一种埋地管道结构安全检测方法及埋地管道结构安全评价方法

技术领域

本发明涉及埋地管道检测技术领域，具体而言，涉及一种埋地管道结构安全检测方法及埋地管道结构安全评价方法。

背景技术

埋地管道，特别是柔性埋地管道正常工作的基础是管土共同作用。管侧土刚度是进行管道结构设计和安全评估的关键技术指标。然而管侧土刚度难以直接测量，其取值主要依靠经验，可靠性较低，给管道实际安全运行带来隐患。因此，需要提出可以避免这一困难，同时具有较高准确性的结构安全测评方法，以保障管道运输的安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种埋地管道结构安全检测方法，其能够更加准确地检测出埋地管道的结构安全情况，能够更加真实地反映埋地管道的实际结构状况，便于选择性地对埋地管道进行维护或更换，使得能够更加容易、准确地把控埋地管道的安全状况。

本发明的另一目的在于提供一种埋地管道结构安全评价方法，其能够更加真实地反映埋地管道的实际结构状况，便于选择性地对埋地管道进行维护或更换，使得能够更加容易、准确地把控埋地管道的安全状况。

本发明的实施例是这样实现的：

一种埋地管道结构安全检测方法，其包括：将埋地管道的检测点的竖直位移和水平位移作为强制位移边界条件，采用有限元分析法计算埋地管道的内力，并多次测量以确定内力的变异系数。利用公式计算得到埋地管道的安全可靠度。公式为：

其中，β为埋地管道的安全可靠度。σ为埋地管道的内力。f为埋地管道的机械强度。s_F为内力的变异系数。s_R为埋地管道的机械强度的变异系数。x、q和z为常数且均大于零。检测点为多个，多个检测点沿埋地管道的周向分布且均位于垂直于埋地管道的轴心线的同一个平面。

一种埋地管道结构安全评价方法，其包括：利用上述的埋地管道结构安全检测方法测得的安全可靠度对埋地管道的结构安全进行评价。安全可靠度的值越大，埋地管道的结构越安全。

本发明实施例的有益效果是：

本申请的发明人发现：埋地管道，特别是柔性埋地管道正常工作的基础是管土共同作用。管侧土刚度是进行管道结构设计和安全评估的关键技术指标。而管侧土的刚度情况最终会直接体现在埋地管道的变形情况中，通过对埋地管道的变形情况的检测可以得出管侧土的刚度情况，从而做出对管侧土以及埋地管道的进一步的处理和维护措施，以保证埋地管道结构的安全性和稳定性。

本发明实施例提供的埋地管道结构安全检测方法利用因埋地管道发生变形而导致检测点发生的竖直位移和水平位移作为强制位移边界条件，采用有限元分析法计算所述埋地管道的内力，并多次测量以确定所述内力的变异系数。最后通过公式计算得出埋地管道的安全可靠度。埋地管道结构安全检测方法将埋地管道的形变以及埋地管道本身具有的机械性能结合起来，使用埋地管道发生的形变和埋地管道的机械性能来共同反映管侧土的刚度情况。因为埋地管道的变形程度与其机械强度有关，因此将检测点的竖直位移和水平位移变形量这些变形量与机械强度结合以来一同表征的埋地管道安全可靠度更加准确，能够更加真实地体现埋地管道因为管侧土刚度而发生的结构变化，而这些结构变化最终也会反映到埋地管道整体的安全可靠性上。因此，用本发明实施例提供的埋地管道结构安全检测方法来对埋地管道的安全可靠度进行检测能够更加准确地检测出埋地管道的结构安全情况，并更加真实地反映埋地管道的实际结构状况，便于选择性地对埋地管道进行维护或更换，使得能够更加容易、准确地把控埋地管道的安全状况。

本发明实施例提供的埋地管道结构安全评价方法利用上述的埋地管道结构安全检测方法检测得到的埋地管道的安全可靠度地埋地管道的结构安全进行评价。其中，安全可靠度的值越大，则表明埋地管道结构的结构越安全。埋地管道结构安全评价方法能够更加真实地反映埋地管道的实际结构状况，便于选择性地对埋地管道进行维护或更换，使得能够更加容易、准确地把控埋地管道的安全状况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的埋地管道的检测椭圆与出厂圆进行对比的示意图。

图标：100-检测椭圆；110-顶点；120-位移点；200-出厂圆；210-对应点。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明的实施例提供的一种埋地管道结构安全检测方法以及埋地管道结构安全评价方法进行具体说明。

本发明的实施例提供的埋地管道结构安全检测方法包括：

将埋地管道的检测点的竖直位移和水平位移作为强制位移边界条件，采用有限元分析法计算埋地管道的内力，并多次测量以确定内力的变异系数。利用公式计算得到埋地管道的安全可靠度，公式为：

其中，β为埋地管道的安全可靠度；σ为埋地管道的内力；f为埋地管道的机械强度；s_F为内力的变异系数；s_R为埋地管道的机械强度的变异系数；x、q和z为常数且均大于零。检测点为多个，多个检测点沿埋地管道的周向分布且均位于垂直于埋地管道的轴心线的同一个平面。

需要说明的是，埋地管道的检测点的竖直位移和水平位移可以是比较埋地管道的出厂形状得到的，也可以是比较埋地管道在使用过程中的某个时间点的形状得到的。

埋地管道结构安全检测方法利用因埋地管道发生变形而导致检测点发生的竖直位移和水平位移作为强制位移边界条件，采用有限元分析法计算所述埋地管道的内力，并多次测量以确定所述内力的变异系数。最后通过公式计算得出埋地管道的安全可靠度。埋地管道结构安全检测方法将埋地管道的形变以及埋地管道本身具有的机械性能结合起来，使用埋地管道发生的形变和埋地管道的机械性能来共同反映管侧土的刚度情况。因为埋地管道的变形程度与其机械强度有关，因此将检测点的竖直位移和水平位移变形量这些变形量与机械强度结合以来一同表征的埋地管道安全可靠度更加准确，能够更加真实地体现埋地管道因为管侧土刚度而发生的结构变化，而这些结构变化最终也会反映到埋地管道整体的安全可靠性上。因此，用本发明实施例提供的埋地管道结构安全检测方法来对埋地管道的安全可靠度进行检测能够更加准确地检测出埋地管道的结构安全情况，并更加真实地反映埋地管道的实际结构状况，便于选择性地对埋地管道进行维护或更换，使得能够更加容易、准确地把控埋地管道的安全状况。

进一步地，当埋地管道为钢管时，内力为埋地管道的管壁Mises应力σ_m，机械强度为埋地管道的Mises屈服强度f_y。埋地管道的管壁Mises应力σ_m的变异系数为s_F，埋地管道的Mises屈服强度f_y的变异系数为s_R。利用上述公式可求得埋地管道的安全可靠度β。

进一步地，当埋地管道为玻璃钢管时，内力为埋地管道的管壁环向弯曲应力σ_w，机械强度为埋地管道的弯曲强度f_pm。埋地管道的管壁环向弯曲应力σ_w的变异系数为s_Fw，埋地管道的弯曲强度f_pm的变异系数为s_Rw。利用上述公式可求得埋地管道的安全可靠度β_m。

进一步地，当埋地管道为玻璃钢管时，内力还可以为埋地管道在正常输送状态下的环向拉伸应力σ_t，此时，机械强度为埋地管道的环向拉伸强度f_pt。埋地管道在正常输送状态下的环向拉伸应力σ_t的变异系数为s_Ft，埋地管道的环向拉伸强度f_pt的变异系数为s_Rt。利用上述公式可求得埋地管道在正常输送状态下的安全可靠度β_t。

进一步地，当埋地管道为玻璃钢管时，内力还可以为埋地管道在正常输送状态下的管壁最大拉应力σ_tm，此时，机械强度为埋地管道的管壁内衬层树脂拉伸强度f_pp。埋地管道在正常输送状态下的管壁最大拉应力σ_tm的变异系数为s_Fp，埋地管道的管壁内衬层树脂拉伸强度f_pp的变异系数为s_Rp。利用上述公式可求得埋地管道在正常输送状态下的安全可靠度β_tp。

进一步地，可选地，上述公式中的x等于1，q等于2，z等于0.5。此时，埋地管道的安全可靠度更方便求解，并且安全可靠度的树脂更容易进行表征和评估。当x等于1，q等于2，z等于0.5时，

进一步地，可选地，检测点的水平位移和竖直位移可以通过下列流程得到：将由激光断面扫描仪测得的检测点的坐标带入椭圆方程进行数据拟合得第一拟合方程；第一拟合方程所对应的椭圆为检测椭圆，埋地管道的出厂内径所对应的圆为出厂圆。

将检测椭圆的短轴同出厂圆的直径重叠设置，并将检测椭圆的短轴所对应的一个顶点设于出厂圆的圆周上；或将检测椭圆的长轴同出厂圆的直径重叠设置，并将检测椭圆的长轴所对应的一个顶点设于出厂圆的圆周上。

竖直位移和水平位移通过利用检测椭圆上与检测点对应的位移点对比出厂圆上的对应点得到。位移点、对应点和顶点位于同一直线。

利用该方法能够随时方便、准确地检测出埋地管道的检测点的竖直位移和水平位移的情况，便于进一步得出对埋地管道的安全可靠度。

进一步地，上述的椭圆方程为椭圆标准方程。利用椭圆标准方程进行数据拟合后更便于得出第一拟合方程的长轴和短轴的长度，便于得出埋地管道的变形量数值。利用椭圆标准方程进行数据拟合能够进一步降低埋地管道变形程度检测方法的实施难度。

需要说明的是，也可以利用除椭圆标准方程以外的椭圆方程进行数据拟合，且并不会影响结果的准确性。

进一步地，沿椭圆方程的长轴对应将检测点划分为第一检测点组和第二检测点组。将第一检测点组带入椭圆方程进行数据拟合得第二拟合方程，将第二检测点组带入椭圆方程进行数据拟合得第三拟合方程。并控制第二拟合方程和第三拟合方程共中心点且共长轴，即控制第二拟合方程和第三拟合方程的中心点位置以及长轴的长度相等。

考虑到埋地管道的管侧土可能存在回填不密实的影响，采用椭圆方程对第一检测点组和第二检测点组分别进行拟合分析，能够进一步提高最后得到的变形程度以及变形量数值的准确性。

可以先将第一检测点组带入椭圆方程进行数据拟合得第二拟合方程，将第二拟合方程的中心点和长轴作为第三拟合方程的中心点以及长轴，再将第二检测点组带入椭圆方程进行数据拟合得出第三拟合方程。也可以先将第二检测点组带入椭圆方程进行数据拟合得第三拟合方程，将第三拟合方程的中心点和长轴作为第二拟合方程的中心点以及长轴，再将第一检测点组带入椭圆方程进行数据拟合得出第二拟合方程。

取第二拟合方程的半短轴和第三拟合方程的半短轴的长度之和同埋地管道的出厂直径的差值，以得到埋地管道的第二变形程度特征，即埋地管道对应沿短轴方向的变形量数值。取第二拟合方程的半长轴和第三拟合方程的半长轴的长度之和同埋地管道的出厂直径的差值，以得到埋地管道的第二变形程度特征，即埋地管道对应沿长轴方向的变形量数值。

需要说明的是，上述的第一变形程度特征中的埋地管道沿对应长轴和短轴方向的变形量数值、以及第二变形程度特征中的埋地管道沿对应长轴和短轴方向的变形量数值均能够作为评价埋地管道的变形情况的参考。可以将第一变形程度特征和第二变形程度特征二者中的变形量数值结合起来表征埋地管道的变形情况和变形程度，也可以只采用第一变形程度特征或第二变形程度特征中的任意一者的变形量数值来表征埋地管道的变形情况和变形程度。

进一步地，可选地，将第一变形程度特征和第二变形程度特征二者中的变形量数值结合起来表征埋地管道的变形情况和变形程度，并且取第一变形程度特征和第二变形程度特征二者中变形量数值的绝对值较大的一者来表征埋地管道的变形程度特征。

需要说明的是，第一检测点组和第二检测点组也可以是沿椭圆方程的短轴对应将检测点进行划分得到的。

进一步地，由于采用椭圆标准方程进行数据拟合时，椭圆标准方程的横轴和纵轴分别位于坐标轴上，且埋地管道的变形一般情况下主要包括沿竖直方向的压缩变形和沿水平方向的压缩变形两种情况，于是为了进一步简化埋地管道变形程度检测方法的实施流程，则假定变形后的埋地管道的截面所对应的椭圆的对称轴分别沿水平方向和竖直方向设置，而截面所对应的椭圆的沿水平方向的对称轴就对应椭圆标准方程的横轴，截面所对应的椭圆的沿竖直方向的对称轴就对应椭圆标准方程的纵轴。

通过数据拟合之后，得到的第一拟合方程的横轴长度同埋地管道的出厂直径之间的差值就反应的是埋地管道沿水平方向的变形量数值；第二拟合方程的半横轴与第三拟合方程的半横轴长度之和同埋地管道的出厂直径之间的差值也反应的是埋地管道沿水平方向的变形量数值。而第一拟合方程的纵轴长度同埋地管道的出厂直径之间的差值就反应的是埋地管道沿竖直方向的变形量数值；第二拟合方程的半纵轴与第三拟合方程的半纵轴长度之和同埋地管道的出厂直径之间的差值也反应的是埋地管道沿竖直方向的变形量数值。

需要说明的是，假定变形后的埋地管道的截面所对应的椭圆的对称轴分别沿水平方向和竖直方向设置之后，上述的短轴和长轴其实就是与水平轴以及竖直轴对应的。

进一步地，第一检测点组和第二检测点组是沿椭圆标准方程的横轴对应将检测点进行划分得到的，即是沿埋地管道的水平方向进行划分得到的。第一检测点组位于第二检测点组的上方。椭圆标准方程的横轴对应的可能是长轴，也可能是短轴。由于管道下半部测点相对较少，拟合时的精度相对较低，因此，为了保证准确度，先将第一检测点组带入椭圆标准方程进行数据拟合得第二拟合方程，将第二拟合方程的中心点和横轴作为第三拟合方程的中心点以及横轴，再将第二检测点组带入椭圆标准方程进行数据拟合得出第三拟合方程。

利用得到的埋地管道的变形程度特征与埋地管道的出厂形状或者在使用过程中某一时间点的形状进行比较，就能够得出埋地管道的检测点的竖直位移和水平位移。从而能够进一步得出埋地管道的安全可靠度。

本发明实施例提供的埋地管道结构安全检测方法能够更加准确地检测出埋地管道的结构安全情况，能够更加真实地反映埋地管道的实际结构状况，便于选择性地对埋地管道进行维护或更换，使得能够更加容易、准确地把控埋地管道的安全状况。

本发明的实施例还提供一种埋地管道结构安全评价方法，其包括：利用上述的埋地管道结构安全检测方法测得的安全可靠度对埋地管道的结构安全进行评价。安全可靠度的值越大，埋地管道的结构越安全。

进一步地，当x等于1，q等于2，z等于0.5时，对于一等建筑物，β、β_m和β_t应均不小于4.2，且β_tp应不小于3.7，才能保证结构的安全。而对于二等建筑物，β、β_m和β_t应均不小于3.7，且β_tp应不小于3.2，才能保证结构的安全。

本发明的实施例提供的埋地管道结构安全评价方法能够更加真实地反映埋地管道的实际结构状况，便于选择性地对埋地管道进行维护或更换，使得能够更加容易、准确地把控埋地管道的安全状况。

下面将结合具体实施例对上述的埋地管道结构安全检测方法以及埋地管道结构安全评价方法的流程作具体说明。

实施例

本实施例提供一种埋地管道结构安全检测方法，包括：

1.在埋地管道的管腔中使用激光断面扫描仪收集埋地管道的位于内壁的n个检测点的坐标。各个检测点的坐标为：

其中，x_i为第i个检测点的横坐标；z_i为第i个检测点的纵坐标；d_i为第i个检测点到旋转中心的距离；θ_i为第i个检测点以旋转中心为原点并将横轴沿水平方向设置的旋转角度；i与n均为正整数且i小于或等于n。

2.将各个检测点的坐标带入椭圆标准方程Ax²+Bz²+Cx+Dz+E＝0进行数据拟合得到第一拟合方程。第一拟合方程的横轴长为2a，纵轴长为2b。而横轴长为2a即对应埋地管道沿水平方向的内径，纵轴长2b即对应埋地管道沿竖直方向的内径。于是，埋地管道沿竖直方向的变形量数值w1＝D-2b，其中，w1为埋地管道的变形量数值，D为埋地管道的出厂内径。

3.沿第一拟合方程的横轴对应将检测点划分为第一检测点组和第二检测点组，第一检测点组位于横轴的上方，第二检测点组位于横轴的下方。将第一检测点组带入椭圆标准方程Ax²+Bz²+Cx+Dz+E＝0进行数据拟合得到第二拟合方程，将第二拟合方程的中心点和横轴作为第二检测点组进行拟合时的中心点和横轴，再将第二检测点组带入椭圆标准方程Ax²+Bz²+Cx+Dz+E＝0进行数据拟合得到第三拟合方程。第二拟合方程的半纵轴长为b1，第三拟合方程的半纵轴长为b2。于是，该方式求得的埋地管道沿竖直方向的变形量数值w2＝D-(b1+b2)。

当|w1|<|w2|时，以w2作为埋地管道沿竖直方向的变形量数值。当|w1|>|w2|时，以w1作为埋地管道沿竖直方向的变形量数值。因为管道下半部分回填不密实时，b2<b1。然而，由于管道下半部分测点相对较少，拟合精度相对较低，有可能会出现相反的情况。因此，为了进一步提高准确度，实际数据处理时，对同一组数据点，分别采用w1＝D-2b和w2＝D-(b1+b2)来求埋地管道沿竖直方向的变形量数值，取二者中绝对值较大的值作为埋地管道实际变形量数值。

4.以变形量数值的绝对值较大者所对应的椭圆方程来作为与埋地管道的出厂形状进行比较的基础。当|w1|<|w2|时，椭圆方程所对应的椭圆是一个组合椭圆，该组合椭圆的横轴以上的部分对应第二拟合方程，该组合椭圆的横轴以下的部分对应第三拟合方程。当|w1|>|w2|时，则利用第一你和方程所对应的椭圆进行比较。

5.如图1所示，将参与比较的椭圆(即：检测椭圆100)的纵轴与埋地管道的出厂内径所对应的圆(即：出厂圆200)的直径重叠设置，并将检测椭圆的位于纵轴且位于横轴的下方的顶点110设置在出厂圆的圆周上。位移点120、对应点210以及顶点110位于同一直线，从而得出位移点120相对对应点210的竖直位移和水平位移，这也就是检测点相对埋地管道的出厂形状的竖直位移和水平位移。

6.利用检测点的竖直位移和水平位移作为强制位移边界条件，采用有限元分析法计算埋地管道的内力，并多次测量以确定内力的变异系数。

7.结合埋地管道的种类，利用公式和分别求得埋地管道的安全可靠度β、β_m、β_t和β_tp。

本实施例还提供一种埋地管道结构安全评价方法，包括：利用安全可靠度β、β_m、β_t和β_tp对埋地管道的结构安全程度进行评价。

对于一等建筑物，β、β_m和β_t应均不小于4.2，且β_tp应不小于3.7，才能保证结构的安全。而对于二等建筑物，β、β_m和β_t应均不小于3.7，且β_tp应不小于3.2，才能保证结构的安全。

综上所述，本实施例提供的埋地管道结构安全检测方法能够更加准确地检测出埋地管道的结构安全情况，能够更加真实地反映埋地管道的实际结构状况，便于选择性地对埋地管道进行维护或更换，使得能够更加容易、准确地把控埋地管道的安全状况。本实施例提供的埋地管道结构安全评价方法能够更加真实地反映埋地管道的实际结构状况，便于选择性地对埋地管道进行维护或更换，使得能够更加容易、准确地把控埋地管道的安全状况。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。