一种天然气管道止裂预测的方法技术

本发明专利技术公开了一种天然气管道止裂预测的方法，属于管道设计制造技术领域。所述方法包括：获取试样断裂时单位面积上损伤断裂吸收能临界值。利用有限元方法建立管道服役条件下的数值模型，计算管道裂纹尖端区域单位面积上的损伤断裂吸收能，以所述损伤断裂吸收能是否达到所述损伤断裂吸收能临界值作为管道是否开裂的判据。根据判据，从有限元模型中计算得到裂纹扩展速度和气体减压波速度。若所述裂纹扩展速度大于等于气体减压波速度，则管道在现有服役条件下，出现裂纹后不能止裂；否则，管道在现有服役条件下，出现裂纹后能止裂。本发明专利技术基于损伤断裂吸收能，利用拉伸试样预测管道止裂性能，对保障管道安全运行有一定的示范作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及管道设计制造
，特别涉及一种然气管道止裂预测的方法。
技术介绍
为满足国民经济发展对天然气日益增长的需求，天然气管道正朝着高钢级、大口径、高压力方向发展。高钢级、高压力天然气管道惠及国计民生的同时，一旦发生事故，后果不堪设想，其中管道裂纹长程扩展是最不可接受的灾难性后果，因此设计对钢管性能的基本要求是起裂后能迅速止裂。其中脆性开裂的止裂设计可以通过控制管材的韧脆转换温度来实现，而裂纹延性扩展则需要通过提高管材止裂韧性加以控制。以管材夏比冲击功(CVN)为指标的裂纹延性扩展止裂设计是目前国际上普遍采用的方法。对于重大管道或采用明显技术进步的管道(如西气东输二线)，夏比冲击功最小要求值的确定是管线设计的重要研究课题。现有管材止裂性能设计方法为首先采用半经验公式(如BATTLE双曲线法)确定CVN值，然后利用气体全尺寸爆破试验验证或修正。在实现本专利技术的过程中，现有技术至少存在以下问题：首先，CVN值是否可以代表管道的真实韧性值得商榷。CVN试验实际上是三点弯曲试验，试样缺口处存在较大弯曲应力，而实际大口径钢管管壁裂纹沿轴向起裂及扩展时，管壁环向的拉伸应力远远大于弯曲应力。因此可以认为CVN试样增加了裂纹尖端的约束，过低估计了管线钢的韧性值。第二，现有止裂预测的半经验公式是否对高钢级管道有效值得探讨。国际上，止裂预测半经验公式有BATTLE双曲线法(BTC)、AISI、British Gas等模型，其中BTC模型应用最为广泛。该模型于上世纪70年代提出，是以当时低钢级管线钢实物爆破试验的统计数据为依据，拟合得出的公式。BATTLE模型原理为根据管材CVN值计算管道裂纹扩展速度，并同时计算气体减压波扩展速度，若前者大于后者，则当前CVN值下管道裂纹出现后不能止裂，否者可以止裂。该模型成功预测了不同工况条件下X70及以下级别管线钢止裂所需CVN值，然而当钢级超过X80、压力超过10MPa时，BTC方法预测的准确性急剧下降，需要加以修正或重新建立公式，而目前缺少较为公认的预测公式。
技术实现思路
为了解决现有技术的问题，本专利技术的目的在于提供一种天然气管道止裂预测的方法。为达到以上目的，本专利技术的技术方案如下：包括以下步骤：1)利用拉伸试验获取天然气管道单位面积上的损伤断裂吸收能临界值；2)利用有限元方法建立天然气管道服役条件下的天然气管道有限元模型，并在钢管有限元模型中设置天然气管道裂纹；3)根据天然气管道有限元模型及天然气管道裂纹，计算天然气管道裂纹尖端区域单位面积上的损伤断裂吸收能值，将损伤断裂吸收能值与损伤断裂吸收能临界值进行比较，当损伤断裂吸收能值大于等于损伤断裂吸收能临界值时，天然气管道开裂，从天然气管道有限元模型中计算得到裂纹扩展速度和气体减压波速度；当损伤断裂吸收能值小于损伤断裂吸收能临界值时，天然气管道未开裂；4)若所述裂纹扩展速度大于等于所述气体减压波速度，则天然气管道服役条件下出现裂纹后不能止裂；若所述裂纹扩展速度小于所述气体减压波速度，则天然气管道服役条件下出现裂纹后能够止裂。2、根据权利要求1所述的一种然气管道止裂预测的方法，其特征在于，所述损伤断裂吸收能临界值获取方法为：对天然气管道取横向拉伸试样，在可获取时间-能量曲线及时间-载荷曲线的试验机上进行拉伸试验，获取试样断裂时的能量值以及载荷最大点对应的能量值，将所述断裂时的能量值和载荷最大点对应的能量值的差值除以试样截面积，得到单位面积上的损伤断裂吸收能临界值。所述利用有限元方法建立天然气管道服役条件下的天然气管道有限元模型具体包括：根据天然气管道的管径、壁厚、长度、密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、真实抗拉强度、均匀延伸率、断裂极限应变、输送介质的温度、压力、定压比热容、定容比热容以及所述损伤断裂吸收能临界值，建立流固耦合的天然气管道有限元模型。所述天然气管道有限元模型通过有限元软件ABAQUS建立。所述损伤断裂吸收能是指天然气管道从损伤出现到载荷施加完毕过程中吸收的能量。所述损伤出现是指天然气管道裂纹尖端材料应变值达到材料均匀延伸率。与现有技术比较，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供了一种然气管道止裂预测的方法，利用有限元方法建立天然气管道服役条件下的数值模型，计算天然气管道裂纹尖端区域单位面积上的损伤断裂吸收能，以所述损伤断裂吸收能是否达到所述损伤断裂吸收能临界值作为天然气管道是否开裂的判据。根据这一判据，从有限元模型中计算得到裂纹扩展速度和气体减压波速度。若所述裂纹扩展速度大于等于气体减压波速度，则天然气管道在现有服役条件下，出现裂纹后不能止裂；若所述裂纹扩展速度小于气体减压波速度，则天然气管道在现有服役条件下，出现裂纹后可以止裂。本专利技术基于损伤断裂吸收能，利用拉伸试样预测天然气管道止裂性能，对保障天然气管道安全运行有一定的示范作用，能够有效的避免高钢级、高压力天然气管道因为开裂发生意外事故，保证了他人生命和财产的安全。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例提供的拉伸试验时间-载荷以及时间—能量曲线图；图2是本专利技术实施例提供的管道裂纹扩展示意图；图3是本专利技术然气管道止裂预测的方法的流程框图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。如图3所示，本专利技术提供了一种然气管道止裂预测的方法，包括以下步骤：1)利用拉伸试验获取天然气管道单位面积上的损伤断裂吸收能临界值；具体的损伤断裂吸收能临界值获取方法为：对天然气管道取横向拉伸试样，在可获取时间-能量曲线及时间-载荷曲线的试验机上进行拉伸试验，获取试样断裂时的能量值以及载荷最大点对应的能量值，将所述断裂时的能量值和载荷最大点对应的能量值的差值除以试样截面积，得到单位面积上的损伤断裂吸收能临界值。2)利用有限元方法建立天然气管道服役条件下的天然气管道有限元模型，并在钢管有限元模型中设置天然气管道裂纹；所述利用有限元方法建立天然气管道服役条件下的钢管有限元模型具体包括：根据钢管的管径、壁厚、长度、密度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种天然气管道止裂预测的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用拉伸试验获取天然气管道单位面积上的损伤断裂吸收能临界值；2)利用有限元方法建立天然气管道服役条件下的天然气管道有限元模型，并在钢管有限元模型中设置天然气管道裂纹；3)根据天然气管道有限元模型及天然气管道裂纹，计算天然气管道裂纹尖端区域单位面积上的损伤断裂吸收能值，将损伤断裂吸收能值与损伤断裂吸收能临界值进行比较，当损伤断裂吸收能值大于等于损伤断裂吸收能临界值时，天然气管道开裂，从天然气管道有限元模型中计算得到裂纹扩展速度和气体减压波速度；当损伤断裂吸收能值小于损伤断裂吸收能临界值时，天然气管道未开裂；4)若所述裂纹扩展速度大于等于所述气体减压波速度，则天然气管道服役条件下出现裂纹后不能止裂；若所述裂纹扩展速度小于所述气体减压波速度，则天然气管道服役条件下出现裂纹后能够止裂。

【技术特征摘要】
1.一种天然气管道止裂预测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用拉伸试验获取天然气管道单位面积上的损伤断裂吸收能临界值；
2)利用有限元方法建立天然气管道服役条件下的天然气管道有限元模
型，并在钢管有限元模型中设置天然气管道裂纹；
3)根据天然气管道有限元模型及天然气管道裂纹，计算天然气管道裂纹
尖端区域单位面积上的损伤断裂吸收能值，将损伤断裂吸收能值与损伤断裂
吸收能临界值进行比较，当损伤断裂吸收能值大于等于损伤断裂吸收能临界
值时，天然气管道开裂，从天然气管道有限元模型中计算得到裂纹扩展速度
和气体减压波速度；当损伤断裂吸收能值小于损伤断裂吸收能临界值时，天
然气管道未开裂；
4)若所述裂纹扩展速度大于等于所述气体减压波速度，则天然气管道服
役条件下出现裂纹后不能止裂；若所述裂纹扩展速度小于所述气体减压波速
度，则天然气管道服役条件下出现裂纹后能够止裂。
2.根据权利要求1所述的一种然气管道止裂预测的方法，其特征在于，
所述损伤断裂吸收能临界值获取方法为：
对天然气管道取横向拉伸试样，在可获取时间-能量曲线及时间-载荷曲
线的试验...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锋平，李洋，罗金恒，张良，吉玲康，马卫锋，王珂，李丽锋，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油天然气集团公司管材研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11