一种天然气弯管内表面双裂纹干涉研究方法及系统

本发明涉及天然气管道运输工程，尤其涉及一种天然气弯管内表面双裂纹干涉研究方法及系统。

背景技术：

1、随着石油、天然气等重要能源的大量使用，管道作为重要的运输手段被大量铺设，在能源领域发挥着重要作用，管道结构完整性是安全生产的关键问题。然而管道在外部环境与管内流体冲蚀的共同作用下，难免会产生缺陷和裂纹，特别是在薄弱结构如弯头或管道焊缝处，管道由于腐蚀开裂和疲劳，可能会产生多重裂纹，需要对这些结构进行应力分析以便可靠估算裂纹扩展速率和强度评估。由于多个裂纹之间的力学相互作用加速了裂纹扩展并缩短了失效时间，当多个裂纹相互靠近时，由于应力场的相互作用，应力强度因子发生变化，这导致裂纹扩展速度和裂纹形状的变化。

2、在役含缺陷压力管道和压力容器对安全生产形成了严重威胁，对于管道中的多裂纹，应力强度因子会受到多裂纹之间相互作用的影响，在分析管道时是必须考虑的。以往的研究主要集中在管道中某单一位置的多裂纹之间的干涉作用，然而裂纹在管道的不同位置产生的干涉效应存在差异。天然气管道运输中直管与弯头通常以焊接的构件形式连接，对于弯头结构与焊缝缺陷相结合时结构内壁多裂纹相互作用的机理尚不清楚，因此，研究多裂纹之间的相互作用具有重要的理论和现实意义。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。因此，本发明提供了一种天然气弯管内表面双裂纹干涉研究方法解决如何获取多裂纹之间在多因素影响下的相互干涉对管道的作用的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明提供了一种天然气弯管内表面双裂纹干涉研究方法，包括：

5、获取外错边焊缝弯管的数据，建立弯管模型；

6、基于所述弯管模型，对弯头和焊缝处同时存在主裂纹与附属裂纹的双裂纹模型进行分析，根据受干涉影响后的主裂纹应力强度因子结果与单裂纹模型应力强度因子进行对比，获得裂纹间的相互干涉作用对应力强度因子造成的影响；

7、基于裂纹间的相互干涉作用对应力强度因子造成的影响，通过改变附属裂纹的位置以及类型，获取多种因素影响的双裂纹之间干涉现象的变化情况。

8、作为本发明所述的天然气弯管内表面双裂纹干涉研究方法的一种优选方案，其中：建立所述弯管模型包括，

9、根据裂纹的应力强度因子，通过裂纹相互干涉作用因子η，建立弯管模型，表示为：

10、

11、其中，k1表示受干涉影响时主裂纹的应力强度因子，k0表示与主裂纹位置及尺寸相同的单裂纹应力强度因子；

12、当η>1时，附属裂纹对主裂纹前缘各点应力强度因子存在强化效应；

13、当η<1时，附属裂纹对主裂纹前缘各点应力强度因子存在屏蔽效应；

14、当η＝1时，附属裂纹对主裂纹不存在干涉，表示为零效应；

15、当|η-1|<1％时，附属裂纹对主裂纹的干涉效应忽略不计。

16、作为本发明所述的天然气弯管内表面双裂纹干涉研究方法的一种优选方案，其中：通过有限元法进行验证，计算应力强度因子k1，表示为：

17、

18、其中，r表示直管管道内半径，t表示壁厚，p表示内压，b表示裂纹短半轴，c表示裂纹长半轴，θ表示裂纹前缘角度即裂纹前缘与内壁面夹角；

19、通过计算数值模拟结果与理论计算结果的相对误差验证模型的准确性，表示为：

20、

21、作为本发明所述的天然气弯管内表面双裂纹干涉研究方法的一种优选方案，其中：分析裂纹间的相互干涉作用的影响包括，

22、通过附属裂纹对主裂纹应力强度因子的干涉效应，进行影响分析；

23、其中，对弯头存在主裂纹与附属裂纹的双裂纹模型进行分析，通过设置附属裂纹在弯头外拱内壁、位置不变，根据附属裂纹与主裂纹处于共线相邻、共轴相邻的位置关系，获取附属裂纹对主裂纹应力强度因子的干涉影响；

24、对焊缝处存在主裂纹与附属裂纹的双裂纹模型进行分析，通过设置错边焊缝裂纹前缘角度不变，根据附属裂纹与主裂纹处于共轴相邻与环向相邻的位置关系，获取附属裂纹对主裂纹应力强度因子的干涉影响。

25、作为本发明所述的天然气弯管内表面双裂纹干涉研究方法的一种优选方案，其中：弯头多裂纹干涉影响分析包括，

26、共线相邻附属裂纹对主裂纹的影响，包括，分析共线相邻条件下附属裂纹对主裂纹的干涉影响，保持双裂纹间距不变，分析附属裂纹在不同裂纹类型、不同长度以及深度变化，主裂纹前缘各点受到的干涉效应；

27、共轴相邻附属裂纹对主裂纹的影响，包括，分析共轴相邻条件下附属裂纹对主裂纹的干涉影响，通过改变附属裂纹类型、长度以及深度，分析主裂纹前缘各点受到的干涉效应。

28、作为本发明所述的天然气弯管内表面双裂纹干涉研究方法的一种优选方案，其中：焊缝处多裂纹干涉影响分析包括，

29、环向相邻位置附属裂纹对主裂纹的干涉效应，包括，分析环向相邻条件下附属裂纹对主裂纹的干涉影响，根据附属裂纹在不同长度以及深度的变化，分析主裂纹前缘各点受到的干涉效应；

30、共轴相邻位置附属裂纹对主裂纹的干涉效应，包括，分析共轴相邻条件下附属裂纹对主裂纹的干涉影响，根据附属裂纹在不同长度以及深度的变化，分析主裂纹前缘各点受到的干涉效应。

31、作为本发明所述的天然气弯管内表面双裂纹干涉研究方法的一种优选方案，其中：所述多种因素影响的双裂纹之间干涉包括，

32、改变附属裂纹的位置以及类型包括，裂纹处于弯头或错边焊缝处以及附属裂纹与主裂纹之间的位置关系，分析裂纹间距变化对主裂纹的干涉作用；

33、其中，弯头处裂纹间距变化，包括共线相邻轴向距离变化以及共轴相邻轴向距离变化；

34、错边焊缝处裂纹间距变化，包括环向相邻环向距离影响以及共轴相邻轴向距离影响；

35、设置保持主裂纹与附属裂纹尺寸不变，通过改变裂纹轴向间距或环向间距，获取含双裂纹相互干涉效应的变化情况。

36、第二方面，本发明提供了一种天然气弯管内表面双裂纹干涉研究系统，包括，

37、数据收集模块，用于获取外错边焊缝弯管的数据；

38、模型构建模块，用于建立弯管模型；

39、数据分析模块，用于分析天然气弯管双裂纹在多种因素下的相互干涉的影响情况；

40、输出模块，用于获取并输出双裂纹干涉变化影响结果。

41、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括：

42、存储器和处理器；

43、所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现所述天然气弯管内表面双裂纹干涉研究方法的步骤。

44、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现所述天然气弯管内表面双裂纹干涉研究方法的步骤。

45、与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明确定了附属裂纹对主裂纹前缘点的干扰影响结果，通过建立外错边焊缝弯管模型，对弯头和焊缝处同时存在主裂纹与附属裂纹的双裂纹模型进行分析，利用受干涉影响后的主裂纹应力强度因子结果与单裂纹模型进行对比，获取裂纹间的相互干涉作用对应力强度因子造成的影响，并在此基础上获取多种因素影响下双裂纹之间干涉现象的变化情况，能够清楚掌握含错边焊缝缺陷的天然气弯管内表面双裂纹相互作用影响的真实变化情况，为多裂缝输气管道的安全性评价提供可靠的理论依据。