多年冻土中受融沉作用的油气管道设计的校核方法

技术领域

本公开属于油气管道设计领域，特别涉及一种多年冻土中受融沉作用的油气管道设计的校核方法。

背景技术

输油气管道在建设过程中可能会穿越多年冻土区，而多年冻土具有融沉作用，即冻土在融化时会出现下沉的作用，从而改变油气管道应变量，因此在管道设计前需要求算出该应变量，以便于校核油气管道的设计。

相关技术中，通常采用有限元法来计算油气管道在多年冻土融沉作用下的应变量。有限元法具体是将工程问题抽象为力学模型，即在有限元软件(ANSYS、ABAQUS等软件)中建立力学模型，从而计算出油气管道在多年冻土融沉作用下的应变量。在油气管道的设计中，需要通过该应变量来判断油气管道在冻土中是否设计合理，即当应变量小于设计规范中允许应变量，则说明油气管道在冻土中设计合理，否则不合理。

然而，由于有限元法需要建模，且建模专业性强、操作难度大，从而需要专业培训学习，导致计算油气管道在多年冻土融沉作用下的应变量成本高。

发明内容

本公开实施例提供了一种多年冻土中受融沉作用的油气管道设计的校核方法，可以快速确定出冻土中油气管道的应变量，便于校核油气管道设计的合理性，节约了成本。所述技术方案如下：

本公开实施例提供了一种多年冻土中受融沉作用的油气管道设计的校核方法，所述校核方法包括：

获取基础应变量模型，所述基础应变量模型用于计算油气管道在冻土中的最大应变量；

根据所述油气管道的多种钢级类型，对所述基础应变量模型进行拟合，得到实际应变量模型；

基于所述实际应变量模型，根据所述油气管道的实际钢级类型、实际规格参数和所处冻土的实际工程参数，计算得到所述油气管道的实际最大应变量；

根据所述油气管道的实际最大应变量，校核所述油气管道设计。

可选地，所述获取基础应变量模型，包括：

获取所述油气管道的有限元模型，所述油气管道的有限元模型根据所述油气管道对应的规格参数和所述冻土的工程参数得到；

基于所述有限元模型，根据所述油气管道的多种规格参数和所述冻土的多种工程参数，计算得到相应的所述油气管道的最大应变量；

确定所述油气管道的多种规格参数、所述冻土的多种工程参数对所述油气管道的最大应变量的函数关系，建立所述基础应变量模型。

可选地，在所述确定所述基础应变量模型之后，所述校核方法包括：

确定基准量，所述基准量为根据所述有限元模型计算出所述油气管道的多种规格参数或所述冻土的多种工程参数下的最大应变量；

确定对照量，所述对照量为根据所述基础应变量模型计算出所述油气管道的多种规格参数或所述冻土的多种工程参数下的最大应变量；

将所述对照量与所述基准量的比值确定为模型偏差。

可选地，所述获取基础应变量模型，包括：

所述基础应变量模型为：

其中：A为所述模型偏差；B为所述冻土的融沉位移，单位为m；C为所述油气管道的壁厚，单位为m；D为所述油气管道的直径，单位为m；E为所述油气管道的内压，单位为MPa；F为所述油气管道的运行与安装温差，单位为℃；x

所述轴向土弹簧通过以下公式计算得到：

所述竖直向上土弹簧通过以下公式计算得到：

q

所述竖直向下土弹簧通过以下公式计算得到：

其中：c为回填土的特征粘结强度，kPa；H为所述油气管道中心线的埋深，单位为m；γ为土壤的有效重量，单位为kN/m

可选地，所述根据所述油气管道的多种钢级类型，对所述基础应变量模型进行拟合，得到实际应变量模型，包括：

根据所述油气管道的多种钢级类型，通过非线性拟合工具对所述基础应变量模型中的待定系数进行拟合，得到实际应变量模型。

可选地，所述根据所述油气管道的多种钢级类型，通过非线性拟合工具对所述基础应变量模型中的待定系数进行拟合，包括：

将所述油气管道的钢级类型限定为L450，对所述基础应变量模型进行拟合，确定所述实际应变量模型中的各所述待定系数：

x

可选地，所述根据所述油气管道的多种钢级类型，通过非线性拟合工具对所述基础应变量模型中的待定系数进行拟合，包括：

将所述油气管道的钢级类型限定为L485，对所述基础应变量模型进行拟合，确定所述实际应变量模型中的各所述待定系数：

x

可选地，所述根据所述油气管道的多种钢级类型，通过非线性拟合工具对所述基础应变量模型中的待定系数进行拟合，包括：

将所述油气管道的钢级类型限定为L555，对所述基础应变量模型进行拟合，确定所述实际应变量模型中的各所述待定系数：

x

可选地，所述根据所述油气管道的实际最大应变量，校核所述油气管道设计，包括：

当所述实际最大应变量大于规范中允许应变量，则所述油气管道设计不合理，调整所述油气管道的设计参数。

可选地，所述获取基础应变量模型，包括：

所述基础应变量模型采用本构模型。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过本公开实施例提供的多年冻土中受融沉作用的油气管道设计的校核方法，在校核多年冻土中油气管道设计合理性时，首先，获取基础应变量模型，从而便于后续通过基础应变量模型得到实际应变量模型。然后，根据油气管道的多种钢级类型，对基础应变量模型进行拟合，得到实际应变量模型，从而通过多种钢级类型和基础应变量模型确定出实际应变量模型，从而便于后续计算出实际最大应变量。再接着，基于实际应变量模型，根据油气管道的实际钢级类型、实际规格参数和所处冻土的实际工程参数，计算得到油气管道的实际最大应变量，从而通过实际应变量模型快速计算出实际最大应变量。最后，根据油气管道的实际最大应变量，确定油气管道设计的合理性，从而可以通过计算得到的实际最大应变量与设计规范中允许应变量对比，来校核油气管道设计的合理性。也就是说，本公开通过建立实际应变量模型，使得设计人员，在需要计算不同规格参数和钢级类型的油气管道，在不同工程参数的冻土中的最大应变量，以校核油气管道设计合理性时，不需要再进行复杂的有限元分析，而是直接使用实际应变量模型即可，避免了培训学习及复杂建模的过程，从而节约了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施例提供的一种多年冻土中受融沉作用的油气管道设计的校核方法的方法流程图；

图2是本公开实施例提供的另一种多年冻土中受融沉作用的油气管道设计的校核方法的方法流程图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

图1是本公开实施例提供的一种多年冻土中受融沉作用的油气管道设计的校核方法的方法流程图，如图1所示，该校核方法包括：

S101、获取基础应变量模型。

步骤S101中，基础应变量模型用于计算油气管道在冻土中的最大应变量。

S102、根据油气管道的多种钢级类型，对基础应变量模型进行拟合，得到实际应变量模型。

S103、基于实际应变量模型，根据油气管道的实际钢级类型、实际规格参数和所处冻土的实际工程参数，计算得到油气管道的实际最大应变量。

S104、根据油气管道的实际最大应变量，校核油气管道设计。

通过本公开实施例提供的多年冻土中受融沉作用的油气管道设计的校核方法，在校核冻土中油气管道设计合理性时，首先，获取基础应变量模型，从而便于后续通过基础应变量模型得到实际应变量模型。然后，根据油气管道的多种钢级类型，对基础应变量模型进行拟合，得到实际应变量模型，从而通过多种钢级类型和基础应变量模型确定出实际应变量模型，从而便于后续计算出实际最大应变量。再接着，基于实际应变量模型，根据油气管道的实际钢级类型、实际规格参数和所处冻土的实际工程参数，计算得到油气管道的实际最大应变量，从而通过实际应变量模型快速计算出实际最大应变量。最后，根据油气管道的实际最大应变量，确定油气管道设计的合理性，从而可以通过计算得到的实际最大应变量与设计规范中允许应变量对比，来校核油气管道设计的合理性。也就是说，本公开通过建立实际应变量模型，使得设计人员，在需要计算不同规格参数和钢级类型的油气管道，在不同工程参数的冻土中的最大应变量，以校核油气管道设计合理性时，不需要再进行复杂的有限元分析，而是直接使用实际应变量模型即可，避免了培训学习及复杂建模的过程，从而节约了成本。

需要说明的是，多年冻土又称永久冻土，指的是持续三年或三年以上的冻结不融的土层。

图2是本公开实施例提供的另一种多年冻土中受融沉作用的油气管道设计的校核方法的方法流程图，如图2所示，该校核方法包括：

S201、获取油气管道的有限元模型。

步骤S201中，油气管道的有限元模型根据油气管道对应的规格参数和冻土的工程参数得到。

在上述实施方式中，通过获取油气管道的有限元模型便于后续计算油气管道的最大应变量。

S202、基于有限元模型，根据油气管道的多种规格参数和冻土的多种工程参数，计算得到相应的油气管道的最大应变量。

在上述实施方式中，有限元模型便于得到多种规格参数、冻土的多种工程参数与油气管道的最大应变量的对应关系。

S203、确定油气管道的多种规格参数、冻土的多种工程参数对油气管道的最大应变量的函数关系，建立基础应变量模型。

在上述实施方式中，经验公式能够整体反应出，油气管道的多种规格参数、冻土的多种工程参数与油气管道的最大应变量的函数关系。

在执行完步骤S203后，该校核方法包括：

a、确定基准量。

步骤a中，基准量为根据有限元模型计算出油气管道的多种规格参数或冻土的多种工程参数下的最大应变量。

b、确定对照量。

步骤b中，对照量为根据基础应变量模型计算出油气管道的多种规格参数或冻土的多种工程参数下的最大应变量。

c、将对照量与基准量的比值确定为模型偏差。

在上述实施方式中，通过模型偏差可以减少基础应变量模型的计算误差，具有校正的作用。

可选地，基础应变量模型为：

其中：A为模型偏差；B为冻土的融沉位移，单位为m；C为油气管道的壁厚，单位为m；D为油气管道的直径，单位为m；E为油气管道的内压，单位为MPa；F为油气管道的运行与安装温差，单位为℃；x

轴向土弹簧通过以下公式计算得到：

竖直向上土弹簧通过以下公式计算得到：

q

竖直向下土弹簧通过以下公式计算得到：

其中：c为回填土的特征粘结强度，kPa；H为油气管道中心线的埋深，单位为m；γ为土壤的有效重量，单位为kN/m

可选地，得到基础应变量模型，包括：

基础应变量模型采用本构模型。

在上述实施方式中，本构模型与管材的一致性好，从而通过本构模型建立基础应变量模型具有更高的精确度。

S204、根据油气管道的多种钢级类型，对基础应变量模型进行拟合，得到实际应变量模型。

可选地，根据油气管道的多种钢级类型，对基础应变量模型进行拟合，得到实际应变量模型，包括：

根据油气管道的多种钢级类型，通过非线性拟合工具对基础应变量模型中的待定系数进行拟合，得到实际应变量模型。

步骤S204包括：

(1)将油气管道的钢级类型限定为L450，对基础应变量模型进行拟合，确定实际应变量模型中的各待定系数：

x

将以上待定系数带入公式(1)，得到当钢级类型为L450时的实际应变量模型：

其中，A为0.98～1.04，B为冻土的融沉位移，单位为m；C为油气管道的壁厚，单位为m；D为油气管道的直径，单位为m；E为油气管道的内压，单位为MPa；F为油气管道的运行与安装温差，单位为℃；t

(2)将油气管道的钢级类型限定为L485，对基础应变量模型进行拟合，确定实际应变量模型中的各待定系数：

x

将以上待定系数带入公式(1)，得到当钢级类型为L485时的实际应变量模型：

其中，A为0.99～1.06，B为冻土的融沉位移，单位为m；C为油气管道的壁厚，单位为m；D为油气管道的直径，单位为m；E为油气管道的内压，单位为MPa；F为油气管道的运行与安装温差，单位为℃；t

(3)将油气管道的钢级类型限定为L555，对基础应变量模型进行拟合，确定实际应变量模型中的各待定系数：

x

将以上待定系数带入公式(1)，得到当钢级类型为L485时的实际应变量模型：

其中，A为0.98～1.02，B为冻土的融沉位移，单位为m；C为油气管道的壁厚，单位为m；D为油气管道的直径，单位为m；E为油气管道的内压，单位为MPa；F为油气管道的运行与安装温差，单位为℃；t

在上述实施方式中，通过对不同的钢级管道类型进行模拟，确定相对应的实际应变量模型，从而便于计算出不同的钢级管道下的实际最大应变量，在求算不同钢级管道的实际最大应变量时大大提高了效率。

可选地，通过MATLAB数学软件对基础应变量模型进行拟合。

在上述实施方式中，MATLAB数学软件便于对基础应变量模型中的待定系数进行拟合，且准确性更高。

S205、基于实际应变量模型，根据油气管道的实际钢级类型、实际规格参数和所处冻土的实际工程参数，计算得到油气管道的实际最大应变量。

在上述实施方式中，通过实际应变量模型能快速计算出实际最大应变量。

S206、根据油气管道的实际最大应变量，校核油气管道设计。

在上述实施方式中，通过计算得到的实际最大应变量与设计规范中允许应变量对比，来校核油气管道设计的合理性。

可选地，根据油气管道的实际最大应变量，校核油气管道设计，包括：

当实际最大应变量不大于规范中允许应变量，则油气管道设计合理，设计结束；当实际最大应变量大于规范中允许应变量，则油气管道设计不合理，调整油气管道的设计参数。

在上述实施方式中，通过调整油气管道的设计参数就可以调整实际最大应变量，即直至计算得到的实际最大应变量满足要求，从而最终确定出满足冻土融沉作用下的油气管道，使得油气管道设计合理。

通过本公开实施例提供的多年冻土中受融沉作用的油气管道设计的校核方法，在校核冻土中油气管道设计合理性时，首先，获取基础应变量模型，从而便于后续通过基础应变量模型得到实际应变量模型。然后，根据油气管道的多种钢级类型，对基础应变量模型进行拟合，得到实际应变量模型，从而通过多种钢级类型和基础应变量模型确定出实际应变量模型，从而便于后续计算出实际最大应变量。再接着，基于实际应变量模型，根据油气管道的实际钢级类型、实际规格参数和所处冻土的实际工程参数，计算得到油气管道的实际最大应变量，从而通过实际应变量模型快速计算出实际最大应变量。最后，根据油气管道的实际最大应变量，确定油气管道设计的合理性，从而可以通过计算得到的实际最大应变量与设计规范中允许应变量对比，来校核油气管道设计的合理性。也就是说，本公开通过建立实际应变量模型，使得设计人员，在需要计算不同规格参数和钢级类型的油气管道，在不同工程参数的冻土中的最大应变量，以校核油气管道设计合理性时，不需要再进行复杂的有限元分析，而是直接使用实际应变量模型即可，避免了培训学习及复杂建模的过程，从而节约了成本。

以下结合具体实施例对上述步骤进行说明：

(1)油气管道的规格参数表如表1所示：

表1油气管道的规格参数表

(2)冻土的工程参数表如表2所示：

表2冻土的工程参数表

(3)选取L450钢级管道来计算油气管道的实际最大应变量。

其中，管道直径D＝0.813m，管道壁厚C＝0.016m，融沉位移B＝1.725m，管道内压E＝9.5MPa，管道运行与安装温差F＝20℃，管道中心的埋深H＝2.5m(至管中心)，回填土为中密砂土，粘结强度c＝0，土壤的有效重量γ＝18kN/m3，土壤的内摩擦角φ＝35°，管道与土壤的作用系数f

表3最大应变量

(4)对比实际最大应变量和规范中允许应变量。

规范中允许应变量如表4所示。

表4规范中允许应变量

在实际应用中，将计算得出的实际最大应变量与《油气管道线路工程基于应变设计规范》(Q/SY1603-2013)中的允许应变量进行对比，在无内压和设计压力条件下的实际最大应变量均小于规范中允许应变量，则说明该L450钢级管道设计合理，能满足冻土的融沉作用。

需要说明的是，若计算值大于规范中允许应变量，则需要优化油气管道的壁厚等规格参数，重新进行计算及校核应变量，直到实际最大应变量满足规范要求为止。

以上所述仅为本公开的较佳实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。