埋地输氢管道在走滑断层作用下的失效分析
发布时间：2021-01-20 10:28
利用X80材料在高压氢环境下的慢应变速率拉伸试验数据,建立输氢管道的非线性材料模型,同时考虑土体材料非线性、管道几何变形非线性以及管土接触非线性等特征,利用ABAQUS模拟研究了埋地X80输氢管道在走滑断层下的力学响应,给出了管道的许用压缩应变值,讨论了断层位移量、输氢压力、断层角等参数对管道失效模式的影响,结果表明:输氢压力对管道的整体应变水平影响较小,管道应变主要由管土相对位移引起,内压引起的薄膜应变可忽略;断层角对管道失效模式具有显著的影响,当断层角小于75°时,管道易发生屈曲失效,当断层角大于75°时,管道易发生拉裂失效。
【文章来源】：压力容器. 2020,37(08)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
X80管线钢在高压氢环境下的应力-应变曲线
依据管道跨断层的理论分析[20]、模拟[8,21]和试验[22]研究，认为当管土长度为60倍的管径D时，可忽略管道长度对断层运动下管道变形的影响。本文取管土长度L=60D，土体宽度W=10D，土体高度T=5D，断层线左侧土层为固定端，右侧土层为移动端，断层线与管土上表面垂直，断层角φ=90°，依据管道设计经验，取管道埋地深度H=2D。考虑管道大变形以及管土边界接触非线性等特点，对管道与周围土体采用接触对方法模拟其相互作用，其中管土摩擦系数取0.3。管道采用四节点减缩壳单元(SR4)，土层采用八节点减缩实体单元(C3D8R)，在断层运动中心区域(L1=20D)进行网格细化，管道环向设80个网格，轴向尺寸设为40 mm。设置加载顺序为:(1)对整体模型施加重力载荷;(2)对管道施加压力载荷;(3)对土层施加位移载荷。经试算发现，该有限元模型可完整模拟出埋地管道屈曲失效过程。埋地输氢管道管土整体有限元模型如图2所示。
断层运动下管道轴向应变如图3所示。当断层位移较小时，管道轴向应变沿断层线近似呈对称分布，断层线左侧受到压缩作用，右侧受到拉伸作用。随着断层位移的增大，管道轴向压缩应变增幅较快，形成明显的应变集中，进而引发管道特定位置的屈曲失效，失效位置距断层线距离用Lc表示，屈曲失效发生时的临界断层位移用dc表示。管道轴向拉伸应变随着断层位移的增大在特定位置同样产生应变集中现象，当最大轴向拉伸应变值超过许用拉伸应变时，认为管道发生拉裂失效，失效位置距断层线距离用Lt表示，拉裂失效发生时的临界断层位移用dt表示。依据《Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe》[23]和《Guidelines for the Seismic Design and Assessment of Natural Gas and Liquid Hydrocarbon Pipelines》[24]等相关标准，取2%作为输氢管道的许用拉伸应变值。
【参考文献】：
期刊论文
[1]氢气管道与天然气管道的对比分析[J]. 刘自亮,熊思江,郑津洋,张银广,花争立,顾超华. 压力容器. 2020(02)
[2]中国氢能发展的思考[J]. 王赓,郑津洋,蒋利军,陈健,韩武林,陈霖新. 科技导报. 2017(22)
[3]穿越走滑断层埋地管道应变特性的试验研究[J]. 陈艳华,刘晓,王乐,葛楠,陈海彬,刘琳琳. 北京交通大学学报. 2017(04)
[4]输气管道在走滑断层作用下的屈曲有限元研究[J]. 全恺,周晴莎. 应用力学学报. 2017(04)
[5]ASME B31.12标准在国内氢气长输管道工程上的应用[J]. 张小强,蒋庆梅. 压力容器. 2015(11)
[6]氢气与天然气长输管道线路设计ASME标准对比分析[J]. 蒋庆梅,张小强. 压力容器. 2015(08)
[7]氢能知识系列讲座（4） 将氢气输送给用户[J]. 毛宗强. 太阳能. 2007(04)
本文编号：2988880
【文章来源】：压力容器. 2020,37(08)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
X80管线钢在高压氢环境下的应力-应变曲线
依据管道跨断层的理论分析[20]、模拟[8,21]和试验[22]研究，认为当管土长度为60倍的管径D时，可忽略管道长度对断层运动下管道变形的影响。本文取管土长度L=60D，土体宽度W=10D，土体高度T=5D，断层线左侧土层为固定端，右侧土层为移动端，断层线与管土上表面垂直，断层角φ=90°，依据管道设计经验，取管道埋地深度H=2D。考虑管道大变形以及管土边界接触非线性等特点，对管道与周围土体采用接触对方法模拟其相互作用，其中管土摩擦系数取0.3。管道采用四节点减缩壳单元(SR4)，土层采用八节点减缩实体单元(C3D8R)，在断层运动中心区域(L1=20D)进行网格细化，管道环向设80个网格，轴向尺寸设为40 mm。设置加载顺序为:(1)对整体模型施加重力载荷;(2)对管道施加压力载荷;(3)对土层施加位移载荷。经试算发现，该有限元模型可完整模拟出埋地管道屈曲失效过程。埋地输氢管道管土整体有限元模型如图2所示。
断层运动下管道轴向应变如图3所示。当断层位移较小时，管道轴向应变沿断层线近似呈对称分布，断层线左侧受到压缩作用，右侧受到拉伸作用。随着断层位移的增大，管道轴向压缩应变增幅较快，形成明显的应变集中，进而引发管道特定位置的屈曲失效，失效位置距断层线距离用Lc表示，屈曲失效发生时的临界断层位移用dc表示。管道轴向拉伸应变随着断层位移的增大在特定位置同样产生应变集中现象，当最大轴向拉伸应变值超过许用拉伸应变时，认为管道发生拉裂失效，失效位置距断层线距离用Lt表示，拉裂失效发生时的临界断层位移用dt表示。依据《Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe》[23]和《Guidelines for the Seismic Design and Assessment of Natural Gas and Liquid Hydrocarbon Pipelines》[24]等相关标准，取2%作为输氢管道的许用拉伸应变值。
【参考文献】：
期刊论文
[1]氢气管道与天然气管道的对比分析[J]. 刘自亮,熊思江,郑津洋,张银广,花争立,顾超华. 压力容器. 2020(02)
[2]中国氢能发展的思考[J]. 王赓,郑津洋,蒋利军,陈健,韩武林,陈霖新. 科技导报. 2017(22)
[3]穿越走滑断层埋地管道应变特性的试验研究[J]. 陈艳华,刘晓,王乐,葛楠,陈海彬,刘琳琳. 北京交通大学学报. 2017(04)
[4]输气管道在走滑断层作用下的屈曲有限元研究[J]. 全恺,周晴莎. 应用力学学报. 2017(04)
[5]ASME B31.12标准在国内氢气长输管道工程上的应用[J]. 张小强,蒋庆梅. 压力容器. 2015(11)
[6]氢气与天然气长输管道线路设计ASME标准对比分析[J]. 蒋庆梅,张小强. 压力容器. 2015(08)
[7]氢能知识系列讲座（4） 将氢气输送给用户[J]. 毛宗强. 太阳能. 2007(04)
本文编号：2988880
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