一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，根据管道结构和应力参数计算管道应力比；采用BWRS状态方程计算天然气减压波；根据天然气减压波曲线判断是否存在减压波平台；根据管道应力比和天然气减压波平台判断结果，确定不同条件下的止裂器厚度：根据不同条件下的止裂器厚度确定止裂器的长度和两端坡口。同时，在设计玻璃纤维复合材料止裂器的力学性能时，规定了抗拉强度、弹性模量和极限应变三个力学性能参数。该方法能有效阻止X100管道中延性裂纹的长程扩展，实现延性长程扩展裂纹的柔性止裂。

A design method of glass fiber composite crack arrestor for X100 gas pipeline

【技术实现步骤摘要】
一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法
本专利技术属于天然气输送管道断裂控制领域，涉及一种用于阻止X100输气管道(包含富气和贫气)延性裂纹长程扩展的柔性止裂方法，具体涉及一种玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法。
技术介绍
天然气是一种清洁能源，也是一种易燃、易爆的危险介质，通常采用管道运输，管道运输具有运输量大、连续、迅速、经济、安全可靠的特点。管道在长期服役过程中，由于受到地层压力、腐蚀、疲劳、外部机械损伤等作用，宜造成管道开裂、泄漏等事故发生。高压天然气管道一旦开裂并长程扩展，将造成巨大灾害和损失。因此必须采取措施保证管道的安全性。天然气管道的发展趋势是高钢级、高压、大口径、大壁厚、大输量，以提高输送效率，降低建设成本。我国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。目前世界各国正在积极研发X100高级别管线钢的工程应用问题。然而现有的全尺寸气体爆破试验结果表明，X100管道一旦产生失稳扩展的裂纹，其难以依靠自身韧性进行止裂，这已经成为严重威胁X100管线安全并制约X100管线钢应用的瓶颈问题。当管线钢自身的韧性不能保证阻止延性裂纹扩展时，需采用一些外部装置，即止裂器来预防、阻止管道的延性裂纹长距离扩展。玻璃纤维复合材料作为一种修复补强手段已广泛应用于管道的建设和维护中，用于抑制裂纹的启裂。然而当玻璃纤维复合材料用作止裂器时，目前还缺乏设计方法和规范，这极大的限制了玻璃纤维复合材料止裂器的应用。此外，止裂器应促进裂纹柔性止裂，突然止裂会导致裂纹在进入止裂器时产生环切(ringoff)现象，钢管沿环向开裂，从而使钢管被冲出沟槽，对管线和周围环境造成严重后果。要实现裂纹柔性止裂可通过避免断裂阻力的突然增加来实现。钢管壁厚的突然增加或者对裂口两侧约束作用的突然增加，都会造成环切现象。可通过改变止裂器两端端口形状，使止裂器的厚度逐渐增加，对裂纹提供逐渐增加的约束作用。
技术实现思路
本专利技术根据有限元计算和全尺寸气体爆破试验结果修正，提出了一种用于X100输气管道的玻璃纤维复合材料止裂器设计方法，可实现X100管道中延性裂纹的止裂功能。采用管道工程修复补强中(防止管道中缺陷的长大和起裂)常用的玻璃纤维复合材料，通过合理的结构和强度设计，该方法能有效阻止X100管道中延性裂纹的长程扩展，实现延性断裂的柔性止裂。本专利技术的目的是通过下述技术方案来实现的。一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，包括如下步骤：1)根据管道结构和应力参数计算管道应力比；2)根据管道温度、压力及输送天然气组分，采用BWRS状态方程计算天然气减压波；3)根据天然气减压波曲线判断是否存在减压波平台：如果减压波曲线为光滑曲线，减压波压力随着减压波速度降低而降低，则天然气不存在减压波平台；如果减压波曲线中存在减压波速度降低而减压波压力保持不变的情况，则天然气存在减压波平台；4)根据管道应力比和步骤3)的判断结果，确定不同条件下的止裂器厚度：如果天然气存在减压波平台，且0.5≤管道应力比F≤0.72，则止裂器厚度为ta1；如果天然气不存在减压波平台，且0.6≤管道应力比F≤0.8，则止裂器厚度为ta2；5)根据不同条件下的止裂器厚度ta1和ta2确定止裂器的平行段长度和两端坡口角度。本专利技术还有进一步优选的方案：优选的，所述管道应力比按照如下公式计算：其中，F为管道应力比；P为管道内压力；D为管道直径；R0.5为X100钢管屈服强度，t为管道壁厚。优选的，所述BWRS状态方程计算天然气减压波，按照如下公式计算：其中，P为系统压力/kPa；ρ为气相或液相的密度/kmol/m3；R为通用气体常数/J/(mol·k)；T为系统温度/T；A0，B0，C0，D0，E0，a，b，c，d，α,γ为方程特征参数。优选的，如果天然气存在减压波平台，且0.5≤管道应力比F≤0.72，则止裂器厚度按照公式(3)进行计算：ta1＝-11.1+4.5Ft(3)如果天然气不存在减压波平台，且0.6≤管道应力比F≤0.8，则止裂器厚度按照公式(4)进行计算：ta2＝51.8-9.58Ft+0.7(Ft)2(4)其中，ta1、ta2为不同条件下的止裂器壁厚，t为钢管壁厚。优选的，当止裂器厚度为ta1或者ta2时，止裂器平行段的长度按照公式(5)进行计算：La＝21.4286×ta+1028.5714(5)其中，La为止裂器平行段长度，单位mm，ta为止裂器厚度，ta等于ta1或者ta2。当计算得到的平行段长度La小于1500mm时，取1500mm作为止裂器平行段的长度。当计算得到的平行段长度La大于等于1500mm，小于1800mm时，取La的实际计算值作为止裂器平行段的长度。当计算得到的平行段长度La大于1800mm时，取1800mm作为止裂器平行段的长度。优选的，当止裂器厚度为ta1或者ta2时，止裂器两端的坡口角度由公式(6)进行计算：αa＝-2.1429×ta+92.1438(6)其中，αa为止裂器坡口角度，ta等于ta1或者ta2。优选的，玻璃纤维复合材料止裂器的极限应变≥2％。优选的，止裂器的最小抗拉强度为X100管线钢的最小抗拉强度的1.1倍。优选的，止裂器的弹性模量≥45.9Gpa。本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术解决了玻璃纤维止裂器无设计标准可依、难于设计的技术难点。专利技术的止裂器设计流程简单易行，关键设计参数(止裂器壁厚、平行段长度、坡口角度)可进行玻璃纤维止裂器的设计，便于玻璃纤维复合材料止裂器的大规模应用。2)在管道应力比计算中，采用圆棒试样，能更加准确的表征X100管道中的实际应力水平，为止裂器设计提供关键参数，提高止裂器设计精度。3)止裂器设计需考虑管道所输送天然气组分特性，优选了BWRS状态方程作为天然气减压波计算方程。与其它状态方程相比，BWRS可计算天然气富气组份中存在的减压波平台，满足止裂器设计要求。同时，其计算过程相对简单，主要参数均可从已发表文献中获取，便于实现。4)如果天然气存在减压波平台，即使天然气减压波波速降低，裂纹尖端的压力也会保持不变，裂纹尖端的压力为裂纹扩展的驱动力，如果其保持不变，会导致裂纹难于止裂。同时，X100管道本身的应力水平越高，裂纹扩展的驱动力也会越大，也就难于止裂。止裂器的止裂效果与止裂器厚度成正比，综合考虑了X100管道所输送天然气特性(是否存在减压波平台)和管道本身承压水平(管道应力比)两个关键因素，根据是否存在减压波平台，在不同的应力比下，专利技术了不同的止裂器厚度设计公式，止裂器厚度计算更加合理，可实现管道有效止裂。5)止裂的效果与止裂器的长度有关，过短的止裂器达不到止裂效果。过长的止裂器会增加成本，同时并不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)根据管道结构和应力参数计算管道应力比；/n2)根据管道温度、压力及输送天然气组分，采用BWRS状态方程计算天然气减压波；/n3)根据天然气减压波曲线判断是否存在减压波平台：/n如果减压波曲线为光滑曲线，减压波压力随着减压波速度降低而降低，则天然气不存在减压波平台；如果减压波曲线中存在减压波速度降低而减压波压力保持不变的情况，则天然气存在减压波平台；/n4)根据管道应力比和步骤3)的判断结果，确定不同条件下的止裂器厚度：/n如果天然气存在减压波平台，且0.5≤管道应力比F≤0.72，则止裂器厚度为t

【技术特征摘要】
1.一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据管道结构和应力参数计算管道应力比；
2)根据管道温度、压力及输送天然气组分，采用BWRS状态方程计算天然气减压波；
3)根据天然气减压波曲线判断是否存在减压波平台：
如果减压波曲线为光滑曲线，减压波压力随着减压波速度降低而降低，则天然气不存在减压波平台；如果减压波曲线中存在减压波速度降低而减压波压力保持不变的情况，则天然气存在减压波平台；
4)根据管道应力比和步骤3)的判断结果，确定不同条件下的止裂器厚度：
如果天然气存在减压波平台，且0.5≤管道应力比F≤0.72，则止裂器厚度为ta1；如果天然气不存在减压波平台，且0.6≤管道应力比F≤0.8，则止裂器厚度为ta2；
5)根据不同条件下的止裂器厚度ta1和ta2确定止裂器的平行段长度和两端坡口角度。


2.根据权利要求1所述的一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，其特征在于，所述管道应力比按照如下公式计算：



其中，F为管道应力比；P为管道内压力；D为管道直径；Rt0.5为X100钢管屈服强度，t为管道壁厚，其中Rt0.5应依据ASTMA370通过钢管横向圆棒拉伸试验获得。


3.根据权利要求1所述的一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，其特征在于，采用BWRS状态方程计算天然气减压波，公式如下：



其中，P为系统压力/kPa；ρ为气相或液相的密度/kmol/m3；R为通用气体常数/J/(mol·k)；T为系统温度/T；A0，B0，C0，D0，E0，a，b，c，d，α,γ为方程特征参数。


4.根据权利要求1所述的一种用于X100...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹤，张伟卫，杨坤，胡美娟，霍春勇，马秋荣，马卫锋，李炎华，封辉，杨放，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，中国石油天然气集团公司管材研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11