埋地大直径油气管线环境荷载的测量系统和方法与流程

1.本发明涉及管道应力测量技术领域，具体来讲，涉及一种埋地大直径油气管线环境荷载的测量系统和一种埋地大直径油气管线环境荷载的测量方法。


背景技术：

2.近年来，随着国家能源战略的不断推进，大直径输油气钢管线的铺设里程逐年增加。然而，随着管线使用年限的增长，由于管线铺设时的残余应力、管线地基变形、管体覆土不均匀沉降、管线自身老化损伤、突发自然灾害等因素的作用，导致输油气钢管线爆管及油气泄漏事故频发，严重阻碍了国家能源战略的推进并给管道周边人民群众的生产生活及生命财产带来巨大安全隐患。
3.目前，常见的管线应力测试方式可分为有损检测和无损检测，其区别就在于是否破坏金属管道。有损的应力检测如盲孔法、剖分法等，由于具有破坏性，限制了其在管道应力检测中的应用；此外，上述有损检测方法只能测量管壁单一方向受力状态，无法同时测量钢管管壁平面应力状态。应力的无损检测方法目前使用较为普遍，主要包括x射线衍射法、超声检测法等，但由于其对构件组成材料的高要求(各向同性、同质、细粒多晶材质等)，同时存在操作较为复杂、现场测试受环境因素影响大、单点测试时间过久、测量精度低等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够实现埋地或复杂载荷管道荷载全面评价的埋地大直径油气管线环境荷载的测量系统和方法，以克服现有测试方法只能测量管壁单一方向受力状态，无法同时测量钢管管壁平面应力状态的缺陷。
5.为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种埋地大直径油气管线环境荷载的测量方法，所述测量方法采用切割的方式完全释放管道荷载，通过记录应变测点在切割前后的应变值，获得管道切割前后测试截面的应变分布规律，来实现埋地大直径油气管线环境荷载的测量。
6.在本发明的埋地大直径油气管线环境荷载的测量方法的一个示例性实施例中，所述测量方法可通过以下步骤实现：步骤1，针对待测试管道，确定切割面和测试截面；步骤2，在测试截面的周向上设置至少一个应变测点，并安装应变传感器；步骤3，沿所述切割面切割管道，以完全释放测试截面的端部约束，获取管道切割前和切割后的应变传感器数据；步骤4，分析管道载荷分布情况。
7.在本发明的埋地大直径油气管线环境荷载的测量方法的一个示例性实施例中，所述应变测点的数量可为4～32个，多个应变测点沿测试截面的周向等距设置。
8.在本发明的埋地大直径油气管线环境荷载的测量方法的一个示例性实施例中，所述切割面与所述测试截面彼此间隔开，并且间隔距离小于待测试管道的直径的2倍。
9.在本发明的埋地大直径油气管线环境荷载的测量方法的一个示例性实施例中，每个应变测点上可设置至少一组应变传感器，每组应变传感器可包括3个应变片和/或1个应变计，其中，3个应变片分别沿着水平方向、竖直方向、以及与水平呈预定角度方向设置。
10.在本发明的埋地大直径油气管线环境荷载的测量方法的一个示例性实施例中，所述步骤4可包括：基于所述应变传感器数据，获得管道切割前后测试截面的应变分布规律；计算测试截面的荷载组成；评估管道的环境荷载情况。
11.本发明另一方面提供了一种埋地大直径油气管线环境荷载的测量系统，所述测量系统包括切割设备、应变传感器和数据采集仪，其中，所述切割设备被配置为能够在管道切口处完成管道切割；所述应变传感器沿管道测试截面的周向设置，被配置为能够测量管道切割前后应变测点的应变值；所述数据采集仪与应变传感器连接，被配置为能够记录管道切割前后应变测点的应变值。
12.在本发明的埋地大直径油气管线环境荷载的测量系统的一个示例性实施例中，所述测量系统还可包括砂轮机，用于打磨管道的表面。
13.在本发明的埋地大直径油气管线环境荷载的测量系统的一个示例性实施例中，所述应变测点的数量可为4～32个，多个应变测点沿测试截面的周向等距设置，每个应变测点上可设置至少一组应变传感器，每组应变传感器包括3个应变片和/或1个应变计，其中，3个应变片分别沿着水平方向、竖直方向、以及与水平呈预定角度方向设置。
14.在本发明的埋地大直径油气管线环境荷载的测量系统的一个示例性实施例中，所述测量系统还可包括：分析模块，被配置为分析管道载荷分布情况，所述分析模块包括：应变分布规律获取单元，基于所述应变传感器数据，获得管道切割前后测试截面的应变分布规律；计算单元，计算测试截面的荷载组成；以及评估单元，评估管道的环境荷载情况。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
16.(1)本发明既可以测量管壁单一方向受力状态，也可以测量钢管管壁平面应力状态，且管线应力测试的精度较高；
17.(2)本发明适用于承受复杂载荷区域的管道，特别是山区管道、高风险区的受力分析，对于大直径输油气钢管线(例如，直径为200mm～1500mm的管道)，准确获得其地理环境荷载并进行评估，具有重大的安全意义；
18.(3)基于本发明获得的各管段截面的荷载组成，可为有限元分析提供参考和借鉴；
19.(4)本发明能够为管道建设、维护及高危风险点提供载荷分布数据，预防事故发生。
附图说明
20.通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：
21.图1示出了本发明的埋地大直径油气管线环境荷载的测量方法的一个示例性实施例的流程示意图。
22.图2示出了本发明的埋地大直径油气管线环境荷载的测量方法的一个示例性实施例的切口位置示意图。
23.图3示出了本发明的埋地大直径油气管线环境荷载的测量方法的一个示例性实施
例的应变测点位置布置示意图。
24.图4示出了本发明的埋地大直径油气管线环境荷载的测量系统的一个示例性实施例的传感器布置示意图。
25.附图标记说明：
26.1-管道，2-切口位置，3-待测荷载截面，4-应变测点，5-应变计，6-一号应变片，7-二号应变片，8-三号应变片，9-高精度应变采集仪。
具体实施方式
27.在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的埋地大直径油气管线环境荷载的测量系统和方法。
28.需要说明的是，“上”、“下”、“内”、“外”仅仅为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。现有技术中，测量管道应力的方法都只能测量管壁单一方向受力状态，无法同时测量钢管管壁平面压力状态。而且，现有的测量管道应力的方法还同时存在操作较为复杂、现场测试受环境因素影响大、单点测试时间过久、测量精度低等问题，不能对埋地或复杂载荷管道荷载进行全面评价。
29.为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种埋地大直径油气管线环境荷载的测量方法。
30.本发明的测量方法采用切割的方式完全释放管道荷载，通过记录应变测点在切割前后的应变值，获得管道切割前后测试截面的应变分布规律，来实现埋地大直径油气管线环境荷载的测量。
31.具体来讲，在本发明的一个示例性实施例中，一种埋地大直径油气管线环境荷载的测量方法可通过以下步骤实现。
32.步骤1，针对待测试管道，确定切割面和测试截面。
33.步骤2，在测试截面的周向上设置至少一个应变测点，并安装应变传感器。
34.步骤3，沿切割面切割管道，以完全释放测试截面的端部约束，获取管道切割前和切割后的应变传感器数据。
35.步骤4，分析管道载荷分布情况。
36.在本实施例中，应变测点的数量可为4～32个，多个应变测点沿测试截面的周向等距设置。
37.在本实施例中，所述切割面与所述测试截面彼此间隔开，并且间隔距离小于待测试管道的直径的2倍。
38.在本实施例中，每个应变测点上可设置至少一组应变传感器，每组应变传感器可包括3个应变片和/或1个应变计，其中，3个应变片分别沿着水平方向、竖直方向、以及与水平呈预定角度方向设置。通过设置三个方向的应变片，可以获得应变测点上的环向力、轴向力和扭力。应变片可以对测试截面上的应力点值进行测量，应变计可以对测试截面上的线性应力值进行测量，而将应变片和应变计的测量结果综合分析，不仅可以获得更多的应变值数据，还有利于分析测量数据的应变突变点，避免产生测量误差。预定角度可以设置为30
°
～60
°
，例如，30
°
、45
°
、60
°
。
39.在本实施例中，步骤4可包括：基于所述应变传感器数据，获得管道切割前后测试
截面的应变分布规律；计算测试截面的荷载组成；评估管道的环境荷载情况。
40.本发明旨在运用电阻应变测量技术，获得管段开挖及切割前后截面的应变分布规律，并通过计算截面的荷载组成(轴力、弯矩、剪力及扭矩)，以评估管段的环境荷载情况。主要适用于承受复杂载荷区域的管道，特别是山区管道和高风险区的受力分析，对于大直径输油气钢管线，准确获得其地理环境荷载并进行评估，具有重大的安全意义。
41.本发明另一方面提供了一种埋地大直径油气管线环境荷载的测量系统。
42.在本发明的另一个示例性实施例中，一种埋地大直径油气管线环境荷载的测量系统包括切割设备、应变传感器和数据采集仪。
43.其中，切割设备被配置为能够在管道切口处完成管道切割。
44.应变传感器沿管道测试截面的周向设置，被配置为能够测量管道切割前后应变测点的应变值。
45.数据采集仪与应变传感器连接，被配置为能够记录管道切割前后应变测点的应变值。
46.在本实施例中，一种埋地大直径油气管线环境荷载的测量系统还可包括砂轮机，砂轮机用于打磨管道。
47.在本实施例中，应变测点的数量为4～32个，多个应变测点沿测试截面的周向等距设置。每个应变测点上可设置至少一组应变传感器，每组应变传感器包括3个应变片和/或1个应变计。其中，3个应变片分别沿着水平方向、竖直方向、以及与水平呈预定角度方向设置。预定角度可以设置为30
°
～60
°
，例如，30
°
、45
°
和60
°
。
48.在本实施例中，该测量系统还可包括分析模块，分析模块被配置为分析管道载荷分布情况。分析模块包括应变分布规律获取单元、计算单元和评估单元。其中，应变分布规律获取单元能够基于所述应变传感器数据，获得管道切割前后测试截面的应变分布规律。计算单元用于计算测试截面的荷载组成。评估单元用于评估管道的环境荷载情况。
49.为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合附图和具体示例对其进行进一步说明。
50.示例1
51.如图1所示，一种埋地大直径油气管线环境荷载的测量方法可包括以下步骤：
52.s1、确定切割面和待测荷载截面。
53.如图2所示，切口位置2和待测荷载截面3分别位于待测试管道(简称为管道)1的两端。切口位置与待测荷载截面应满足以下关系：l＜2d，其中，l为切口位置和待测荷载截面之间的距离，d为管道直径。也就是说，切割面与待测荷载截面彼此间隔开，并且间隔距离比待测试管道的直径的2倍小。这样切割的好处是：可以保证测量到的管道载荷分布是切割后释放掉的待测荷载截面的端部约束。
54.s2、布置应变传感器。
55.布置传感器之前，可先清理待测荷载截面位置及管道周边覆土及防护层，然后在管道切割前使用皮尺沿待测荷载截面的环向等间距布置八个应变测点，并用砂轮机将应变测点所在钢管表面打磨光滑，露出金属底色。八个应变测点4在待测荷载截面上的布置位置如图3所示。
56.应变传感器的布置方式如图4所示，即在每个应变测点4上都分别布置了三组应变
传感器，每组应变传感器都包括应变计5、一号应变片6、二号应变片7和三号应变片8，并将三个应变片和应变计导线与高精度应变采集仪9相连。其中，一号应变片6沿着水平方向设置在应变测点上，二号应变片7沿着竖直方向设置在应变测点上，三号应变片8倾斜地(例如，与水平呈45
°
方向)设置在应变测点上，这三个应变片用于测量不同方向上的点状应力值，以便计算获得应变测点上的环向力、轴向力和扭力。应变计设置在应变测点上，用于测量线性应力值。将应变片和应变计的测量结果综合分析，不仅可以获得更多的应变值数据，还有利于分析测量数据的应变突变点，避免产生测量误差。
57.s3、切割管道。
58.使用切割设备沿切口位置切割钢管，完全释放待测荷载截面的端部约束，并使用高精度数据采集仪准确记录管道切割前后应变测点的应变值。
59.通过切割释放掉待测荷载截面的端部约束的方式，可以获取管道在受到环境荷载下的应变值(即切割前)和管道在释放掉环境荷载下的应变值(即切割后)，结合应力变量综合评判，就可以实现埋地或复杂载荷管道荷载全面评价。
60.s4、获取全过程传感器数据。
61.s5、管道载荷分布情况评价。
62.例如，可先获得管段开挖及切割前后截面的应变分布规律并计算截面的荷载组成(轴力、弯矩、剪力及扭矩)，然后评估管段的环境荷载情况。
63.具体来讲，通过管道切割前后各测点应变的差值，并结合经典材料力学的方法可计算出待测荷载截面上各应变测点的法向应力值与环向应力值，进而可获得待测荷载截面的应力分布规律。在此基础上，考虑截面轴向应力主要由轴力和弯矩引起，环向应力主要由剪力和扭矩引起，进而可建立静力平衡方程组，分别求解得到待测荷载截面所受到的轴力、弯矩、剪力和扭矩值。通过对管道所处地理环境的长期监测，可建立管道待测荷载截面所受的轴力、弯矩、剪力和扭矩值与地理环境变形之间的关系，进而可实现管段环境荷载情况的评估。
64.本发明通过对报废管道进行现场切割，在管道切口一端沿测试截面环向等间距布置应变测点，切割完成后释放测试截面的端部约束，并使用高精度数据采集仪准确记录管道切割前后测点的应变值，结合应力变量综合评判，实现埋地或复杂载荷管道荷载全面评价。
65.本发明具有以下优点：
66.(a)可以提高管线应力测试的精度；
67.(b)可获得管段开挖及切割前后截面的应变分布规律并计算截面的荷载组成(轴力、弯矩、剪力及扭矩)，评估管段的环境荷载情况；
68.(c)基于各管段截面的荷载组成，可为有限元分析提供参考和借鉴；
69.(d)为管道建设、维护及高危风险点提供载荷分布数据，预防事故发生。
70.综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
71.(1)本发明既可以测量管壁单一方向受力状态，也可以测量钢管管壁平面应力状态，且管线应力测试的精度较高；
72.(2)本发明可获得管段开挖及切割前后截面的应变分布规律并计算截面的荷载组成(轴力、弯矩、剪力及扭矩)，评估管段的环境荷载情况；
73.(3)基于本发明获得的各管段截面的荷载组成，可为有限元分析提供参考和借鉴；
74.(4)本发明能够为管道建设、维护及高危风险点提供载荷分布数据，预防事故发生。
75.尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。