[发明专利]一种输气管道裂纹扩展速度计算方法

说明书

本发明公开了一种输气管道裂纹扩展速度计算方法，包括以下步骤，步骤1，依据管道运行参数和钢管性能参数并结合回填土壤类型和回填土壤深度确定裂纹扩展阻力曲线，并确定气体减压波曲线；步骤2，对裂纹扩展阻力曲线和气体减压波曲线采用变时间步长的计算方法进行计算，得到管道中裂纹扩展速度随裂纹扩展距离的变化曲线，得到不同裂纹扩展距离处的裂纹扩展速度。引入了土壤回填深度和土壤类型参数，在计算时考虑了外部干涉因素对于裂纹扩展速度的影响，同时通过X80和X90管道全尺寸气体爆破试验回归计算得到了有效裂纹长度表达式。并且本发明采用变时间步长的计算方法，计算过程更加简单高效，计算结果准确性高。

技术领域

本发明属于天然气输送管道断裂控制领域，具体属于一种输气管道裂纹扩展速度计算方法。

背景技术

天然气是一种清洁能源，管道输送是最为经济的输送方式，天然气管道的发展趋势是高压、大口径、大壁厚、大输量，采用的钢管也随之向高钢级(高强度级别)方向发展。天然气管道用管线钢管近年来发展非常快，X70级别钢管在西气东输一线成功应用，西气东输二线管道工程大规模采用X80级别的钢管。目前正在积极研发X90、X100等高级别管线钢的工程应用问题。

天然气输送管道钢级、管径、设计系数的提高以及高压富气输送工艺的采用，大大提高了运营效益，同时给管道安全也提出了更高的要求。输气管道一旦开裂，管内高压气体并不能立刻排空，而是由断裂点向两侧各产生一个减压波并向远端传播。同时，在内压的驱动下，裂纹由起裂管向两侧管道扩展。当裂纹扩展驱动力(裂纹尖端气体压力)大于裂纹扩展阻力(钢管自身韧性)时，裂纹将加速扩展。当裂纹扩展驱动力等于裂纹扩展阻力时，裂纹将稳态扩展。当裂纹扩展的驱动力小于裂纹扩展阻力时，裂纹将减速直至停止扩展。

高压天然气管道中裂纹的长程开裂会造成巨大灾难和损失，为了避免裂纹的长程扩展，需要建立一种方法来计算天然气管道中裂纹的扩展速度和距离，为天然气管道止裂韧性的确定和爆破后果的评估提供依据。然而现有技术中的HLP模型虽然可以计算裂纹扩展速度，其基本原理是采用裂纹扩展阻力和气体减压波曲线来计算裂纹扩展速度。但是模型参数主要根据X70全尺寸气体爆破试验数据回归得到，裂纹扩展阻力曲线也仅适用于X70管道，且模型中的计算参数不全面，计算过程复杂，并不适用于现有的X80和X90管道。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种输气管道裂纹扩展速度计算方法，可以得到裂纹扩展速度随裂纹扩展距离的变化规律，当裂纹扩展速度为0时，管道实现止裂。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种输气管道裂纹扩展速度计算方法，包括以下步骤，

步骤1，依据管道运行参数和钢管性能参数并结合回填土壤类型和回填土壤深度确定裂纹扩展阻力曲线，并确定气体减压波曲线；

步骤2，对裂纹扩展阻力曲线和气体减压波曲线采用变时间步长的计算方法进行计算，得到管道中裂纹扩展速度随裂纹扩展距离的变化曲线。

优选的，步骤1中，所述管道运行参数包括管道压力、管径、壁厚；所述钢管性能参数包括钢管屈服强度、钢管抗拉强度和钢管夏比冲击功。

优选的，步骤1中，裂纹扩展阻力曲线公式如下：

式中，V_c表示裂纹扩展速度；R表示断裂阻力；σ_flow表示流变应力；P表示裂纹尖端动态压力；P_a表示止裂压力；K为回填土壤深度系数；c表示回填土壤类型系数；m表示回填常数。

进一步的，所述止裂压力P_a采用如下公式计算：