圆裂纹半径、椭圆裂纹半短轴。

s22.基于应力阈值的安全预警

基于监测历史数据和力学计算，计算得到可能出现的不同应力状态下的缺陷安全状态，基于此得到在当前工况或指定工况下缺陷可承受的应力阈值，基于监测数据和应力阈值，可得到应力占许用应力的比值，基于该值设定预警等级并进行缺陷预警。

s23.量化安全评价与风险控制

基于应变监测数据进行管道风险评价时，要求监测管段的危险程度高于非监测管段。因此，对管道进行应变监测时，需将监测重点放在高风险(hra)和高后果(hca)的管段。若数据表明监测段管道安全，则可保证其它管道也将处于安全状态，进而最大确保安全降低管道运行风险。

本发明的基于应变监测的环焊缝缺陷管道安全评定方法，能够简化计算，减少工作量，降低成本。通过应变监测装置，能够根据管道的工作环境、输送状态的时刻变化，实时准确把控管道的实际应力情况，获取实时应变监测数据后，可同步得到缺陷评定结果，给出缺陷安全或不安全的结论与依据，为工程决策服务。本发明评定过程简单高效，并且可实时通过应变监测数据对管道的安全状态进行评定。

采用本发明评定方法已经成功运用到漠大线冻土区2处管道缺陷段管道本体应变监测项目、西气东输二线赣州站gp228上游126m管道缺陷段管道本体应变监测项目、西气东输二线武穴站-南昌站编号43640环焊缝缺陷环氧套管修复施工过程的安全监测项目，至今上述管道本体应变监测单元运行稳定，工作正常。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。