[發明專利]一種輸氣管道裂紋擴展速度計算方法

在審

• 申請號: 202110476010.2
• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113190789A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 李鶴;封輝;陳宏遠;池強
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣集團有限公司;中國石油天然氣集團公司管材研究所
• 主分類號: G06F17/15
• 分類號: G06F17/15;F17D5/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 房鑫

本發明公開了一種輸氣管道裂紋擴展速度計算方法，包括以下步驟，步驟1，依據管道運行參數和鋼管性能參數并結合回填土壤類型和回填土壤深度確定裂紋擴展阻力曲線，并確定氣體減壓波曲線；步驟2，對裂紋擴展阻力曲線和氣體減壓波曲線采用變時間步長的計算方法進行計算，得到管道中裂紋擴展速度隨裂紋擴展距離的變化曲線，得到不同裂紋擴展距離處的裂紋擴展速度。引入了土壤回填深度和土壤類型參數，在計算時考慮了外部干涉因素對于裂紋擴展速度的影響，同時通過X80和X90管道全尺寸氣體爆破試驗回歸計算得到了有效裂紋長度表達式。并且本發明采用變時間步長的計算方法，計算過程更加簡單高效，計算結果準確性高。

技術領域

本發明屬于天然氣輸送管道斷裂控制領域，具體屬于一種輸氣管道裂紋擴展速度計算方法。

背景技術

天然氣是一種清潔能源，管道輸送是最為經濟的輸送方式，天然氣管道的發展趨勢是高壓、大口徑、大壁厚、大輸量，采用的鋼管也隨之向高鋼級(高強度級別)方向發展。天然氣管道用管線鋼管近年來發展非常快，X70級別鋼管在西氣東輸一線成功應用，西氣東輸二線管道工程大規模采用X80級別的鋼管。目前正在積極研發X90、X100等高級別管線鋼的工程應用問題。

天然氣輸送管道鋼級、管徑、設計系數的提高以及高壓富氣輸送工藝的采用，大大提高了運營效益，同時給管道安全也提出了更高的要求。輸氣管道一旦開裂，管內高壓氣體并不能立刻排空，而是由斷裂點向兩側各產生一個減壓波并向遠端傳播。同時，在內壓的驅動下，裂紋由起裂管向兩側管道擴展。當裂紋擴展驅動力(裂紋尖端氣體壓力)大于裂紋擴展阻力(鋼管自身韌性)時，裂紋將加速擴展。當裂紋擴展驅動力等于裂紋擴展阻力時，裂紋將穩態擴展。當裂紋擴展的驅動力小于裂紋擴展阻力時，裂紋將減速直至停止擴展。

高壓天然氣管道中裂紋的長程開裂會造成巨大災難和損失，為了避免裂紋的長程擴展，需要建立一種方法來計算天然氣管道中裂紋的擴展速度和距離，為天然氣管道止裂韌性的確定和爆破后果的評估提供依據。然而現有技術中的HLP模型雖然可以計算裂紋擴展速度，其基本原理是采用裂紋擴展阻力和氣體減壓波曲線來計算裂紋擴展速度。但是模型參數主要根據X70全尺寸氣體爆破試驗數據回歸得到，裂紋擴展阻力曲線也僅適用于X70管道，且模型中的計算參數不全面，計算過程復雜，并不適用于現有的X80和X90管道。

發明內容

為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種輸氣管道裂紋擴展速度計算方法，可以得到裂紋擴展速度隨裂紋擴展距離的變化規律，當裂紋擴展速度為0時，管道實現止裂。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種輸氣管道裂紋擴展速度計算方法，包括以下步驟，

步驟1，依據管道運行參數和鋼管性能參數并結合回填土壤類型和回填土壤深度確定裂紋擴展阻力曲線，并確定氣體減壓波曲線；

步驟2，對裂紋擴展阻力曲線和氣體減壓波曲線采用變時間步長的計算方法進行計算，得到管道中裂紋擴展速度隨裂紋擴展距離的變化曲線。

優選的，步驟1中，所述管道運行參數包括管道壓力、管徑、壁厚；所述鋼管性能參數包括鋼管屈服強度、鋼管抗拉強度和鋼管夏比沖擊功。

優選的，步驟1中，裂紋擴展阻力曲線公式如下：

式中，V_c表示裂紋擴展速度；R表示斷裂阻力；σ_flow表示流變應力；P表示裂紋尖端動態壓力；P_a表示止裂壓力；K為回填土壤深度系數；c表示回填土壤類型系數；m表示回填常數。

進一步的，所述止裂壓力P_a采用如下公式計算：