[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于天然气输送管道的设计与安全保障领域，尤其涉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。

背景技术

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。我国自上世纪七十年代起就开始修建天然气管道跨越结构。目前，我国已有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，都需要进行清管以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耦合振动，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，以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耦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。这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，也难以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，也就难以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。

发明内容

本发明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，以解决现有技术中的各种缺陷和不足，本发明采取的技术方案如下：

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、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以及该液柱的平均持液率，管道的截面惯性矩、抗弯截面系数以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以及管道用钢的弹性模量；

步骤二，判断天然气管道跨越结构是悬索式还是斜拉索式，根据表1，选择计算公式中的常量p₁、p₂、p₃、p₄、p₅。

表1不同跨越结构的计算公式常量取值