專利名稱：一種基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于管線強(qiáng)度分析技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及ー種基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法。
背景技術(shù)：
目前，油氣長(zhǎng)輸管道在運(yùn)行過程中將不可避免遭受腐蝕的侵害，腐蝕將嚴(yán)重影響管道強(qiáng)度和使用壽命，對(duì)油氣管道的安全可靠運(yùn)行造成威脅。針對(duì)管線單點(diǎn)腐蝕缺陷問題，目前的監(jiān)檢測(cè)手段有兩大類，一類只能在線監(jiān)測(cè)介質(zhì)腐蝕性，反應(yīng)的是輸送介質(zhì)的腐蝕速率；另一類則只能周期性檢測(cè)管線缺陷，反應(yīng)的是管 道被腐蝕缺陷的近似形狀，而所得到的檢測(cè)結(jié)果都不能對(duì)管線的安全狀況做出判斷。需要對(duì)應(yīng)進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)。從20世紀(jì)70年代起，世界各國(guó)就相繼對(duì)管道的剰余強(qiáng)度進(jìn)行研究，提出了一系列評(píng)價(jià)方法。這些方法都是以數(shù)學(xué)表達(dá)式的形式來表示各種參數(shù)的，這些數(shù)學(xué)表達(dá)式經(jīng)過大量實(shí)物試驗(yàn)證明是有效可靠的，但隨著工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累以及力學(xué)分析能力的提高，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)過于保守。對(duì)管道剰余強(qiáng)度評(píng)價(jià)比較復(fù)雜。應(yīng)用有限元法與其他方法相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它可以盡可能地少簡(jiǎn)化模型，能較精確模擬管道的實(shí)際受力狀態(tài)，得到的結(jié)果能滿足工程的需要。但是每次進(jìn)行評(píng)價(jià)都要建立起與實(shí)際情況相吻合的模型并且計(jì)算，這存在需要大量的時(shí)間等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法。本發(fā)明的目的是提供一種基于有限元剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，利用了軟件編程，將傳統(tǒng)的復(fù)雜評(píng)估方式簡(jiǎn)單化，既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)的保守又避免了每次評(píng)估都要建立復(fù)雜模型花費(fèi)大量的時(shí)間，并且精度能夠達(dá)到工程需要等特點(diǎn)的基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法。本發(fā)明基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法所采取的技術(shù)方案是—種基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法，其特點(diǎn)是強(qiáng)度智能分析方法步驟為I)根據(jù)缺陷幾何形狀建立貼合實(shí)際的模型將幾種管道腐蝕缺陷形狀近似簡(jiǎn)化為規(guī)則的幾何形狀；2)有限兀網(wǎng)格劃分 根據(jù)腐蝕管道的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，選用三維10節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，在靠近缺陷的部位進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格；3 )對(duì)設(shè)計(jì)模型加載邊界條件對(duì)管道模型加載邊界約束及壓カ載荷，進(jìn)行靜力分析；4)對(duì)受カ管道模型進(jìn)行求解計(jì)算
根據(jù)管道缺陷腐蝕發(fā)展變化情況，針對(duì)不同腐蝕缺陷形狀分組進(jìn)行求解計(jì)算；5)提取計(jì)算結(jié)果將缺陷周圍管道外壁應(yīng)カ應(yīng)變值提取出來，繪制曲線，井根據(jù)腐蝕深度及面積發(fā)展分組整合曲線圖；6)建立管道外壁受カ數(shù)學(xué)模型利用管道受腐蝕影響的最大位置所產(chǎn)生應(yīng)變值建立起管道應(yīng)變值與體積型缺陷深度、直徑、及管道內(nèi)壓カ的數(shù)學(xué)關(guān)系模型；7)建立軟件評(píng)估系統(tǒng)通過軟件編程將幾種體積型缺陷的數(shù)學(xué)關(guān)系模型方程寫入軟件，建立軟件評(píng)估系統(tǒng)；井根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將管道臨界應(yīng)變值編入軟件從而實(shí)現(xiàn)管道的評(píng)估?！け景l(fā)明基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法還可以采用如下技術(shù)措施所述的基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法，其特點(diǎn)是根據(jù)缺陷幾何形狀建立貼合實(shí)際的模型吋，將幾種管道腐蝕缺陷形狀近似簡(jiǎn)化為圓柱型、瓦罐型、球冠型和圓錐型。所述的基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法，其特點(diǎn)是求解計(jì)算并提取計(jì)算結(jié)果時(shí)，根據(jù)腐蝕缺陷深度及面積發(fā)展情況，分別對(duì)缺陷深度為1/4、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10管道壁厚以及缺陷直徑為4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm兩兩對(duì)應(yīng)進(jìn)行多組計(jì)算；提取ー個(gè)缺陷深度對(duì)應(yīng)不同直徑以及ー個(gè)缺陷直徑對(duì)應(yīng)不同深度的缺陷附近管道外壁應(yīng)變值。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法由于采用了本發(fā)明全新的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于有限元剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，利用了軟件編程，將傳統(tǒng)的復(fù)雜評(píng)估方式簡(jiǎn)單化，既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)的保守又避免了每次評(píng)估都要建立復(fù)雜模型花費(fèi)大量的時(shí)間，并且精度能夠達(dá)到工程需要。


圖I是基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析流程示意圖；圖2是內(nèi)腐蝕缺陷管道有限元模擬示意圖(I為環(huán)向1/4管道模型，2為管道內(nèi)壁缺陷模型);圖3是缺陷部位有限元?jiǎng)澐謫卧疽鈭D(3為缺陷附近細(xì)化網(wǎng)格)；圖4是管壁應(yīng)カ隨缺陷深度變化擬合曲線示意圖；圖5是管壁應(yīng)カ隨缺陷直徑變化擬合曲線示意圖。圖中，Iー環(huán)向1/4管道模型，2—管道內(nèi)壁缺陷模型，3—缺陷附近細(xì)化網(wǎng)格。
具體實(shí)施例方式為能進(jìn)一歩了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下參閱附圖I至圖5。實(shí)施例I
一種基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法，流程參見圖1，包括以下步驟I)設(shè)計(jì)模型的簡(jiǎn)化參照“GB/T 18590-2001金屬和合金的腐蝕點(diǎn)蝕評(píng)定方法”將常見的幾種形式的體積型內(nèi)腐蝕缺陷簡(jiǎn)化為規(guī)則的圓柱型、瓦罐型、球冠型以及圓錐型，本專利中以圓柱型缺陷形狀為實(shí)施例。本模型選用油氣管道材料為X60，管道規(guī)格為の356X 12. 7mm根據(jù)圣維南原理，為了消除邊界效應(yīng)，有限元模型的長(zhǎng)度取管線直徑的:T5倍，取管線長(zhǎng)度為1000mm，建立環(huán)向1/4管道模型可參見圖2。2)有限兀網(wǎng)格劃分建立完幾何模型后，根據(jù)腐蝕管道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文選用三維10節(jié)點(diǎn)四面體単元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。由于在腐蝕缺陷處應(yīng)カ和應(yīng)變變化梯度大，所以在腐蝕缺陷部位和缺 陷附近網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，而在遠(yuǎn)離缺陷處網(wǎng)格較為稀疏。參見示意圖33)確定設(shè)計(jì)模型的邊界條件由于管道較長(zhǎng)，計(jì)算的腐蝕管道相對(duì)比較短，因此可以不考慮管道軸向位移，兩側(cè)的鉛垂位移為零。管道軸向根據(jù)實(shí)際情況采取無約束狀態(tài)。管道外部載荷以管道實(shí)際承受內(nèi)壓為準(zhǔn)在內(nèi)表面加載壓力。4)求解計(jì)算并提取計(jì)算結(jié)果根據(jù)腐蝕缺陷深度及面積發(fā)展情況，分別對(duì)缺陷深度為1/4、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10管道壁厚以及缺陷直徑為4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm兩兩對(duì)應(yīng)進(jìn)行多組計(jì)算。提取一個(gè)缺陷深度對(duì)應(yīng)不同直徑以及ー個(gè)缺陷直徑對(duì)應(yīng)不同深度的缺陷附近管道外壁應(yīng)變值。5)對(duì)提取值處理建立管道應(yīng)變的數(shù)學(xué)模型通過軟件繪制管道外壁應(yīng)變極值隨內(nèi)部缺陷加深的曲線圖，并擬合為數(shù)學(xué)方程。當(dāng)缺陷深度為3/4管道壁厚時(shí)，管道外壁應(yīng)變隨壓カ和缺陷直徑變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式為Y 圓柱=(4. 0429*10-6+4. 9339*10_5*F) + (-6. 1991*10-8+2. 9200*10_6*F) *D 擬合曲線如圖4所示。當(dāng)缺陷直徑為14_吋，管道外壁應(yīng)變隨壓カ和腐蝕深度變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式為Y圓柱=(y0=4. 1407*10-6+6. 1427*10_5*F)+ (-1. 8560*10-8+4. 2780*10_8*F)*e (0. 6928*h)擬合曲線如圖5所示。以此類推擬合各個(gè)缺陷深度以及缺陷直徑的數(shù)學(xué)表達(dá)式，由于在彈性范圍內(nèi)，管道應(yīng)變與內(nèi)壓呈線性關(guān)系，擬合入壓カ后最終確定圓柱型缺陷管道外壁應(yīng)變隨缺陷深度、缺陷直徑和工作壓カ變化的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為Y圓柱=F*[ (I. 8846*10-4+2. 6479*10_7*e0. 5667*h) + (2. 5216*10-6-3. 6172*10_8*e0. 6286*h) *D]/3. 36)建立軟件評(píng)估系統(tǒng)將以上得出的數(shù)學(xué)模型方程編程寫入軟件，利用無損檢測(cè)手段獲取管道內(nèi)缺陷深度及直徑，將數(shù)值輸入軟件直接通過編寫的軟件就可以獲知任何參數(shù)下的管道外壁應(yīng)變值。井根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將管道臨界應(yīng)變值編入軟件從而實(shí)現(xiàn)管道的評(píng)估。本軟件以預(yù)報(bào)警形式體現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)到缺陷深度為9mm，直徑為13mm，管道當(dāng)時(shí)內(nèi)壓為5MPa，通過軟件計(jì)算得出管道外壁應(yīng)變值為398 y e。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)此應(yīng)變不會(huì)影響管道正常使用。
本實(shí)施例基于有限元剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)的保 守又避免了每次評(píng)估都要建立復(fù)雜模型花費(fèi)大量的時(shí)間，具有所述的積極效果。
權(quán)利要求
1.一種基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法，其特征是強(qiáng)度智能分析方法步驟為 1)根據(jù)缺陷幾何形狀建立貼合實(shí)際的模型 將幾種管道腐蝕缺陷形狀近似簡(jiǎn)化為規(guī)則的幾何形狀； 2)有限元網(wǎng)格劃分 根據(jù)腐蝕管道的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，選用三維10節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，在靠近缺陷的部位進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格； 3)對(duì)設(shè)計(jì)模型加載邊界條件 對(duì)管道模型加載邊界約束及壓力載荷，進(jìn)行靜力分析； 4)對(duì)受力管道模型進(jìn)行求解計(jì)算 根據(jù)管道缺陷腐蝕發(fā)展變化情況，針對(duì)不同腐蝕缺陷形狀分組進(jìn)行求解計(jì)算； 5)提取計(jì)算結(jié)果 將缺陷周圍管道外壁應(yīng)力應(yīng)變值提取出來，繪制曲線，并根據(jù)腐蝕深度及面積發(fā)展分組整合曲線圖； 6)建立管道外壁受力數(shù)學(xué)模型 利用管道受腐蝕影響的最大位置所產(chǎn)生應(yīng)變值建立起管道應(yīng)變值與體積型缺陷深度、直徑、及管道內(nèi)壓力的數(shù)學(xué)關(guān)系模型； 7)建立軟件評(píng)估系統(tǒng) 通過軟件編程將幾種體積型缺陷的數(shù)學(xué)關(guān)系模型方程寫入軟件，建立軟件評(píng)估系統(tǒng)；并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將管道臨界應(yīng)變值編入軟件從而實(shí)現(xiàn)管道的評(píng)估。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法，其特征是根據(jù)缺陷幾何形狀建立貼合實(shí)際的模型時(shí)，將幾種管道腐蝕缺陷形狀近似簡(jiǎn)化為圓柱型、瓦罐型、球冠型和圓錐型。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法，其特征是求解計(jì)算并提取計(jì)算結(jié)果時(shí)，根據(jù)腐蝕缺陷深度及面積發(fā)展情況，分別對(duì)缺陷深度為1/4、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10 管道壁厚以及缺陷直徑為 4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm 兩兩對(duì)應(yīng)進(jìn)行多組計(jì)算；提取一個(gè)缺陷深度對(duì)應(yīng)不同直徑以及一個(gè)缺陷直徑對(duì)應(yīng)不同深度的缺陷附近管道外壁應(yīng)變值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法。本發(fā)明屬于管線強(qiáng)度分析技術(shù)領(lǐng)域。一種基于有限元的含缺陷管線強(qiáng)度智能分析方法1)根據(jù)缺陷幾何形狀建立貼合實(shí)際的模型；2)有限元網(wǎng)格劃分選用三維10節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分；3)對(duì)設(shè)計(jì)模型加載邊界條件加載邊界約束及壓力載荷；4)對(duì)受力管道模型進(jìn)行求解計(jì)算針對(duì)不同腐蝕缺陷形狀分組進(jìn)行求解計(jì)算；5)提取計(jì)算結(jié)果將缺陷周圍管道外壁應(yīng)力應(yīng)變值提取出來；6)建立管道外壁受力數(shù)學(xué)模型；7)建立軟件評(píng)估系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將管道臨界應(yīng)變值編入軟件從而實(shí)現(xiàn)管道的評(píng)估。本發(fā)明既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)的保守又避免了建立復(fù)雜模型花費(fèi)大量時(shí)間，并且精度達(dá)到工程需要。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102955880SQ20121041203
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者胡欣 申請(qǐng)人:天津億利科能源科技發(fā)展股份有限公司