一种天然气管道跨越结构清管过程中最大位移和弯曲应力的计算方法技术

技术编号:13171191 阅读:91 留言:0更新日期:2016-05-10 14:46
本发明专利技术公开了一种天然气管道跨越结构清管过程中最大位移和弯曲应力的计算方法。现有计算方法需要针对具体的斜拉索或悬索跨越结构,建立专门的有限元模型,对计算者的专业素养要求较高,且移植性差、求解时间成本大。本方法可根据天然气管道斜拉索跨越结构的基本参数,通过计算公式快速获得其清管过程中的最大位移和弯曲应力,解决了上述问题。其步骤是:收集天然气管道斜拉索跨越结构及其清管预案的基础数据;根据跨越结构的基本形式选择计算参数;将收集到的基础数据和计算参数代入公式,计算得到天然气管道跨越结构清管过程的最大位移和弯曲应力。本发明专利技术的计算方法简便,计算结果能表达在清管作用下跨越结构的最大位移和弯曲应力,为天然气管道跨越结构清管安全性评价提供了依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于天然气输送管道的设计与安全保障领域,尤其设及一种天然气管道跨 越结构清管过程中最大位移和弯曲应力的计算方法。
技术介绍
管道跨越结构是一种将输送管道从天然或人工障碍物上部架空通过的建设工程, 通常具有悬索和斜拉索两种基本形式。我国自上世纪屯十年代起就开始修建天然气管道跨 越结构。目前已有35座大中型管道跨越结构。 天然气管道在新建投产后和正常的运行周期中,都需要进行清管W去除管内杂物 和积水,保证其输送能力。清管时,清管器推动管内积水形成局部段塞流,在经过弯头及地 形起伏地区时还会发生流态变化,从而对管道形成动态载荷。由于管道跨越结构由钢制缆 索承力属于柔性约束,因此在动态载荷作用下,易产生大幅振动和位移,而管道振动又会影 响管内两相流的流动状态,形成两相流条件下的流固禪合振动,进一步加剧跨越结构的振 动。例如四川南广河斜拉索管道跨越结构在清管时,管道的最大位移就达到了 2m。强力的位 移和振动不仅会造成跨越结构的失稳,还易使其应力超限,从而导致整体结构的破坏。破坏 后泄漏的天然气,可能引发火灾和燃爆事故,严重威胁跨越结构周边居民的生命和财产安 全。为此,国内外诸多学者都对清管过程中天然气管道跨越结构的位移和应力计算方法进 行了研究,W便为其清管安全性评估提供理论依据和数据基础。然而,由于跨越结构的形式 较为复杂,加之两相流条件下的流固禪合振动研究尚处于起步阶段,没有形成完备的理论 体系、模型和求解方法。因此目前,绝大多数相关研究成果都基于有限元方法,建立某一特 定天然气管道跨越结构的动力分析模型。运一计算研究过程不仅对计算者的专业素养要求 较高,所需时间较长,且其成果不具有可移植性。因此目前,尚未有成熟的技术或计算方法 被天然气管道跨越结构的相关标准,如GB 50459-2009《油气输送管道跨越工程设计规范》 所采纳,也难W对跨越结构的清管安全性进行评估。 综上所述,天然气管道跨越结构在清管过程中的大位移和强振动是其面临的重大 安全威胁,然而目前,尚没有合理的计算方法和技术对该位移和位移时跨越结构的弯曲应 力进行评估,也就难W实现对跨越结构清管安全性的评价,在管道的生产运行中存在缺陷。
技术实现思路
[000引本专利技术提供了一种天然气管道跨越结构清管过程中最大位移和弯曲应力的计算 方法,W解决现有技术中的各种缺陷和不足。本专利技术采取的技术方案如下: 提供,该方 法包括W下步骤: 步骤一,根据天然气管道跨越结构的设计资料、现场踏勘W及拟定的清管运行方 案,收集天然气管道跨越结构的长度、管道外直径、清管器到达跨越结构起始点的速度、清 管器到达跨越结构起始点时其前端的液柱长度W及该液柱的平均持液率,管道的截面惯性 矩、抗弯截面系数W及管道用钢的弹性模量,如果跨越结构存在加劲梁,则应收集加劲梁的 截面惯性矩、抗弯截面系数W及管道用钢的弹性模量; 步骤二,根据天然气管道跨越结构的基本形式,选择计算参数,其具体实现步骤 为:根据天然气管道跨越结构的基本形式,确定其为悬索式跨越结构或斜拉索式跨越结构, 判定后根据表1选择计算参数; 表1不同跨越结构的计算参数取值 步骤=,将基础数据和计算参数代入公式中,计算得到天然气管道跨越结构在清 管过程中的最大位移和弯曲应力,具体实现步骤为: (1)最大位移计算公式: 式中y--跨越结构的最大位移,m;[001引 Lp--跨越结构长度,m; P1、P2、P3、P4、P5--计算参数,取值见表1,无量纲;化--液弹区的平均持液率,无量纲; X一一计算位置与跨越结构起始点间的距离,m; Vp-清管器运行速度,m/s; d--管道外径,m; g--重力加速度,取9.8m/s2。 (2)弯曲应力计算公式:C2) 式中Omax--跨越结构的弯曲应力,MPa; E-一跨越结构管道的弹性模量,如果跨越结构有加劲梁,则为加劲梁的弹性模 量,MPa; y--跨越结构的最大位移,m; Iz-一管道的截面惯性矩,如果跨越结构有加劲梁,则为加劲梁的截面惯性矩,m4; W一一管道的抗弯截面系数,如果跨越结构有加劲梁,则为加劲梁的抗弯截面系 数,m3; Lp--跨越结构长度,m。 本专利技术提供的天然气管道跨越结构清管过程中最大位移和弯曲应力的计算方法, 是基于天然气管道跨越结构的设计参数和清管方案,结合材料力学原理和跨越结构清管过 程室内实验数据,推导出的一种计算天然气管道跨越结构清管过程中最大位移和弯曲应力 的新方法。该方法所需数据量少、计算量小且无需迭代,成功克服了有限元建模方法中对计 算者的专业素养要求较高,且移植性差、求解时间成本大的缺点,解决了目前尚未有成熟技 术和计算方法对跨越结构清管位移和应力进行评估的问题。本专利技术的计算流程清晰、公式 简便,计算结果能表达清管过程中跨越结构的最大位移和弯曲应力,为天然气管道跨越结 构清管安全性评价提供了管治依据。【附图说明】 图1天然气管道跨越结构清管过程中最大位移和弯曲应力的计算方法流程图。【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白,W下结合实施例,对本专利技术 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仅用W解释本专利技术,并不用于 限定本专利技术。 本专利技术提供一种天然气管道跨越结构清管过程中最大位移和弯曲应力的计算方 法,该方法包括W下步骤: 步骤一,根据天然气管道跨越结构的设计资料、现场踏勘W及拟定的清管运行方 案,收集天然气管道跨越结构的长度、加劲梁截面形状和惯性矩、管道外直径、清管器运行 速度等基础数据; 步骤二,根据天然气管道跨越结构的基本形式,选择计算参数; 步骤=,将基础数据和计算参数代入公式中,计算得到天然气管道跨越结构在清 管过程中的最大位移和弯曲应力。 在步骤一中,需要收集的基础参数包括天然气管道跨越结构的长度、管道外直径、 清管器到达跨越结构起始点的速度、清管器到达跨越结构起始点时其前端的液柱长度W及 该液柱的平均持液率,管道的截面惯性矩、抗弯截面系数W及管道用钢的弹性模量,如果跨 越结构存在加劲梁,则应收集加劲梁的截面惯性矩、抗弯截面系数W及管道用钢的弹性模 量。 在步骤二中,首先根据天然气管道跨越结构的基本形式,确定其为悬索式跨越结 构或斜拉索式跨越结构,再依据结构形式参照表1选择计算参数。 表1不同跨越结构的计算参数取值 在步骤=中,天然气管道跨越结构的最大位移及弯曲应力计算公式如下: (1)最大位移计算公式:式中y--跨越结构的最大位移,m;[004引 Lp--跨越结构长度,m; P1、P2、P3、P4、P日一计算参数,取值见表1,无量纲; 化一一液弹区的平均持液率,无量纲;[004引X--计算位置与跨越结构起始点间的距离,m; Vp-清管器运行速度,m/s; d--管道外径,m;当前第1页1 2 本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种天然气管道跨越结构清管过程中最大位移和弯曲应力的计算方法,包括以下步骤:步骤一,根据天然气管道跨越结构的设计资料、现场踏勘以及拟定的清管运行方案,收集天然气管道跨越结构的长度、加劲梁截面形状和惯性矩、管道外直径、清管器运行速度等基础数据;步骤二,根据天然气管道跨越结构的基本形式,选择计算参数;步骤三,将基础数据和计算参数代入公式中,计算得到天然气管道跨越结构在清管过程中的最大位移和弯曲应力。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:吴瑕李卓然李长俊贾文龙
申请(专利权)人:西南石油大学
类型:发明
国别省市:四川;51

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