[发明专利]地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法

权利要求书

1.地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

绘制埋地管道三维模型，导入到有限元分析软件中，确定有限元本构方程，建立有限元模型，并进行有限元数值模拟，得到应力云图，通过应力云图确定埋地管道应力较大的管段，并确定需要应力监测的管段；

在需要进行应力监测的管段布置双轴应变片，用于监测管段因地基沉降而产生的附加环向和轴向应变；

在监测管段地表设置沉降监测装置，进行管道附加应变监测与地基沉降监测，得到附加环向和轴向应变数据和地基沉降数据；

通过应力-应变公式，将监测附加环向和轴向应变数据输出为管道附加环向应力和管道附加轴向应力；

通过无线数据传输装置和信号基站，将监测数据传输至天然气站场中控室，实现实时在线监测；

通过Von-Mises屈服准则，校核计算管道当前的Von-Mises等效应力；

利用管道Von-Mises等效应力、管道工作内压和地基沉降量，构建管道Von-Mises等效应力与管道工作内压和地基沉降量的多项式数学表达式，通过多项式回归拟合出管道应力与管道工作内压和地基沉降的回归表达式；

利用灰色预测模型的方法，根据监测的地基沉降数据预测未来的地基沉降量，将地基沉降预测数值与管道工作内压代入回归表达式，预测未来沉降条件下管道Von-Mises等效应力大小；

其中，Von-Mises等效应力的计算公式为：

式中，表示管道的Von-Mises等效应力；σ_H、σ_Z、σ_J分别表示轴、环、径向的主应力；

由于管道满足薄壁特征，径向的主应力σ_J远远小于其它两个方向的应力，忽略径向的主应力σ_J，取值为0，轴向的主应力σ_H和环向的主应力σ_Z的计算公式为：

σ_H＝σ_h+σ_pH

σ_Z＝σ_z+σ_pZ

式中，

其中，σ_pH为内压导致的管道环向应力；σ_pZ为内压导致的管道轴向应力，P为管道工作内压；D为管道外径；δ为管道壁厚。

2.根据权利要求1所述的地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，其特征在于，还建立了管道应力风险评级来对当前管道应力水平进行评价，所述管道应力风险评级包括通过Von-Mises等效应力进行分级以评价管道整体的应力水平，还包括采用应力监测中所得到的管道环向附加应力和轴向附加应力中的最大值来评价沉降附加应力，得到风险等级。

3.根据权利要求1所述的地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，其特征在于，所述方法还能通过程序代码将实现数据可视化，通过计算机程序窗口将监测数据、计算数据、预测数据、管道风险等级输出。

4.根据权利要求1所述的地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，其特征在于，在绘制埋地管道三维模型前还需要搜集天然气站场埋土信息，获取管道物理参数和埋土物理参数。

5.根据权利要求4所述的地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，其特征在于，所述管道物理参数包括管径、管厚、密度、泊松比、抗拉强度，所述埋土物理参数包括单轴抗拉强度、三轴抗拉强度、密度、内摩擦角、粘聚力。

6.根据权利要求1所述的地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，其特征在于，所述应力-应变公式为：

式中，σ_hc为所测管道环向附加应力；σ_zc为所测管道轴向附加应力；E为管道的弹性模量；μ为管道的泊松比；ε_h为所测环向应变；ε_z为所测轴向应变。