管道爆炸对同沟邻管的冲击效应及防爆墙抗爆性能

针对干线天然气管道物理爆破对同沟并行邻管的潜在危害,通过探讨任意拉格朗日-欧拉法（ALE）、光滑粒子流体动力学与有限单元耦合法（SPH-FEM）和爆腔内壁施加压力时程法（BC）开展管道爆炸模拟的可行性,优选SPH-FEM耦合法建立埋地并行输气管道爆炸耦合模型,通过分析不同起爆位置下炸药量对同沟并行邻管的冲击行为,提出降低并行管道风险的抗爆隔爆措施。研究结果表明：药包起爆位置对并行邻管的危害较大,迎爆点为动力响应的最热点;建立的防爆墙可有效削减并行管道的失效风险,防爆墙深度对管体的应力风险削减较大,对振速的屏蔽能力较弱;防爆墙材质强度越高,管体的风险水平越低。     

爆炸载荷对埋地输气管道的动力响应和极限载荷分析

定量分析临近管道爆破对埋地输气管道产生的动力响应有助于合理制定输气管道的安全保护措施。利用LS-DYNA 3D有限元程序,根据准静定理论计算爆腔半径,在爆腔内壁施加压力时程,建立了爆腔-岩土介质-输气管道动力相互作用模型,基于多种工况下的数值模拟分析,探讨了埋地输气管道动态响应过程中管道质点速度和动应力峰值分别和装药量、爆心距的关系,以两倍弹性斜率准则确定管道在特定工况下的极限载荷,进一步建立了装药量和施工安全距离的经验关系式,此式可以作为输气管道在近距离爆破施工条件下的破坏判据。该模型为埋地输气管道在第三方荷载作用下的风险评估提供了一个计算平台,对埋地输气管道的设计、施工和完整性管理具有一定的参考价值。     

埋地管道强夯动力响应对土体参数的敏感性分析

为了分析埋地输气管道动力响应对周围土壤主要土体参数的敏感性,建立了夯锤—土体—管道三维实体接触模型,并根据前人强夯试验实测值对模型进行了验证。利用所建模型分析了埋地输气管道在强夯荷载下的动力响应过程,研究了管道等效应力分布对周围土体黏聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比的响应规律,以及管道最大等效应力对以上土体参数的敏感性。结果表明:(1)强夯荷载作用下埋地输气管道发生了较大的位移振动,最大等效应力点位于管道前端XY平面管壁顶部,管道顶部单元等效应力呈单脉冲型;(2)管道等效应力随着周围土体黏聚力、内摩擦角的增大而减小;(3)最大等效应力随土体泊松比的增大而增大,而最小等效应力随土体泊松比的增大而减小;(4)当土体弹性模量为30 MPa时,管道最大等效应力略小于20 MPa时的最大等效应力,而最小等效应力远小于10 MPa时的最小等效应力,但等效应力总体随土体弹性模量的增大而增大。结论认为,土体弹性模量对管道最大等效应力影响最大,其次为内摩擦角和泊松比,黏聚力对其影响最小。     

埋地与架空输气管道泄漏数值模拟对比分析

针对目前输气管道泄漏研究考虑因素单一、可靠性较差的不足,在参考前人研究成果的基础上,利用计算流体力学仿真软件对5种情况下的天然气泄漏进行了数值模拟。分别得到了天然气泄漏后的速度、浓度、爆炸范围分布情况：①X方向（水平方向）埋地比架空速度稍大,都存在左偏的逆流区;持续泄漏速度比架空瞬间等值线向右偏移,左上和右下方存在两个速度较大区;Y方向（竖直方向）瞬时泄漏在左侧存在逆流区,持续泄漏等值线呈近椭圆分布,不存在逆流区;埋地管道泄漏0速度线向左偏移;增大孔隙度时,速度等值线左偏移。②气体浓度瞬时架空分布不规则,瞬时埋地呈圆形区域且在泄漏口有小范围高浓度区;持续泄漏高浓度区向右下偏移;持续埋地分布呈对称结构分布,存在左右两个高浓度区;修改孔隙度近地面无爆炸危险。③埋地管道泄漏爆炸范围大且影响时间长,爆炸范围高度呈指数增加,而后浓度随扩散而减低至爆炸下限外;架空管道在85 s前增加且高度比埋地高,85 s后降低;孔隙度越大其影响范围越小。     

基于SPH-FEM耦合算法的埋地输气管道近场爆炸冲击动力响应

利用ANSYS/LS-DYNA和LS-PREPOST前后处理模块,建立基于光滑粒子流体力学-有限单元法(SPH-FEM)耦合的土中爆炸模型。结果表明,土中爆炸波峰值压力随比例爆距的衰减规律与经验曲线基本一致,且瞬时爆腔尺寸也和相关经验描述吻合较好,从而验证了方法的可行性与准确性。针对X80大口径高压输气管线在土中近场爆炸的冲击响应过程,建立管-土-炸药耦合模型,分析起爆后不同时刻爆腔形状的演变过程(从球状到椭球状),得到不同时刻管体扰动(变形与受力)与土壤介质压缩形态的内在联系,详细描述管体迎爆面、背爆面测点的位移及应力特征,并反映最大冲击应力的截面分布情况及其在不同时刻的出现位置,最后,基于应变极限判断受冲击管道的失效情况。研究采用的耦合算法可为管道防爆研究提供新思路,对爆炸灾害下管体及周边结构的风险评估提供基于模拟分析的定量依据。     

基于频谱分析的地震带输气管道应力分析方法

地震是输气管道失效的重要原因之一,强烈的地壳运动带动土壤错动,载荷作用于输气管道上极易引起管道变形,而目前国内外对地震带输气管道的动态应力分析研究较少。为此,基于地震频谱分析方法,采用CAESAR II软件对XX地震带输气管道进行了动态应力分析,并校核了在强震作用下输气管道的位移、应力是否符合规范。结果表明:①轴向、横向、纵向及综合地震作用对输气管道的横向位移影响最大,且最大横向位移明显高于最大轴向及纵向位移;②地震作用下最大纵向位移和横向位移均产生在坡顶,设计时需重点对坡顶输气管道的位移量进行校核;③综合地震作用较任一单方向地震作用所产生的管道位移、应力更高,综合地震载荷对输气管道的破坏最大。据此提出建议:地震带输气管道设计过程中,可通过极限设计的方法提高输气管道的抗震能力且应重点对输气管道的横向位移进行监测,可通过改变管道敷设线路或减小土壤压实度的方法来控制输气管道的位移。     

埋地输气管道穿孔泄漏扩散浓度的数值模拟

基于有限容积法,建立输气管道泄漏扩散模型。以天然气管道为例分析了管道穿孔泄漏的原因,并进行数值模拟,得出了不同时刻模拟区域内天然气云团的扩散特性,给出了不同时刻爆炸浓度范围。结果表明：埋地天然气管道泄漏后,随着扩散时间的增加,近地面附近区域受气体危险浓度作用时间较长,影响程度较大。该成果为管道安全抢修提供理论指导,也说明应用数值方法模拟埋地燃气管道泄漏扩散规律是可行的。     

输气管道应力影响因素分析

长输管道沿线地形复杂多变,由于管道自重、内压、温度等因素,导致管道环向应力值、温度应力值等易超过管材的许用应力,发生管道的失效破坏,故研究输气管道在运行过程中的应力影响因素显得尤为重要。使用管道应力分析软件CAESAR II对不同管径的输气管道在不同压力、温度下的平均应力情况进行分析,得出结论：随着管径的增加,温度对管道应力的影响逐渐增大,压力对管道应力的影响逐渐减小。     

天然气长输管道地区等级升级管理与风险评价

为了有效管理和控制地区等级升级后所引起的输气管道风险变化,有必要依据管道完整性管理的基本原则,结合输气管道地区等级变化条件,制订相应的管理流程,建立风险评价模型,并提出风险管控原则。为此,首先结合地区等级划分标准识别高后果区,分类管理地区等级升级后的管段。然后,评价地区等级升级后管段的风险水平:①引入模糊语言与其量化值修正EGIG统计的失效概率,得到适用于特定管段的总失效概率;②按最严重事故后果选取蒸气云爆炸模型进行计算,依据泄漏50%致死率估算出死亡人数作为后果等级评价标准;③依据失效概率与失效后果,利用风险矩阵评定风险等级。最后引入风险可接受准则,分析管道泄漏的个人风险与社会风险,判定管道地区等级升级后的风险可接受性。案例分析结果表明:①地区等级升级后天然气长输管道风险也随之增大;②对于升级后风险增大的管段,需根据风险管控原则决定是否采取安全措施。     

地震载荷作用下埋地输气管道的数值模拟

为了弄清埋地输气管道在地震载荷作用下的动态失效过程,首先对X80管线钢进行了力学性能测试,获得了弹塑性材料线性强化的本构模型参数。然后基于非线性动力学理论、有限元算法和ANSYS有限元商业软件,建立了土-埋地输气管道在动力接触条件下的相互作用模型。载荷采用加速度时程的方法输入天津波,震级为7级,获得了不同壁厚条件下输气管道的动态应力应变响应和带缺陷管道的动态应力强度因子的时程曲线。由X80管线钢的临界应力强度因子,得出了管道极限承载条件下壁厚的下限值以及施加的加速度最大值。提供的方法和数据对埋地输气管道破坏的预防以及管道的抗震设计、施工具有一定的参考价值。