一种管道运行状态评估方法、系统、计算机设备及介质与流程

1.本发明涉及管道安全评估技术领域，特别是涉及一种管道运行状态评估方法、系统、计算机设备及存储介质。


背景技术：

2.埋地管道会因地面位移而发生断裂失效破坏，比如，常见的地质灾害(连续型采空、滑坡、断层和地震等)导致的地表位移往往会使管道发生变形，对管道安全运行带来严重威胁。为了保证管道生命线运输安全，就需要评估地表位移对管道安全状态的影响，即确定管道当前的运行状态。因此，如何准确获取管道的应变值，以及寻找管道各个截面的应变最大值，对基于应变失效准则评估管道屈曲应变状态和拉伸状态，以确保管道安全来说，意义重大。
3.现有管道运行状态评估方法主要分为基于三维有限元数值模拟和理论推导计算两种，且利用有限元模型确定管道运行状态的方法因三维有限元建模可直接读取管道的压缩与拉伸应变数据而被广泛使用。虽然上述两种方法在一定程度上都可用于对管道运行状态进行评估，但二者均无法高效精准地分析管道运行状态，导致存在较大的应用局限性：基于三维有限元数值模拟方法使用的三维有限元模型建模过程非常复杂，而且运行成本大，分析效率不高，从而导致无法快速分析管道的运行状态；同时，现有理论计算方法因无法准确计算管道各个截面的轴向应变，且部分方法采用平均应变去代替轴向应变，导致误差偏大，无法准确计算管道的压缩应变和拉伸应变，且无法快速精准定位到破坏点的位置，同样无法快速评估管道的安全状态。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种管道运行状态评估方法，通过简单、高效且通用的理论计算模型得到管道各截面的轴向应变和弯曲应变，并能基于应变失效准则快速评估管道各个截面的安全状态，解决了现有管道安全状态评估方法的应用缺陷，为管道安全状态的快速精准评估及破坏点的精准定位提供可靠保障的同时，还利于管道前期设计与后期运营维护，具有较高的工程应用价值。
5.为了实现上述目的，有必要针对上述技术问题，提供一种管道运行状态评估方法及系统。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种管道运行状态评估方法，所述方法包括以下步骤：
7.对待评估管道进行预设数目的等长切分，得到多个待评估管段和对应的管道节点；
8.对各个待评估管段进行位移荷载下的受力分析，建立对应的管段挠度控制方程；
9.求解所述管段挠度控制方程，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯曲应变；
10.根据各个待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度，得到对应的变形管段长度，并根据各个待评估管段的变形管段长度，得到对应的节点轴向应变；
11.根据所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变，得到对应的节点管顶应变和节点管底应变，并根据所述节点管顶应变和所述节点管底应变，得到待评估管道的状态评估结果。
12.进一步地，所述对各个待评估管段进行位移荷载下的受力分析，建立对应的管段挠度控制方程的步骤包括：
13.基于经典欧拉-伯努利理论，建立待评估管段对应的梁管道弯曲行为微分方程；
14.对各个待评估管段的无穷小单元进行位移荷载下的受力分析，得到对应的弯矩平衡方程；
15.根据所述梁管道弯曲行为微分方程和弯矩平衡方程，得到所述管段挠度控制方程；所述管段挠度控制方程表示为：
[0016][0017]
其中，e
p
表示管道的杨氏模量；i
p
表示待评估管段的转动惯量；dx表示一个无穷小元素的宽度；x表示管道水平方向的坐标；w(x)表示坐标x处的挠度；d表示管道外径；k表示路基反力系数；u(x)表示位移荷载函数。
[0018]
进一步地，所述求解所述管段挠度控制方程，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯曲应变的步骤包括：
[0019]
采用中心差分法求解所述管段挠度控制方程，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯矩矢量；
[0020]
根据所述节点弯矩矢量，得到对应的曲率向量，并根据所述曲率向量和管道外径，得到所述节点弯曲应变。
[0021]
进一步地，所述根据各个待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度，得到对应的变形管段长度的步骤包括：
[0022]
根据待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度，得到管段挠度差值；
[0023]
根据所述管段挠度差值和原始管段长度，得到所述变形管段长度；所述变形管段长度表示为：
[0024][0025]
式中，
[0026]
δi＝w
i-w
i-1
[0027]
其中，wi和w
i-1
分别表示第i个和第i-1个管道节点的节点挠度；li、l
s,i
和δi分别表示第i个与第i-1个管道节点对应的第i个待评估管段沿管道轴向的原始管段长度、变形管段长度和管段挠度差值。
[0028]
进一步地，所述根据各个待评估管段的变形管段长度，得到对应的节点轴向应变的步骤包括：
[0029]
根据各个待评估管段的变形管段长度和原始管段长度，得到对应的管段伸长量；
[0030]
基于材料力学基本理论，根据各个待评估管段的管段伸长量，得到对应的节点轴向应变；所述节点轴向应变表示为：
[0031][0032]
式中，
[0033]
δli＝l
s,i-li[0034]
其中，li和l
s,i
分别表示第i个与第i-1个管道节点对应的第i个待评估管段沿管道轴向的原始管段长度和变形管段长度；δli表示第i个待评估管段的管段伸长量；ε
a,i
表示第i个管道节点的节点轴向应变。
[0035]
进一步地，所述根据所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变，得到对应的节点管顶应变和节点管底应变的步骤包括：
[0036]
将所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变作差，得到所述节点管顶应变；所述节点管顶应变表示为：
[0037]
ε
t,i
＝ε
a,i-ε
b,i
[0038]
其中，ε
t,i
、ε
a,i
和ε
b,i
分别表示第i个管道节点对应的节点管顶应变、节点轴向应变和节点弯曲应变；
[0039]
将所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变作和，得到所述节点管底应变；所述节点管底应变表示为：
[0040]
ε
c,i
＝ε
a,i
+ε
b,i
[0041]
其中，ε
c,i
、ε
a,i
和ε
b,i
分别表示第i个管道节点对应的节点管底应变、节点轴向应变和节点弯曲应变。
[0042]
进一步地，所述根据所述节点管顶应变和所述节点管底应变，得到待评估管道的状态评估结果的步骤包括：
[0043]
根据所述节点管顶应变和所述节点管底应变，得到待评估管道的管底最大拉伸应变、管底最大压缩应变、管顶最大拉伸应变和管顶最大压缩应变；
[0044]
基于应变失效准则，根据所述管底最大拉伸应变、所述管底最大压缩应变、所述管顶最大拉伸应变和所述管顶最大压缩应变，得到所述状态评估结果；所述状态评估结果包括局部弯曲状态、拉伸破裂状态和破坏点位置。
[0045]
第二方面，本发明实施例提供了一种管道运行状态评估系统，所述系统包括：
[0046]
管道切分模块，用于对待评估管道进行预设数目的等长切分，得到多个待评估管段和对应的管道节点；
[0047]
挠度方程建立模块，用于对各个待评估管段进行位移荷载下的受力分析，建立对应的管段挠度控制方程；
[0048]
挠度方程求解模块，用于求解所述管段挠度控制方程，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯曲应变；
[0049]
轴向应变计算模块，用于根据各个待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度，得到对应的变形管段长度，并根据各个待评估管段的变形管段长度，得到对应的节点轴向应变；
[0050]
状态评估模块，用于根据所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变，得到对应的节点管顶应变和节点管底应变，并根据所述节点管顶应变和所述节点管底应变，得到待评估管道的状态评估结果。
[0051]
第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0052]
第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0053]
上述本技术提供了一种管道运行状态评估方法及系统，通过所述方法，实现了对待评估管道进行预设数目的等长切分，得到多个待评估管段和对应的管道节点，并对各个待评估管段进行位移荷载下的受力分析建立的管段挠度控制方程进行求解，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯曲应变后，根据各个待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度得到对应的变形管段长度，以及根据节点弯曲应变和根据各个待评估管段的变形管段长度得到的节点轴向应变，得到对应的节点管顶应变和节点管底应变，再根据节点管顶应变和节点管底应变，得到待评估管道的状态评估结果的技术方案。与现有技术相比，该管道运行状态评估方法，通过简单、高效且通用的理论计算模型得到管道各截面的轴向应变和弯曲应变，并基于应变失效准则快速评估管道各个截面的安全状态，为管道安全状态的快速精准评估及破坏点的精准定位提供可靠保障的同时，还利于管道前期设计与后期运营维护，具有较高的工程应用价值。
附图说明
[0054]
图1是本发明实施例中管道运行状态评估方法的流程示意图；
[0055]
图2是本发明实施例中位移荷载下待评估管段的受力分析示意图；
[0056]
图3是本发明实施例中管道的有限差分离散方法的应用示意图；
[0057]
图4是本发明实施例中管道轴向应变的分析计算示意图；
[0058]
图5中(a)、(b)、(c)、(d)和(e)分别表示本发明实施例中管道挠度、管道弯曲应变、管道轴向应变、管道管顶应变和管道管底应变的变化规律示意图；
[0059]
图6是本发明实施例中管道运行状态评估系统的结构示意图；
[0060]
图7是本发明实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
[0061]
为了使本技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明，显然，以下所描述的实施例是本发明实施例的一部分，仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062]
本发明提供的管道运行状态评估方法是针对现有管道安全评估方法存在的局限性大、经济成本高、时间周期长、以及分析不够精准全面等应用缺点，而提出的一种基于计算效率更高、局限性更小以及通用性更好，可快速计算管道各个截面的轴向应变和弯曲应变的理论计算模型，为基于应变失效准则的局部屈曲和拉裂破坏的管道安全评估提供快速、准确的理论计算依据，且能为管道的截面设计、寻找最不利位置、整体分析以及工程实际应用等提供可靠参考的快速安全评估方法。
[0063]
本发明方法可适用于正断层、90度逆断层，以及其它连续性的近似垂直破坏截面
的位移场景。在实际应用中，只要能通过监测、理论推导或者其它方式获取位移的分布规律，作为位移边界条件输入到本发明提供管道运行状态评估方法中，就可以计算出管道的最大管顶应变和最大管底应变，进而与规范规定的管道应变安全阈值进行对比，从而判断否超出临界安全阈值，进而判断出管道是否处于安全状态，同时还能根据最大管顶应变和最大管底应变对应的管道位置精准定位管道破坏点，进而为更换或者检修提供准确的信息。下述实施例将以正断层位移的应用场景对本发明的管道运行状态评估方法进行详细说明。
[0064]
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种管道运行状态评估方法，包括以下步骤：
[0065]
s11、对待评估管道进行预设数目的等长切分，得到多个待评估管段和对应的管道节点；其中，等长切分处理可以理解为通过添加差分点的方式对待评估管道进行无限细分，使得得到的待评估管段无限小，便于后续分析研究，对应的预设数目可在满足上述应用需求的情况下，根据实际情况确定，此处不作具体限定。
[0066]
s12、对各个待评估管段进行位移荷载下的受力分析，建立对应的管段挠度控制方程；其中，位移荷载可理解为所需进行评估场景中地面位移的分布规律，可通过监测、理论推导或其他方式获取，此处不作具体限制；对应的，管段挠度控制方程可理解为是基于对应位移荷载情况下，基于梁管道弯曲行为分析结合管段上无穷小单元上垂直力平衡分析，得到的管道关于挠度的微分控制方程；具体的，所述对各个待评估管段进行位移荷载下的受力分析，建立对应的管段挠度控制方程的步骤包括：
[0067]
基于经典欧拉-伯努利理论，建立待评估管段对应的梁管道弯曲行为微分方程；其中，梁管道弯曲行为微分方程表示为：
[0068][0069]
式中，e
p
表示管道的杨氏模量；i
p
表示管段的转动惯量)；e
pip
表示管道的弯曲刚度；w和m分别表示挠度和弯矩；dx是一个无穷小元素的宽度；坐标x表示管道水平方向坐标；
[0070]
对各个待评估管段的无穷小单元进行位移荷载下的受力分析，得到对应的弯矩平衡方程；其中，弯矩平衡方程的推导过程如下：
[0071]
基于图2所示位移荷载下管段单元体的受力分析，可得式(2)所示的在无穷小单元上垂直力平衡方程：
[0072][0073]
式中，q表示无穷小单元左截面上的剪力；d表示管道外径；k表示路基反力系数；u(x)表示位移荷载函数；
[0074]
对(2)式中的剪力求一阶导数，得到式(3)：
[0075][0076]
同时，如图2所示，基于式(2)可得在无穷小单元上的弯矩平衡方程可表示为：
[0077]
[0078]
根据所述梁管道弯曲行为微分方程和弯矩平衡方程，得到所述管段挠度控制方程；所述管段挠度控制方程表示为：
[0079][0080]
其中，e
p
表示管道的杨氏模量；i
p
表示待评估管段的转动惯量；dx表示一个无穷小元素的宽度；x表示管道水平方向的坐标；w(x)表示坐标x处的挠度；d表示管道外径；k表示路基反力系数；u(x)表示位移荷载函数；
[0081]
具体的，管段挠度控制方程的推导过程如下：
[0082]
忽略式(4)中的二阶小项，可得：
[0083][0084]
则，得到剪力关于x的一阶导数为：
[0085][0086]
此外，对式(4)的弯矩计算公式关于x求导两次，可得：
[0087][0088]
因此，联系式(1)和式(8)，可得式(5)所示的管道关于挠度的控制方程。
[0089]
s13、求解所述管段挠度控制方程，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯曲应变；其中，管段挠度控制方程原则上可采用现有微分控制方程求解方法进行求解，但为了保证求解过程的高效和精准性，本实施例优选的，采用中心差分法对该控制微分方程进行求解；具体的，所述求解所述管段挠度控制方程，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯曲应变的步骤包括：
[0090]
采用中心差分法求解所述管段挠度控制方程，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯矩矢量；其中，节点挠度和节点弯矩矢量的具体计算过程如下：
[0091]
如图3所示，长度为l的待评估管道被(n+1)个差分节点(i＝0,1,2，
…
，n)等分为n个待评估管段单元，每个待评估管段的长度为l/n。为了建立待评估管道两端节点(i＝0,1,n-1,n)的差分方程，构造了四个虚拟差分节点(i＝-2，-1,n+1,n+2)，基于中心差分分析方法的应用，可以得到式(9)-(12)所示的一系列相关的有限差分形式：
[0092][0093][0094]
[0095][0096]
其中，wi、w
i-1
、w
i+1
、w
i-2
和w
i+2
分别表示管道节点i、i-1、i+1、i-2、i+2处的管道挠度；
[0097]
将式(9)-(12)所示的有限差分形式代入式(5)所示的管段挠度控制方程，可得：
[0098][0099]
同时，对m对x求导，剪力q的公式可以表示为：
[0100][0101]
当管道节点为0或n时，将方程的标准差分方程代入，则管道两端(管道节点0和管道节点n)的弯矩与剪力计算公式分别表示为：
[0102][0103][0104][0105][0106]
将每个节点的离散化方程组合起来，可得到式(19)所示的管道的矩阵-向量形式的有限差分公式：
[0107]
[k1]{w}+[k2]{w}＝[u1]{u}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0108]
式中，
[0109]
[0110][0111][0112]
[0113][0114][0115]
利用中心差分法求解挠度控制方程，得到
[0116]
{w}＝([k1]+[k2])-1
[u1]{u}
ꢀꢀꢀ
(26)
[0117][0118]
此处，式(26)和(27)可应用于i＝0到n的差分节点(管道节点)，但需将四个虚拟差分点处的弯矩视为零，即满足：
[0119]
m-2
＝m-1
＝m
n+1
＝m
n+2
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)
[0120]
同样的，当i从0变为n时，mi可以用矩阵形式表示为：
[0121]
{m}＝[cm]{w}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)
[0122]
式(29)中，[m]为管道在各差分节点(管道节点)处的弯矩矢量，[cm]为对应的弯矩系数矩阵；
[0123]
根据所述节点弯矩矢量，得到对应的曲率向量，并根据所述曲率向量和管道外径，得到所述节点弯曲应变；其中，曲率向量可理解为管道在各差分节点(管道节点)上的曲率向量{κ}，可表示为：
[0124][0125]
则，由式(30)可得管道在各个管道节点上的弯曲应变向量{ε
b，i
}为：
[0126][0127]
通过上述方法步骤得到待评估管道的各个管道节点i处的挠度wi和弯曲应变ε
b,i
后，就可以基于按照下述方法步骤进一步确定对应各个管道节点的节点轴向应变，进而基于得到的各个管道节点的轴向应变和弯曲应变，根据管道应变失效准则进行相应的管道运行安全状态评估。
[0128]
s14、根据各个待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度，得到对应的变形管段长度，并根据各个待评估管段的变形管段长度，得到对应的节点轴向应变；其中，变形管段长度如图4所示可理解为是在相应位移荷载下管道变形导致的轴向变化量；在图4所示的几何图形中，假设各差分节点(管道节点)的水平位移可以忽略不计，即差分节点的水平坐标保持不变，则垂直梁偏转w将是主要因素；在不考虑管道温度影响的情况下，可基于待评估管段左右两端对应的管道节点的节点挠度差，根据三角形的勾股定理，计算得到管道因拉伸而引起变形后的管段长度；
[0129]
具体的，所述根据各个待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度，得到对应的变形管段长度的步骤包括：
[0130]
根据待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度，得到管段挠度差值；
[0131]
根据所述管段挠度差值和原始管段长度，得到所述变形管段长度；所述变形管段长度表示为：
[0132][0133]
式中，
[0134]
δi＝w
i-w
i-1
[0135]
其中，wi和w
i-1
分别表示第i个和第i-1个管道节点的节点挠度；li、l
s,i
和δi分别表示第i个与第i-1个管道节点对应的第i个待评估管段沿管道轴向的原始管段长度、变形管段长度和管段挠度差值；
[0136]
通过式(32)得到各待评估管段受位移荷载下的变形管段长度后，可基于管段变形伸长分析，得到对应的管段伸长率或压缩率，即确定对应的轴向应变；具体的，所述根据各个待评估管段的变形管段长度，得到对应的节点轴向应变的步骤包括：
[0137]
根据各个待评估管段的变形管段长度和原始管段长度，得到对应的管段伸长量；
[0138]
基于材料力学基本理论，根据各个待评估管段的管段伸长量，得到对应的节点轴向应变；所述节点轴向应变表示为：
[0139][0140]
式中，
[0141]
δli＝l
s,i-li[0142]
其中，li和l
s,i
分别表示第i个与第i-1个管道节点对应的第i个待评估管段沿管道轴向的原始管段长度和变形管段长度；δli表示第i个待评估管段的管段伸长量；ε
a,i
表示第i个管道节点的节点轴向应变；
[0143]
s15、根据所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变，得到对应的节点管顶应变和节点管底应变，并根据所述节点管顶应变和所述节点管底应变，得到待评估管道的状态评估结果；
[0144]
管道在受荷变形过程中，在各个管道节点的管顶或管底可能分别存在拉伸应变和压缩应变，其中，压缩应变是管道发生局部屈曲破坏的主要原因，而拉伸应变则是管道发生拉裂破坏的主要因素；因此，快速计算压缩应变与拉伸应变对管道安全状态评估具有重要意义；
[0145]
具体的，所述根据所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变，得到对应的节点管顶应变和节点管底应变的步骤包括：
[0146]
将所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变作差，得到所述节点管顶应变；所述节点管顶应变表示为：
[0147]
ε
t,i
＝ε
a,i-ε
b,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(34)
[0148]
其中，ε
t,i
、ε
a,i
和ε
b,i
分别表示第i个管道节点对应的节点管顶应变、节点轴向应变和节点弯曲应变；
[0149]
将所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变作和，得到所述节点管底应变；所述节点管底应变表示为：
[0150]
ε
c,i
＝ε
a,i
+ε
b,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(35)
[0151]
其中，ε
c,i
、ε
a,i
和ε
b,i
分别表示第i个管道节点对应的节点管底应变、节点轴向应变和节点弯曲应变；
[0152]
需要说明的是，通过式(34)和(35)计算得到各个管道节点对应的管顶应变和管底应变可能是拉伸应变，也可能是压缩应变，根据实际计算的结果确定：若得到的应变值为负，则确定为压缩应变；若得到的应变值为正，则确定为拉伸应变；通过得到的各个管道节点的管顶应变和管底应变，可寻找得到待评估管道的最大压缩应变及最大拉伸应变，进而基于预设的安全阈值进行安全状态评估，且确定管道的最不利位置(破坏点)；具体的，所述根据所述节点管顶应变和所述节点管底应变，得到待评估管道的状态评估结果的步骤包括：
[0153]
根据所述节点管顶应变和所述节点管底应变，得到待评估管道的管底最大拉伸应变、管底最大压缩应变、管顶最大拉伸应变和管顶最大压缩应变；
[0154]
基于应变失效准则，根据所述管底最大拉伸应变、所述管底最大压缩应变、所述管顶最大拉伸应变和所述管顶最大压缩应变，得到所述状态评估结果；所述状态评估结果包括局部弯曲状态、拉伸破裂状态和破坏点位置；其中，局部弯曲状态可基于管顶最大压缩应变和管底最大压缩应变，与对应的压缩应变阈值分析确定，若超过对应的压缩应变阈值，则确定待评估管道发生了局部屈曲，同时，与管顶最大压缩应变和管底最大压缩应变对应的管道节点可认为是对应的管道屈曲破坏点，反之，则确定待评估管道未发生局部屈曲现象；拉伸破裂状态可基于管顶最大拉伸应变和管底最大拉伸应变，与对应的拉伸应变阈值分析确定，若超过对应的拉伸应变阈值，则确定待评估管道发生了拉裂破坏，同时，与管顶最大拉伸应变和管底最大拉伸应变对应的管道节点可认为是对应的管道拉裂破坏点，反之，则确定待评估管道未发生拉裂破坏；
[0155]
需要说明的是，管道安全评估的应变失效准则的使用，与相应安全阈值的选取直
接相关，具体的压缩应变阈值和拉伸应变阈值的选取根据实际应用需求或经验值确定，此处不作具体限制。本实施例在求解得到各个管道节点的挠度之后，基于材料力学基本理论求得各个管道节点的轴向应变，并用于对管道的局部屈曲和拉裂破坏进行快速评估，即实现了在不需要是复杂的三维有限元分析的情况下就能得到各个管道节点的轴向应变，进行高效且精准的安全评估，以及确定管道的潜在危险点(最不利位置)。
[0156]
本技术实施例提供的对待评估管道进行预设数目的等长切分，得到多个待评估管段和对应的管道节点，并对各个待评估管段进行位移荷载下的受力分析建立的管段挠度控制方程进行求解，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯曲应变后，根据各个待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度得到对应的变形管段长度，以及根据节点弯曲应变和根据各个待评估管段的变形管段长度得到的节点轴向应变，得到对应的节点管顶应变和节点管底应变，再根据节点管顶应变和节点管底应变，得到待评估管道的状态评估结果的方法，与现有三维有限元数值模拟相比，计算简单，计算效率高，分析效率高，从而可以实现快速分析管道的运行状态，与现有理论计算方法相比，可以计算管道各个截面的轴向应变和弯曲应变，从而准确计算管道的压应变和拉应变，从而可以基于应变失效准则准确评价管道的局部屈曲和拉伸破裂的状态，且可以快速精准定位到破坏点的位置，有利于管道前期设计与后期运营维护，同时，提出的理论计算模型计算效率更高、局限性更小以及通用性更好，可为管道的截面设计、寻找最不利位置、整体分析以及工程实际应用、后期运营维护等快速安全评估、维护及安全性分析提供重要的参考依据和理论支撑。即本发明通过简单、高效且通用的理论计算模型得到管道各截面的轴向应变和弯曲应变，并基于应变失效准则快速评估管道各个截面的安全状态，为管道安全状态的快速精准评估及破坏点的精准定位提供可靠保障的同时，还利于管道前期设计与后期运营维护，具有较高的工程应用价值。
[0157]
此外，为了对本发明提供的管道运行状态评估方法的应用效果进行验证，本实施例还给出了正断层位移作用下管道变形响应分析的示例，在使用本发明方法对管道进行安全评估时，需要确定使用的管道参数(主要包括管道的直径、壁厚、长度和弹性模量)、管道施工位置周围土层的信息(埋深，泊松比和土体弹性模量)和外荷载信息，这里以断层管道为例，主要是断层位移量，断层作用点位置和断层位移的影响范围等；通过在管道上施加如式(36)所示的断层位移荷载，且将此位移荷载施加在管道中点位置，并输入表1所示的管道参数后，可得到图5所示的分析结果。
[0158][0159]
式中，u0为累积误差函数上渐近线所对应的断层位移量；b为管道长度；bc为断层作用破坏位置；x
β
为断层破裂的发展，即从断层作用破坏位置到土体位移剖面峰值曲率点的距离。
[0160]
表1管道参数表
[0161][0162]
图5所示的是采用本发明方法计算100m长连续管道在断层位移量1m作用下的力学响应结果：
[0163]
图5中(a)为通过式(26)计算得到的管道的挠度变化规律，可以发现最大挠度为1.03m，且根据弹性力学假设，管道与土体变形响应基本一致，大于1m是因为管道具有较大的抗弯刚度，在距离断层较近位置会产生反弯点，因此挠度略大于1m；
[0164]
图5中(b)为通过式(31)计算得到的管道的弯曲应变规律，可以发生呈现反对称的分布，最大弯曲应变为0.76％，符合断层管道在断层错动作用下的假定；
[0165]
图5中(c)为通过式(33)计算得到的管道的轴向应变变化规律，可以发现最大轴向影响为0.63％，发生临近断层位置，因为在断层错动中，此处位移最大，错动层的位移会带动管道发生一定程度的伸长，从而发生轴向变形，与本发明的理论推导依据一致；
[0166]
图5中(d)和(e)分别为管顶和管底的应变，可以通过判断正负区分拉伸应变与弯曲应变，其中正值为拉伸应变，负值为压缩应变；图5中(d)为通过式(34)计算得到的管道管顶的应变规律，可以发现管顶最大拉伸应变1.10％，发生在右侧距离断层2.18倍管径的位置，管顶最大压缩应变0.56％，发生在左侧距离断层5.36倍管径的位置；图5中(e)为通过式(35)计算得到的管道管顶的应变规律，可以发现管顶最大拉伸应变1.11％，发生在右侧距离断层2.37倍管径的位置，管顶最大压缩应变0.56％，发生在左侧距离断层4.89倍管径的位置。
[0167]
通过对比图5中的计算结果中最大拉伸应变、最大压缩应变与管道规范规定的基于应变失效准则的拉伸应变阈值和压缩应变阈值，就可以判断管道是否发生了拉裂破坏或是屈曲破坏，且最大应变对应的位置即是可能破坏位置，从而为高效检修、维护、加固提供了准确的搜索信息。
[0168]
需要说明的是，极限状态的定义是评估正常故障下管道安全的关键任务。国内外的一些研究者和规范均提出了不同的管道应变极限状态，如表2所示；当压缩应变超过阈值，会发生局部屈曲，中性面的一侧将发生压缩变形，当管壁最大压应变达到或超过临界应变时，管壁会出现局部屈曲或褶皱；当拉伸应变超过阈值，会发生拉断失效。本发明实施例中的安全阈值是基于表2所示的文献理论基础选取的，直径914.4mm且壁厚6.35mm的管道，对应的压缩应变阈值为0.28％，拉伸应变阈值为2％，经过对比分析可知，管道管顶最大拉伸应变1.10％，发生在右侧距离断层2.18倍管径的位置；管顶最大压缩应变0.56％，发生在左侧距离断层5.36倍管径的位置；管道管底最大拉伸应变1.11％，发生在右侧距离断层2.37倍管径的位置；管底最大压缩应变0.56％，发生在左侧距离断层4.89倍管径的位置。因此，可得到的分析结论为；该管道的管顶和管底的压缩应变均超过了阈值，也就是发生了局
部屈曲，发生位置分别在管道左右两侧距离断层破坏点5.36倍管径和4.89倍管径的位置；管道管顶和管底的拉伸应变均未超过阈值，未发生拉裂破坏；这一结论也与国内外学者的研究结果保持一致，证明了在断层作用下，管道总是先发生局部屈曲。同时，针对本实施例的结论，需要补充说明的是，管道破坏与否与应变失效准则选取的安全阈值有关，在实际应用中，可结合实际进行判断管道是否需要检修，如需要检修更换，可以考虑从管道左右两侧距离断层破坏点5.36倍管径和4.89倍管径的位置开始施工，极大提高了施工效率。
[0169]
表2应变失效准则的安全阈值
[0170][0171]
需要说明的是，虽然上述流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。
[0172]
在一个实施例中，如图6所示，提供了一种管道运行状态评估系统，所述系统包括：
[0173]
管道切分模块1，用于对待评估管道进行预设数目的等长切分，得到多个待评估管段和对应的管道节点；
[0174]
挠度方程建立模块2，用于对各个待评估管段进行位移荷载下的受力分析，建立对应的管段挠度控制方程；
[0175]
挠度方程求解模块3，用于求解所述管段挠度控制方程，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯曲应变；
[0176]
轴向应变计算模块4，用于根据各个待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度，得到对应的变形管段长度，并根据各个待评估管段的变形管段长度，得到对应的节点轴向应变；
[0177]
状态评估模块5，用于根据所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变，得到对应的节点管顶应变和节点管底应变，并根据所述节点管顶应变和所述节点管底应变，得到待评估管道的状态评估结果。
[0178]
关于一种管道运行状态评估系统的具体限定可以参见上文中对于一种管道运行状态评估方法的限定，对应的技术效果也可等同得到，在此不再赘述。上述一种管道运行状态评估系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0179]
图7示出一个实施例中计算机设备的内部结构图，该计算机设备具体可以是终端或服务器。如图7所示，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示器和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种管道运行状态评估方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
[0180]
本领域普通技术人员可以理解，图7中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有同的部件布置。
[0181]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0182]
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0183]
综上，本发明实施例提供的一种管道运行状态评估方法及系统，其管道运行状态评估方法实现了通过对待评估管道进行预设数目的等长切分，得到多个待评估管段和对应的管道节点，并对各个待评估管段进行位移荷载下的受力分析建立的管段挠度控制方程进行求解，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯曲应变后，根据各个待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度得到对应的变形管段长度，以及根据节点弯曲应变和根据各个待评估管段的变形管段长度得到的节点轴向应变，得到对应的节点管顶应变和节点管底应变，再根据节点管顶应变和节点管底应变，得到待评估管道的状态评估结果的技术方案，该方法通过简单、高效且通用的理论计算模型得到管道各截面的轴向应变和弯曲应变，并基于应变失效准则快速评估管道各个截面的安全状态，为管道安全状态的快速精准评估及破坏点的精准定位提供可靠保障的同时，还利于管道前期设计与后期运营维护，具有较高的工程应用价值。
[0184]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例直接相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。需要说明的是，上述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0185]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，
但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种管道运行状态评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：对待评估管道进行预设数目的等长切分，得到多个待评估管段和对应的管道节点；对各个待评估管段进行位移荷载下的受力分析，建立对应的管段挠度控制方程；求解所述管段挠度控制方程，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯曲应变；根据各个待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度，得到对应的变形管段长度，并根据各个待评估管段的变形管段长度，得到对应的节点轴向应变；根据所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变，得到对应的节点管顶应变和节点管底应变，并根据所述节点管顶应变和所述节点管底应变，得到待评估管道的状态评估结果。2.如权利要求1所述的管道运行状态评估方法，其特征在于，所述对各个待评估管段进行位移荷载下的受力分析，建立对应的管段挠度控制方程的步骤包括：基于经典欧拉-伯努利理论，建立待评估管段对应的梁管道弯曲行为微分方程；对各个待评估管段的无穷小单元进行位移荷载下的受力分析，得到对应的弯矩平衡方程；根据所述梁管道弯曲行为微分方程和弯矩平衡方程，得到所述管段挠度控制方程；所述管段挠度控制方程表示为：其中，e
p
表示管道的杨氏模量；i
p
表示待评估管段的转动惯量；dx表示一个无穷小元素的宽度；x表示管道水平方向的坐标；w(x)表示坐标x处的挠度；d表示管道外径；k表示路基反力系数；u(x)表示位移荷载函数。3.如权利要求1所述的管道运行状态评估方法，其特征在于，所述求解所述管段挠度控制方程，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯曲应变的步骤包括：采用中心差分法求解所述管段挠度控制方程，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯矩矢量；根据所述节点弯矩矢量，得到对应的曲率向量，并根据所述曲率向量和管道外径，得到所述节点弯曲应变。4.如权利要求1所述的管道运行状态评估方法，其特征在于，所述根据各个待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度，得到对应的变形管段长度的步骤包括：根据待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度，得到管段挠度差值；根据所述管段挠度差值和原始管段长度，得到所述变形管段长度；所述变形管段长度表示为：式中，δ
i
＝w
i-w
i-1
其中，w
i
和w
i-1
分别表示第i个和第i-1个管道节点的节点挠度；l
i
、l
s,i
和δ
i
分别表示第i个与第i-1个管道节点对应的第i个待评估管段沿管道轴向的原始管段长度、变形管段长度和管段挠度差值。5.如权利要求1所述的管道运行状态评估方法，其特征在于，所述根据各个待评估管段
的变形管段长度，得到对应的节点轴向应变的步骤包括：根据各个待评估管段的变形管段长度和原始管段长度，得到对应的管段伸长量；基于材料力学基本理论，根据各个待评估管段的管段伸长量，得到对应的节点轴向应变；所述节点轴向应变表示为：式中，δl
i
＝l
s,i-l
i
其中，l
i
和l
s,i
分别表示第i个与第i-1个管道节点对应的第i个待评估管段沿管道轴向的原始管段长度和变形管段长度；δl
i
表示第i个待评估管段的管段伸长量；ε
a,i
表示第i个管道节点的节点轴向应变。6.如权利要求1所述的管道运行状态评估方法，其特征在于，所述根据所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变，得到对应的节点管顶应变和节点管底应变的步骤包括：将所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变作差，得到所述节点管顶应变；所述节点管顶应变表示为：ε
t,i
＝ε
a,i-ε
b,i
其中，ε
t,i
、ε
a,i
和ε
b,i
分别表示第i个管道节点对应的节点管顶应变、节点轴向应变和节点弯曲应变；将所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变作和，得到所述节点管底应变；所述节点管底应变表示为：ε
c,i
＝ε
a,i
+ε
b,i
其中，ε
c,i
、ε
a,i
和ε
b,i
分别表示第i个管道节点对应的节点管底应变、节点轴向应变和节点弯曲应变。7.如权利要求1所述的管道运行状态评估方法，其特征在于，所述根据所述节点管顶应变和所述节点管底应变，得到待评估管道的状态评估结果的步骤包括：根据所述节点管顶应变和所述节点管底应变，得到待评估管道的管底最大拉伸应变、管底最大压缩应变、管顶最大拉伸应变和管顶最大压缩应变；基于应变失效准则，根据所述管底最大拉伸应变、所述管底最大压缩应变、所述管顶最大拉伸应变和所述管顶最大压缩应变，得到所述状态评估结果；所述状态评估结果包括局部弯曲状态、拉伸破裂状态和破坏点位置。8.一种管道运行状态评估系统，其特征在于，所述系统包括：管道切分模块，用于对待评估管道进行预设数目的等长切分，得到多个待评估管段和对应的管道节点；挠度方程建立模块，用于对各个待评估管段进行位移荷载下的受力分析，建立对应的管段挠度控制方程；挠度方程求解模块，用于求解所述管段挠度控制方程，得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯曲应变；轴向应变计算模块，用于根据各个待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度，得到对应的变形管段长度，并根据各个待评估管段的变形管段长度，得到对应的节点轴向应变；
状态评估模块，用于根据所述节点轴向应变和所述节点弯曲应变，得到对应的节点管顶应变和节点管底应变，并根据所述节点管顶应变和所述节点管底应变，得到待评估管道的状态评估结果。9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一所述方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一所述方法的步骤。

技术总结
本发明提供了一种管道运行状态评估方法、系统、计算机设备及介质，所述方法包括：对待评估管道进行预设数目的等长切分，得到多个待评估管段和对应的管道节点；对各个待评估管段进行位移荷载下的受力分析，建立管段挠度控制方程，并通过求解得到各个管道节点对应的节点挠度和节点弯曲应变；根据各个待评估管段对应的两个管道节点的节点挠度得到的变形管段长度，计算得到对应的节点轴向应变；根据节点轴向应变和节点弯曲应变，得到节点管顶应变和节点管底应变；根据节点管顶应变和节点管底应变，得到待评估管道的状态评估结果。本发明通过简单、高效且通用的计算分析得到管道各截面的轴向应变，进而为管道安全状态的快速精准评估提供可靠保障。供可靠保障。供可靠保障。


技术研发人员：倪芃芃 李剑锋 林存刚 覃小纲 陈清树 叶明鸽 刘凯文 高军 巫志文
受保护的技术使用者：南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/9/22