[0001] 本发明涉及氢气输送领域，尤其涉及一种埋地氢气输送管道应力控制方法及系统。

[0002] 氢气作为新能源重要发展方向之一，与传统化石燃料相比，其具有热值高、燃烧产物不污染环境、来源广泛、可再生的显著优势，被称为未来的清洁能源，将成为人类未来解决日益严峻的能源和环境问题的一条新途径。采用管道进行氢气输送是较为高效的中长距离运输解决方案。

[0003] 由于氢气相对密度较低，相比于天然气管道，在相同压力和体积输量下，输送的质量流量约为天然气的1/8，有效提高输送压力是增强输送能力的途径之一。目前，受限于氢气对钢材的损伤规律和特点，在工程建设领域，氢气输送管道选材基本采用屈服强度较小、韧性较好的钢材。

[0004] 在埋地管道输送中，钢制管道在内压、热荷载和其他外部作用的情况下，会综合产生一定的应力水平。对于氢气输送管道，在合理选材的基础上，有效降低管道运行中的应力水平可进一步保证材料性能；同时，由于氢气输送管道基本采用低强度钢，其最小屈服强度较低，因此有效控制管道应力也是保障运行安全的关键问题。

[0005] 目前，天然气管道普遍材质等级较高，管道应力基本考虑对热荷载的控制，相关技术较为成熟；例如，一种在中国专利文献上公开的“一种具有防应力的天然气系统”，其公告号CN209762733U，，由输送管道和输气站组成，输送管道沿输送路径定距在设有法兰口，法兰口位于输送管道的水平面两侧；每个法兰口分别与一个缓释腔导通，法兰口的出口使用电磁阀密封，缓释腔位于法兰口的对侧配置一台真空泵，真空泵的出口与法兰口相向开设；压力传感器、温度传感器检测的压力、温度数据上传至处理器；温度和压力升高时，处理器控制各法兰口电磁阀的打开通过缓释腔释放输送管道内的压力；温度和压力回复时，电磁阀关闭，同时真空泵排除缓释腔内的燃气，使缓释腔处于真空或半真空状态。

[0006] 相比之下，氢气管道由于介质基本来源于上游工厂，其管道进口温度可控，这一定程度降低了热荷载对管道应力的贡献。另外，由于内压属于管道运行基本要求，因此优化的可能性不大。因此，对于钢级较低 （X52及以下）的氢气管道，需要从其他外部作用方面入手，进行管道综合应力控制。然而，这方面目前鲜有公开报道。因此，有必要开展相关研究，提出埋地氢气管道应力控制的方法，形成一种埋地氢气管道应力控制方法

[0032] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

[0033] 实施例一：本实施例的一种埋地氢气输送管道应力控制方法，如图1所示，包括以下过程：
1）对氢气输送管道弯管处设置大曲率半径弯管。

[0034] 氢气输送管道弯管处的上游直管和下游直管长度分别至少为5m。弯管处的上游直管和下游直管的材质、管径以及壁厚均与弯管母管一致，以避免常规天然气管道弯管两侧无等壁厚直管引起的轴向力在靠近弯管的壁厚台阶处集中的现象。

[0035] 氢气输送管道的弯管为曲率半径为6～8倍管道外径的热煨弯管，弯曲外侧最薄壁厚不得低于直管段壁厚，以提高弯管抵抗两侧直管热膨胀位移引起的应力集中能力。

[0036] 进一步的，在本实施例中，氢气输送管道的弯管为曲率半径为7～8倍管道外径的热煨弯管。

[0037] 安装时，氢气输送管道中的弯管上游直管、弯管和弯管下游直管应预制连接，以保证将安装残余应力限制在弯管上游直管的上游和弯管下游直管的下游。

[0038] 在弯管段工作时，弯管两端直管道由于受压力膨胀和热膨胀作用，产生的轴向位移从两侧聚集在弯管；本系统采用大曲率半径弯管和长臂直管的预制管系，可有效提高弯管刚度，减小预制体残余应力和减小外部形变引起的本体变形量。

[0039] 2）设置大曲率半径弹性敷设管沟。

[0040] 具体地，管沟为埋地管道铺设前所开挖的沟槽，用于为管道铺设提供底部支撑，管沟的底部中心圆弧线保持曲率半径不大于2500倍的管道外径。

[0041] 对于下凸轮廓的弹性敷设，在管沟低点处安装宽底橡胶垫。宽底橡胶垫厚度不小于20mm，沿管道轴向长度不小于500mm，宽度不小于500mm；嵌入原管沟土壤中，保证其下方土壤夯实，也用于通过橡胶垫与管沟较大的接触面，分散管道荷载，避免运行中低点下沉。

[0042] 管沟低点上部挡板为混凝土板，主要用于分散低点投影上方的土壤和地表荷载，避免低点下沉。

[0043] 在长直管道随地形弹性敷设时，通过设置大曲率半径管沟为管道敷设提供姿态控制条件。曲率半径大于2500倍管道外径的管沟，在管道运行时引起的弯曲应力约为42MPa，仅为常规氢气管道材料L245钢的最小屈服强度的18%，可富余足够的强度抵抗内压和热膨胀作用。

[0044] 为避免管沟在管道安装后沉降，并引起低点曲率半径陡增，在管沟低点设置了嵌入式的橡胶垫层，一方面在嵌入时压实管底土壤，另一方面将管道对管底的集中线荷载转变为橡胶垫层对管沟的面荷载。

[0045] 进一步地，在低点投影上方，设置混凝土板，分散上部土壤和地面荷载对低点管沟稳定性的影响。

[0046] 3）设置高泄漏后果管段柔性敷设管道。

[0047] 具体地，采用设置π型弯的方法进行管道柔性敷设，π型管道为热煨弯管和直管组成的“π”型管系，热煨弯管曲率半径为7～8倍管道外径，直管段长度不小于5m，用于吸收“π”型弯上下游直管的热膨胀位移、管沟沉降位移等，降低管道挤压和拉伸破坏风险。

[0048] 未约束直管为长直管道，长度通过管道运行温度和设计温度差值下的热膨胀推力除以0.75倍管道单位长度所受土壤摩擦力确定，以完全释放变形量。

[0049] 进一步地，直管段中存在转向弯管时，单侧直管段长度为原计算长度1/3。

[0050] 需要说明的是，在本实施例中的大曲率半径弯管、大曲率半径弹性敷设管道和柔性敷设系统的实现均采用易购钢材和成熟工法，在系统组合和曲率控制上创新，不影响具体实施。

[0051] 在高泄漏后果管段，通过设置连续的π型弯和长直管道，形成柔性极佳的管系，以尽可能降低管系由于内压、热膨胀、地质沉降等引起的应力水平，控制管道泄漏风险。

[0052] 直管长度保持在对应工况下的虚拟锚固长度的0.75倍，以保证直管处于非约束状态，提高直管系统柔性。

[0053] 本实施例的方案适用于高压埋地氢气管道系统。本实施例的方案基于埋地氢气管道综合应力组成，综合考虑氢气管道高压输送、低刚度管材的设计特点，以降低弯头集中应力、长直管段弹性敷设弯曲应力和在高泄漏后果地区进一步降低系统刚度，总体实现埋地氢气管道应力水平降低和低钢级钢管应力富裕量接近常规中高钢级管道的目标。

[0054] 本实施例的方案综合考虑影响埋地管道系统应力水平的主要因素，结合氢气管道高压运行和采用低刚度材料的特点，进一步从增加弯管曲率半径、提升长直管道弹性敷设曲率半径和高泄漏后果地区完全采用柔性敷设的理念出发，有别于常规天然气管道以应力校核控制的被动做法，转变为主动降低系统应力水平，进一步提升系统安全性和材料氢环境适应性。

[0055] 本实施例的发难通过系统优化布置，大幅降低弯管和弹性敷设处的弯曲应力，大幅降低管道系统综合应力；在高泄漏后果地区采用全柔性敷设的方式，进一步提升系统富裕应力水平，保障了埋地氢气输送系统可靠性。

[0056] 实施例二：本实施例的一种埋地氢气输送管道应力控制方法，如图2所示，对实施例一的一种埋地氢气输送管道应力控制方法所设置的方案进行优化。具体的过程包括：
步骤S1：对氢气输送管道弯管处设置大曲率半径弯管；设置大曲率半径弹性敷设管沟；设置高泄漏后果管段柔性敷设管道。

[0057] 具体的，上述三种限定设置如实施一的内容，在本实施例中不在赘述。

[0058] 步骤S2：引入标准，判断根据限定条件设置的时间氢气管道参数是否符合其他限定条件。

[0059] 在本实施例中，所述的标准可以是国家标准、行业标准或企业标准。标准中对氢气输送管道的参数进行了限定。

[0060] 根据三种限定，分别对氢气输送管道的弯管参数、管沟参数和柔性管道参数进行限定，其中，根据各限定条件设置的最优参数可能与其他限定条件相冲突，则需要对某一参数进行调整。

[0061] 根据三种限定条件设置分别设置弯管、管沟和柔性管道的最优参数，组合参数，判断设置的最优参数是否能够同时满足其他限定条件或标准。若能够满足，则根据响应的最优参数执行敷设氢气输送管道；若不能满足，则进一步寻找判断冲突条件。

[0062] 步骤S3：寻找冲突的限制条件，根据限制条件的优先级跳帧参数满足条件。

[0063] 在本实施例中，参数限制条件的优先级依次为弯管参数限制条件、柔性管道参数限制条件以及管沟参数限制条件。

[0064] 具体的，如果根据弯管参数限制条件设置的最优弯管参数和根据柔性管道参数限制条件设置的柔性管道最优参数无法适配时，调整柔性管道的参数，使得柔性管道的参数与弯管的最优参数匹配。

[0065] 如果根据弯管参数限制条件设置的最优弯管参数和管沟参数限制条件设置的管沟最优参数无法适配时，调整管沟的参数，使得管沟的参数与弯管的最优参数匹配。

[0066] 如果根据管沟参数限制条件设置的最优管沟参数和根据柔性管道参数限制条件设置的柔性管道最优参数无法适配时，调整管沟的参数，使得管沟的参数与柔性管道的最优参数匹配。

[0067] 本实施例的方案进一步限定了如何根据各限定条件获得相互适配的参数方案，其他内容同实施例一。

[0068] 实施例三：本实施例的一种埋地氢气输送管道应力控制系统，包括弯管曲率半径控制单元、弹性敷设管沟曲率半径控制单元和局部全柔性管道敷设控制单元。

[0069] 在本实施例中，弯管曲率半径控制单元包括弯管限定模块和弯管上/下游直管限定模块。

[0070] 弯管限定模块限定氢气输送管道弯管处的曲率半径，具体的，弯管为曲率半径为7～8倍管道外径的热煨弯管。此外，弯曲外侧最薄壁厚不得低于直管段壁厚，以提高弯管抵抗两侧直管热膨胀位移引起的应力集中能力。

[0071] 弯管上/下游直管限定模块限定弯管上游直管和弯管下游直管的长度、材质、管径和壁厚等具体参数。具体的，弯管上游直管和弯管下游直管的长度分别至少为5m；弯管上游直管和弯管下游直管的材质、管径和壁厚与弯管母管一致，以避免常规天然气管道弯管两侧无等壁厚直管引起的轴向力在靠近弯管的壁厚台阶处集中的现象。

[0072] 此外，弯管曲率半径控制单元还用于限定在安装时，弯管上游直管、弯管、弯管下游直管应预制连接，以保证将安装残余应力限制在弯管上游直管的上游和弯管下游直管的下游。

[0073] 在本实施例中，弹性敷设管沟曲率半径控制单元包括管沟限定模块和橡胶垫限定模块。管沟为埋地管道铺设前所开挖的沟槽，用于为管道铺设提供底部支撑。

[0074] 管沟限定模块用于限定管沟底部的曲率半径。具体的，管沟的底部中心圆弧线保持曲率半径不大于2500倍的管道外径。

[0075] 橡胶垫限定模块用于限定管沟低点处安装的宽底橡胶垫参数。具体的，对于下凸轮廓的弹性敷设，在管沟低点处安装宽底橡胶垫；宽底橡胶垫厚度不小于20mm，沿管道轴向长度不小于500mm，宽度不小于500mm；宽底橡胶垫嵌入原管沟土壤中，保证其下方土壤夯实，也用于通过橡胶垫与管沟较大的接触面，分散管道荷载，避免运行中低点下沉。

[0076] 进一步地，在低点投影上方，设置混凝土板，分散上部土壤和地面荷载对低点管沟稳定性的影响。管沟低点上部挡板为混凝土板，主要用于分散低点投影上方的土壤和地表荷载，避免低点下沉。

[0077] 在本实施例中，局部全柔性管道敷设控制单元包括高泄露后果区域划定模块以及π型管道限定模块。

[0078] 高泄露后果区域划定模块用于确定氢气管道泄漏影响较大地段。具体的，通过历史数据库中泄露造成的后果原因分析以及相关研究资料中涉及的泄露影响因素确定泄露后会造成影响的影响因子。通过统计，设置个影响因子的权重，对氢气管道路径的各地段进行影响因子的加权计算，计算结果与预设的阈值比较，确定泄露后果影响较大的地段。

[0079] 在泄漏影响较大地段采用间隔式埋地π型弯和直管组成的管道系统或蛇形管道敷设系统，以进一步降低管道系统刚度，保障管道安全。具体的，π型管道如图3和图4所示，为两种不同的形式，图3为二维的π型管道，图4为三维立体的排型管道。π型管道为热煨弯管和直管组成的“π”型管系，热煨弯管包括弯管上游直管1、弯管2和弯管下游直管3，直管为长直管道4，各热煨弯管之间通过长直管道连接。

[0080] π型管道限定模块用于限定π型管道的管道参数。具体的，热煨弯管曲率半径为7～8倍管道外径，直管段长度不小于5m，用于吸收π型弯上下游直管的热膨胀位移、管沟沉降位移等，降低管道挤压和拉伸破坏风险。长直管道4的长度通过管道运行温度和设计温度差值下的热膨胀推力除以0.75倍管道单位长度所受土壤摩擦力确定，以完全释放变形量。进一步地，直管段中存在转向弯管时，单侧直管段长度为原计算长度1/3。

[0081] 本实施例的方案基于埋地氢气管道综合应力组成，综合考虑氢气管道高压输送、低刚度管材的设计特点，以降低弯头集中应力、长直管段弹性敷设弯曲应力和在高泄漏后果地区进一步降低系统刚度，总体实现埋地氢气管道应力水平降低和低钢级钢管应力富裕量接近常规中高钢级管道的目标。

[0082] 应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。