一種天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)清管過程中最大位移和彎曲應(yīng)力的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于天然氣輸送管道的設(shè)計(jì)與安全保障領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種天然氣管道跨 越結(jié)構(gòu)清管過程中最大位移和彎曲應(yīng)力的計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 管道跨越結(jié)構(gòu)是一種將輸送管道從天然或人工障礙物上部架空通過的建設(shè)工程， 通常具有懸索和斜拉索兩種基本形式。我國自上世紀(jì)屯十年代起就開始修建天然氣管道跨 越結(jié)構(gòu)。目前已有35座大中型管道跨越結(jié)構(gòu)。
[0003] 天然氣管道在新建投產(chǎn)后和正常的運(yùn)行周期中，都需要進(jìn)行清管W去除管內(nèi)雜物 和積水，保證其輸送能力。清管時(shí)，清管器推動(dòng)管內(nèi)積水形成局部段塞流，在經(jīng)過彎頭及地 形起伏地區(qū)時(shí)還會(huì)發(fā)生流態(tài)變化，從而對(duì)管道形成動(dòng)態(tài)載荷。由于管道跨越結(jié)構(gòu)由鋼制纜 索承力屬于柔性約束，因此在動(dòng)態(tài)載荷作用下，易產(chǎn)生大幅振動(dòng)和位移，而管道振動(dòng)又會(huì)影 響管內(nèi)兩相流的流動(dòng)狀態(tài)，形成兩相流條件下的流固禪合振動(dòng)，進(jìn)一步加劇跨越結(jié)構(gòu)的振 動(dòng)。例如四川南廣河斜拉索管道跨越結(jié)構(gòu)在清管時(shí)，管道的最大位移就達(dá)到了 2m。強(qiáng)力的位 移和振動(dòng)不僅會(huì)造成跨越結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，還易使其應(yīng)力超限，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的破壞。破壞 后泄漏的天然氣，可能引發(fā)火災(zāi)和燃爆事故，嚴(yán)重威脅跨越結(jié)構(gòu)周邊居民的生命和財(cái)產(chǎn)安 全。為此，國內(nèi)外諸多學(xué)者都對(duì)清管過程中天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力計(jì)算方法進(jìn) 行了研究，W便為其清管安全性評(píng)估提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。然而，由于跨越結(jié)構(gòu)的形式 較為復(fù)雜，加之兩相流條件下的流固禪合振動(dòng)研究尚處于起步階段，沒有形成完備的理論 體系、模型和求解方法。因此目前，絕大多數(shù)相關(guān)研究成果都基于有限元方法，建立某一特 定天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析模型。運(yùn)一計(jì)算研究過程不僅對(duì)計(jì)算者的專業(yè)素養(yǎng)要求 較高，所需時(shí)間較長，且其成果不具有可移植性。因此目前，尚未有成熟的技術(shù)或計(jì)算方法 被天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如GB 50459-2009《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》 所采納，也難W對(duì)跨越結(jié)構(gòu)的清管安全性進(jìn)行評(píng)估。
[0004] 綜上所述，天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)在清管過程中的大位移和強(qiáng)振動(dòng)是其面臨的重大 安全威脅，然而目前，尚沒有合理的計(jì)算方法和技術(shù)對(duì)該位移和位移時(shí)跨越結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng) 力進(jìn)行評(píng)估，也就難W實(shí)現(xiàn)對(duì)跨越結(jié)構(gòu)清管安全性的評(píng)價(jià)，在管道的生產(chǎn)運(yùn)行中存在缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明提供了一種天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)清管過程中最大位移和彎曲應(yīng)力的計(jì)算 方法，W解決現(xiàn)有技術(shù)中的各種缺陷和不足。本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：
[0006] 提供一種天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)清管過程中最大位移和彎曲應(yīng)力的計(jì)算方法，該方 法包括W下步驟：
[0007] 步驟一，根據(jù)天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)資料、現(xiàn)場踏勘W及擬定的清管運(yùn)行方 案，收集天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)的長度、管道外直徑、清管器到達(dá)跨越結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)的速度、清 管器到達(dá)跨越結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)時(shí)其前端的液柱長度W及該液柱的平均持液率，管道的截面慣性 矩、抗彎截面系數(shù)W及管道用鋼的彈性模量，如果跨越結(jié)構(gòu)存在加勁梁，則應(yīng)收集加勁梁的 截面慣性矩、抗彎截面系數(shù)W及管道用鋼的彈性模量；
[0008] 步驟二，根據(jù)天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)的基本形式，選擇計(jì)算參數(shù)，其具體實(shí)現(xiàn)步驟 為:根據(jù)天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)的基本形式，確定其為懸索式跨越結(jié)構(gòu)或斜拉索式跨越結(jié)構(gòu)， 判定后根據(jù)表1選擇計(jì)算參數(shù)；
[0009] 表1不同跨越結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)取值
[0011] 步驟=，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和計(jì)算參數(shù)代入公式中，計(jì)算得到天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)在清 管過程中的最大位移和彎曲應(yīng)力，具體實(shí)現(xiàn)步驟為：
[0012] (1)最大位移計(jì)算公式：
[0014] 式中y--跨越結(jié)構(gòu)的最大位移，m;
[001引 Lp--跨越結(jié)構(gòu)長度，m;
[0016] P1、P2、P3、P4、P5--計(jì)算參數(shù)，取值見表1，無量綱；
[0017]化--液彈區(qū)的平均持液率，無量綱；
[0018] X一一計(jì)算位置與跨越結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)間的距離，m;
[0019] Vp-清管器運(yùn)行速度，m/s;
[0020] d--管道外徑，m;
[0021 ] g--重力加速度，取9.8m/s2。
[0022] (2)彎曲應(yīng)力計(jì)算公式：
C2)
[0024] 式中Omax--跨越結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)力，MPa;
[0025] E-一跨越結(jié)構(gòu)管道的彈性模量，如果跨越結(jié)構(gòu)有加勁梁，則為加勁梁的彈性模 量，MPa;
[0026] y--跨越結(jié)構(gòu)的最大位移，m;
[0027] Iz-一管道的截面慣性矩，如果跨越結(jié)構(gòu)有加勁梁，則為加勁梁的截面慣性矩，m4;
[0028] W一一管道的抗彎截面系數(shù)，如果跨越結(jié)構(gòu)有加勁梁，則為加勁梁的抗彎截面系 數(shù)，m3;
[0029] Lp--跨越結(jié)構(gòu)長度，m。
[0030] 本發(fā)明提供的天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)清管過程中最大位移和彎曲應(yīng)力的計(jì)算方法， 是基于天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)和清管方案，結(jié)合材料力學(xué)原理和跨越結(jié)構(gòu)清管過 程室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出的一種計(jì)算天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)清管過程中最大位移和彎曲應(yīng)力 的新方法。該方法所需數(shù)據(jù)量少、計(jì)算量小且無需迭代，成功克服了有限元建模方法中對(duì)計(jì) 算者的專業(yè)素養(yǎng)要求較高，且移植性差、求解時(shí)間成本大的缺點(diǎn)，解決了目前尚未有成熟技 術(shù)和計(jì)算方法對(duì)跨越結(jié)構(gòu)清管位移和應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估的問題。本發(fā)明的計(jì)算流程清晰、公式 簡便，計(jì)算結(jié)果能表達(dá)清管過程中跨越結(jié)構(gòu)的最大位移和彎曲應(yīng)力，為天然氣管道跨越結(jié) 構(gòu)清管安全性評(píng)價(jià)提供了管治依據(jù)。
【附圖說明】
[0031] 圖1天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)清管過程中最大位移和彎曲應(yīng)力的計(jì)算方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明 進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0033] 本發(fā)明提供一種天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)清管過程中最大位移和彎曲應(yīng)力的計(jì)算方 法，該方法包括W下步驟：
[0034] 步驟一，根據(jù)天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)資料、現(xiàn)場踏勘W及擬定的清管運(yùn)行方 案，收集天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)的長度、加勁梁截面形狀和慣性矩、管道外直徑、清管器運(yùn)行 速度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；
[0035] 步驟二，根據(jù)天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)的基本形式，選擇計(jì)算參數(shù)；
[0036] 步驟=，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和計(jì)算參數(shù)代入公式中，計(jì)算得到天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)在清 管過程中的最大位移和彎曲應(yīng)力。
[0037] 在步驟一中，需要收集的基礎(chǔ)參數(shù)包括天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)的長度、管道外直徑、 清管器到達(dá)跨越結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)的速度、清管器到達(dá)跨越結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)時(shí)其前端的液柱長度W及 該液柱的平均持液率，管道的截面慣性矩、抗彎截面系數(shù)W及管道用鋼的彈性模量，如果跨 越結(jié)構(gòu)存在加勁梁，則應(yīng)收集加勁梁的截面慣性矩、抗彎截面系數(shù)W及管道用鋼的彈性模 量。
[0038] 在步驟二中，首先根據(jù)天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)的基本形式，確定其為懸索式跨越結(jié) 構(gòu)或斜拉索式跨越結(jié)構(gòu)，再依據(jù)結(jié)構(gòu)形式參照表1選擇計(jì)算參數(shù)。
[0039] 表1不同跨越結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)取值
[0041] 在步驟=中，天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)的最大位移及彎曲應(yīng)力計(jì)算公式如下：
[0042] (1)最大位移計(jì)算公式：
[0044]式中y--跨越結(jié)構(gòu)的最大位移，m;
[004引 Lp--跨越結(jié)構(gòu)長度，m;
[0046] P1、P2、P3、P4、P日一計(jì)算參數(shù)，取值見表1，無量綱；
[0047] 化一一液彈區(qū)的平均持液率，無量綱；
[004引X--計(jì)算位置與跨越結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)間的距離，m;
[0049] Vp-清管器運(yùn)行速度，m/s;
[0050] d--管道外徑，m;