[发明专利]一种天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移计算方法

说明书

本发明公开了一种天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移计算方法。现有计算方法需建立有限元模型，对计算者的专业素养要求高。本方法可根据天然气管道斜拉索跨越结构的基本参数，通过计算公式快速获得清管过程中的位移，解决了上述问题。其步骤是：收集天然气管道斜拉索跨越结构及其清管预案的基础数据；根据基础数据得出计算常数以及跨越结构特定位置处的等效位移长度；通过插值计算管道任意位置处的等效位移长度；将各等效位移长度代入位移曲线计算公式中，得到管道不同位置处的位移。本发明的计算方法简便，计算结果能表达清管作用下斜拉索跨越管道的位移随时间变化的关系式，为天然气管道斜拉索跨越结构清管安全评价提供了管治依据。

技术领域

本发明属于天然气输送管道的设计与安全保障领域，尤其涉及一种天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移计算方法。

背景技术

管道跨越结构是一种将输送管道从天然或人工障碍物上部架空通过的建设工程，通常采用与公路桥相类似的设计方法，我国自上世纪七十年代起就开始修建斜拉索式的跨越管桥。目前，我国跨度最大的管桥仍然是1977年建成的长达1001米的忠县长江斜拉索式跨越结构。

对于新建成的天然气管道而言，在其投产前需要进行清管以去除修建过程中遗留的污物、杂质；而在天然气管道的日常运行过程中，每过一段时间也需要清管，以去除运输过程中留下的积水。在这一过程中，清管器推动管道内的积水前进聚集形成液弹，且该液弹的流型、持液率也因液量大小、地形起伏等不断变化，从而对管道和弯头形成冲击。当管道埋设于地下时，由于土壤对管道具有良好的嵌固作用，该冲击不会造成管道的大幅变形或位移。然而斜拉索式跨越结构的主要承力部件是钢制缆索，对管道跨越结构属于柔性约束。因此在清管载荷的冲击下，极容易发生大的位移和强烈振动。例如四川南广河斜拉索管道跨越结构在清管时，管道的最大位移就达到了2m。强力的位移和振动不仅会造成跨越结构的失稳，还易使其应力超限，从而导致整体结构的破坏。而天然气作为管道内输送的主要介质，其泄漏可能引发的火灾和燃爆事故，将严重危害人民的生命财产安全。为此，国内外诸多学者都对清管载荷作用下，斜拉索跨越结构的位移和应力计算方法进行了研究，以便为斜拉索跨越结构的清管安全性评估提供理论依据和数据基础。但是，斜拉索跨越结构是由管道、缆索、塔架以及可能存在的桁架加劲梁所共同构成的复杂结构，而清管载荷涉及清管器、清管器前方液弹以及跨越结构三者之间的耦合作用，对其进行研究涉及复杂的数学建模和求解过程。目前，绝大多数研究成果都基于有限元方法，建立某一特定斜拉索跨越结构的动力分析模型。这一计算研究过程不仅对计算者的专业素养要求较高，所需时间较长，且其成果不具有可移植性。因此目前，尚未有成熟的技术或计算方法被天然气管道跨越结构的相关标准，如GB50459-2009《油气输送管道跨越工程设计规范》所采纳，也难以对斜拉索跨越结构的清管安全性进行评估。

综上所述，天然气管道斜拉索跨越结构在清管过程中的大位移是其面临的重大安全威胁，然而目前，尚没有合理的计算方法和技术对该位移进行评估，也就难以实现对斜拉索跨越结构清管安全性的评价，在管道的生产运行中存在缺陷。

发明内容

本发明提供了一种天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移计算方法，以解决现有技术中的各种缺陷和不足，本发明采取的技术方案如下：

提供一种天然气管道斜拉索跨越结构清管过程中的位移计算方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，根据天然气管道斜拉索跨越结构的设计资料、现场踏勘以及拟定的清管运行方案，收集天然气管道斜拉索跨越结构的跨长、跨越管道的外直径、清管器到达跨越结构起始点的速度、清管器到达跨越结构起始点时其前端的液柱长度以及该液柱的平均持液率。

步骤二，根据步骤一收集到的数据计算等效跨长系数、弗劳德数以及跨越结构1/4跨和1/2跨处的等效位移长度，具体实现步骤为：

(1)等效跨长系数：

式中——等效跨长系数，无量纲；