[发明专利]一种管道数字孪生体系的设计方法

说明书

本发明属于管道安全和生命周期管理领域，具体涉及一种管道数字孪生体系的设计方法，该体系由管道数字孪生体、管道监测系统、管道内/外无损检测数据库、管道设计/运营维护数据库、管道数据挖掘分析系统组成，其中管道数字孪生体通过与地质灾害孪生体的信息互换，组成更高层次的共智孪生体。管道数字孪生体的建模采用全局‑局部方法，以管道监测系统的实时位移采集值作为位移边界条件，以探测光纤的应变/温度值作为校验、修正数据。应用管道数据挖掘分析系统促进管道数字孪生体的进化。管道数字孪生体系可实时显示管道高危区域，提出内检测需求，建议增补监测点，识别探测光纤脱落的位置，评估管道安全裕度，建议补强方法，预测补强效果。

技术领域

本发明属于管道安全和生命周期管理领域，具体涉及一种管道数字孪生体系的设计方法。

背景技术

油气管道担负着国家能源供应的重任，管道的生命周期包括制管、敷设、连头焊接、运营、地质灾害治理、缺陷补强、换管、报废等阶段。管道在生命周期内的本质安全与管道材料、制管质量、缺陷的类型、数量、严重程度、地理环境、埋深、运营年限、维修方式、运营压力等均相关。在管道的整个生命周期内，会定期开展漏磁内检测、超声内检测，并对开挖的埋地管道开展缺陷无损外检测，但无法实时显示管道整体的应力状态和变形位移量。本发明基于管道数字孪生体(基于计算机辅助工程软件分析系统开发)、管道监测系统、管道内/外无损检测数据库、管道设计运营维护数据库、管道数据挖掘分析系统，构建一种管道数字孪生体系，其中的管道数字孪生体与地质灾害孪生体组成更高层次的共智孪生体。管道数字孪生体系具有实时显示全线管道的应力状态和变形量，标识管道高危区域，主动提出内检测需求，建议增补应力位移/温度监测点，识别探测光纤的脱落位置，评估管道的安全裕度，建议缺陷补强方法，预测补强效果等功能。

发明内容

本发明的目的是提出管道数字孪生体系的设计方法。管道数字孪生体系由(1)管道数字孪生体(基于计算机辅助工程软件分析系统开发)、(2)管道监测系统、(3)管道内/外无损检测数据库、(4)管道设计/运营维护数据库、(5)管道数据挖掘分析系统组成，其中(1)管道数字孪生体与(6)地质灾害孪生体组成更高层次的共智孪生体。下面详细说明管道数字孪生体系的组成、功能以及相互之间的关系：

(1)管道数字孪生体的力学模型采用全局-局部建模方法，全局模型基于两个阀室之间的物理管道建立，与物理管道具有同样的材料性能、几何尺寸形状、空间走势、埋地深度、缺陷补强位置、土体滑坡沉降/塌陷治埋方位等；局部模型则考虑管体缺陷、管道补强结构、管体与土体的接触应力分布，以及土体滑坡/沉降/塌陷治理结构对管体和土体的约束作用等。管道数字孪生体的全局模型可包含多个阀室之间连续或间断的多段管道，通常以两个阀室之间的物理管道作为一个单位段。

进一步地，全局模型采用管道监测系统实时采集的位移值作为位移边界条件，采用探测光纤实时采集的连续应变、温度值(米级空间分辨率)，校验模拟结果，修正全局模型。

再进一步地，根据管道缺陷应力场的影响范围，选择适当长度的管道和土体，建立管道数字孪生体的局部模型。局部模型需导入制管残余应力，其两端的力学边界条件来自于全局模型的模拟结果，缺陷的类型、位置、几何尺寸信息来自于管道内/外无损检测的数据信息。

再进一步地，根据管道数字孪生体模拟的管道应力和随时间变化的应力幅，预测缺陷萌生点；并结合管道内/外无损检测数据库的缺陷信息，预测缺陷发展速度。

(2)管道监测系统由一系列传感器、数据采集模块、探测光纤(应变、温度、振动)、光纤信号收发器、无线信号收发模块、太阳能供电系统(野外)、电源及防雷模块、监测系统软件组成。传感器包括应变计、位移计、水准仪。能够实时监测管道离散监测点的应变、位移和温度(毫米级空间分辨率)，以及管道沿线连续的应变、温度、振动加速度值(米级空间分辨率)。