一种管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法和装置

本说明书涉及安全评估领域，尤其涉及一种管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法和装置。

背景技术：

1、由于管道运输相对安全且不影响环境，是石油和天然气最常用的运输方式。但管道在其敷设及长期服役过程中，由于外部物体的撞击或荷载挤压管道等原因，会造成管壁永久性塑性变形进而导致管道横截面的变形，这就是管道凹陷。凹陷对管道运行寿命有相当大的影响，它是引起管道疲劳断裂的一个主要原因，由于凹陷变形损伤积累到一定程度管道出现断裂破损，进而引起管道泄漏或破裂等事故，将会造成巨大的安全危害和经济损失。在实际工程中，通常采用凹陷的深度作为判断凹陷严重程度的依据，但是现有的激光检测技术无法直接对管道凹陷变形进行评价，基于凹陷深度的评价方法忽视了管道凹陷区域的应力应变状态，当在评价含相同凹陷深度其他参数不同时的管道时，其评价结果的准确性会因为参数变化而存在误差。

2、现在亟需一种管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法和装置，来提高含凹陷管道的结构完整性评估技术的可靠性，从而解决实际工况下无法基于凹陷实际形貌快速评价含凹陷管道的安全性的问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中不能快速准确评价对凹陷管道的应力应变状态，导致实际工况下无法判断管道凹陷区域的应力状态是否符合材料强度校核，从而无法准确判断管道安全性的问题，本说明书实施例提供了一种管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法和装置，能够结合管道受到压头影响的位移情况，并利用有限元方法进行计算，分析凹陷管道的应力应变行为，从而为含凹陷管道结构完整性评估提供准确的依据，提高实际工况下对凹陷管道安全性的评价。

2、为了解决上述技术问题，本说明书的具体技术方案如下：

3、一方面，本说明书实施例提供了一种管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法，包括，

4、获取管道尺寸及凹陷区域的形貌参数；

5、扫描所述管道的凹陷区域，确定三维凹陷实际形貌；

6、根据所述三维凹陷实际形貌，获得所述凹陷区域的三维数据点；

7、根据所述凹陷区域的三维数据点，采用三次b样条插值函数，基于所述管道尺寸及凹陷区域的形貌参数，还原压头形状；

8、根据所述管道尺寸及所述压头形状建立凹陷管道有限元模型，获得所述凹陷区域应力应变状态。

9、进一步地，获取管道尺寸及凹陷区域的形貌参数进一步包括，

10、所述管道尺寸及凹陷区域的形貌参数包括管道直径、壁厚、钢级、凹陷面积和凹陷深度。

11、进一步地，所述扫描管道的凹陷区域中进一步包括，

12、扫描范围边界大于所述凹陷区域边界。

13、进一步地，根据所述三维凹陷实际形貌，获得所述凹陷区域的三维数据点中进一步包括，

14、所述扫描提取所述三维凹陷实际形貌；

15、对所述三维凹陷实际形貌进行横纵弧面切分，得到若干弧面的三维凹陷实际形貌坐标作为所述凹陷区域的三维数据点，其中弧面之间轴向距离不小于20mm，

16、沿管道轴向方向截面数量不少于11个凹陷截面。

17、进一步地，采用三次b样条插值函数，基于所述管道尺寸及凹陷区域的形貌参数，还原压头形状中，进一步包括，

18、根据所述凹陷区域的三维数据点利用三次b样条插值函数生成凹陷环向曲线；

19、利用蒙皮手段光滑所有凹陷环向曲线，还原压头形状。

20、进一步地，所述三次b样条插值函数进一步包括，

21、

22、式中，x表示凹陷形貌曲面轮廓点的坐标参数，bi为曲面的控制顶点；ni,3(t)为b样条的基函数，其表达式为：

23、

24、

25、式中，ni,k(t)是k次b样条基函数，t＝[t0，t1，t2，…，ti]为节点矢量。

26、进一步地，根据所述管道尺寸及所述压头形状建立凹陷管道有限元模型进一步包括，

27、设置单元类型、接触条件、边界条件及载荷。

28、进一步地，根据所述管道尺寸及所述压头形状建立凹陷管道有限元模型中，进一步包括，

29、设置鞍座限制管道沿压头方向的位移，且鞍座边界条件为所有节点全约束；压头与管道接触面及管道与鞍座接触面均需设置接触，分别设置管道为目标面，压头及鞍座表面为接触面。

30、进一步地，根据所述管道尺寸及所述压头形状建立凹陷管道有限元模型中，进一步包括

31、选中管道内表面节点施加内压，且限制压头无位移；

32、选择压头施加位移载荷为凹陷深度+a，其中a为载荷修正系数。

33、另一方面，本说明书实施例还提供了一种管道不规则凹陷形貌的应力应变计算装置，包括，

34、收集参数单元，用于获取管道尺寸及凹陷区域的形貌参数；

35、扫描单元，用于扫描所述管道的凹陷区域，确定三维凹陷实际形貌；

36、三维数据点单元，用于根据所述三维凹陷实际形貌，获得所述凹陷区域的三维数据点；

37、b样条插值单元，用于根据所述凹陷区域的三维数据点，采用三次b样条插值函数，基于所述管道尺寸及凹陷区域的形貌参数，还原压头形状；

38、有限元模型单元，用于根据所述管道尺寸及所述压头形状建立凹陷管道有限元模型，获得所述凹陷区域应力应变状态。

39、另一方面，本说明书实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器、以及存储在存储器上的计算机程序，处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。

40、最后，本说明书实施例还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被计算机设备的处理器运行时，执行上述的方法。

41、利用本说明书实施例，实现了在实际工况下对凹陷管道的安全性进行评估，并且，为了提高评估的精确度，通过扫描方法对凹陷表面进行扫描，确定管道凹陷处凹陷表面的实际形貌，获得凹陷区域的三维形貌，然后根据凹陷区域三维形貌，提取凹陷区域三维数据点，采用三次b样条插值方法，基于不规则凹陷形貌，还原压头形状，实现了对管道凹陷形貌的详细参数的获取，利用详细参数构建压头形状下的凹陷管道有限元模型，根据有限元模型对获取到的参数进行处理，获得凹陷区域应力应变的状态，提高了对管道凹陷区域评估技术的效率和可靠性。解决了现有技术中实际工况下无法快速评价管道凹陷的安全性的问题。

技术特征：

1.一种管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法，其特征在于，所述管道尺寸及凹陷区域的形貌参数包括管道直径、壁厚、钢级、凹陷面积和凹陷深度。

3.根据权利要求1所述的管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法，其特征在于，扫描所述管道的凹陷区域中包括，扫描范围边界大于所述凹陷区域边界。

4.根据权利要求1或3所述的管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法，其特征在于，根据所述三维凹陷实际形貌，获得所述凹陷区域的三维数据点中包括，

5.根据权利要求1所述的管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法，其特征在于，采用三次b样条插值函数，基于所述管道尺寸及凹陷区域的形貌参数，还原压头形状中包括，

6.根据权利要求1所述的管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法，其特征在于，所述三次b样条插值函数为：

7.根据权利要求1所述的管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法，其特征在于，根据所述压头形状建立凹陷管道有限元模型中包括，

8.根据权利要求7所述的管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法，其特征在于，根据所述管道尺寸及所述压头形状建立凹陷管道有限元模型中进一步包括，

9.根据权利要求7所述的管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法，其特征在于，根据所述管道尺寸及所述压头形状建立凹陷管道有限元模型中还包括，

10.一种管道不规则凹陷形貌的应力应变计算装置，其特征在于，包括，

技术总结
本说明书涉及管道受力分析，尤其涉及一种管道不规则凹陷形貌的应力应变计算方法和装置。其方法包括，获取管道尺寸及凹陷形貌的参数；利用激光扫描，确定三维凹陷实际形貌；根据凹陷区域三维凹陷实际形貌，提取凹陷区域三维数据点；根据凹陷区域三维数据点，采用三次B样条插值函数，基于管道尺寸及凹陷形貌的参数，还原压头形状；根据管道尺寸及压头形状建立凹陷管道有限元模型，后处理获得凹陷区域应力应变状态。通过本说明书实施例，解决了实际工况下无法快速评价管道凹陷的安全性的问题，实现了对管道凹陷区域进行高效精准的评估。

技术研发人员：帅健,张怡,帅义,任飞,梅苑,许葵
受保护的技术使用者：中国石油大学(北京)
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11