基于多相耦合的含缺陷埋地管道外爆破坏影响因素研究
发布时间：2021-04-18 23:48
含缺陷埋地管道受到外爆载荷作用时缺陷处可能会发生贯穿,并进一步引起管道大面积破坏。考虑含缺陷管道与管内流体的流固耦合作用、土体与管道间的接触作用,建立了土体-含缺陷管道-流体的外爆多相耦合模型。基于损伤积累的破坏准则,计算管道缺陷处在外爆载荷作用下的损伤积累比率,分析了管道破坏的损伤积累过程。通过对比不同缺陷深度、形状,探讨缺陷结构对管道破坏的影响;并通过改变炸药量、爆心距,探讨外爆载荷对管道破坏的影响。结果表明:缺陷损伤在壁厚方向外侧大于内侧,二者之间的差值随时间推移而减小,最终二者损伤达到极限使管道破坏。损伤值随缺陷深度的增加而增大,圆形缺陷要比菱形和椭圆形对爆炸波抵抗能力强80%;管道损伤速度随炸药量增加而增大,1 m爆心距比3 m的损伤值高出2 140%,管道破坏对爆心距的敏感度高于炸药量。研究成果可为工程爆破施工和预防含缺陷管道的外爆破坏提供参考。
【文章来源】：压力容器. 2020,37(04)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
含缺陷埋地管道外爆多相耦合动力学模型
管土之间采用接触描述，将管道与土体轴向摩擦系数视为无穷大，即土体表面与管道外表面之间没有切向滑动位移，同时管土界面法向接触采用罚函数[20]的方式进行计算;管内流体与管道内壁的相互作用采用流固耦合算法[21]，模型整体的多相耦合作用如图2所示。爆炸波冲击土体使土体向管道面运动，管道与土体之间会产生一个接触力FN，土体接触面穿透管道目标面时产生一段穿透距离xp，而罚函数算法会在接触面与目标面节点之间加上一个弹簧，该弹簧具有罚刚度kN，此时接触力FN可表示为:
对于管道结构，在前5 ms仅有管内流体作用，从第5 ms起爆炸波开始在土中传播，第6.75 ms时爆炸波刚刚传播到管道缺陷处，第10 ms时爆炸波已穿过整个管道截面，计算总时间为15 ms，其中爆炸波的传播时间共计10 ms。爆炸波的传播过程与相应时间管道缺陷处的损伤积累比率见图3。由图3(a)可以看出，第5 ms时炸药爆炸，爆炸波压迫土体使之变形形成凹坑，但爆炸波未传播到管道表面。此时管道仅受流体压力作用，管道整体的损伤集中在缺陷处。缺陷处的损伤集中在尖端，最大值为0.049，说明损伤很小。图3(b)所示第6.75 ms时，土体的凹坑变大，爆炸波此时经过土体刚刚到达管道表面，管道迎爆面由于受到爆炸波的压力，且与流体压力方向相反，损伤分布表现出了中间大、两边小的趋势。缺陷处A点处于正中心，此处的损伤值最大，达到了0.83。图3(c)所示第10 ms时，土体凹坑变得更大，爆炸波前缘经过管道整个截面，管道缺陷位置处的土体向下挤压管道，此时管道已被挤压出一个凹坑，凹坑处的损伤值大于其他部位。缺陷处出现了大面积的损伤，A点处损伤值仍然最大，达到了0.92。图3(d)所示第15 ms时，爆炸波穿越了整个土体，管道的迎爆面变形达到最大，此时缺陷处损伤加剧，A点处损伤积累比率达到1，单元被删除，管道被破坏。
【参考文献】：
期刊论文
[1]长输管线球阀密封机理失效原因分析及对策[J]. 陶国庆,宋忠荣,刘建峰,章茂森,张绍华,胡军. 流体机械. 2019(09)
[2]埋地管道近场外爆载荷计算与管道响应研究[J]. 丁宇奇,周辉宇,戴子威,李为卫,马秋荣. 压力容器. 2018(12)
[3]基于SPH-FEM耦合法的含缺陷输气管道爆炸冲击响应研究[J]. 田晓建,姚安林,徐涛龙,蒋宏业,李又绿. 中国安全生产科学技术. 2018(09)
[4]悬跨海底管道绕流三维特性的大涡数值模拟研究[J]. 许明,陈学东,王冰,关卫和,范志超,董杰. 流体机械. 2018(05)
[5]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[J]. 梁博,蒋宏业,徐涛龙,姚安林,文霞. 石油学报. 2017(11)
[6]复杂载荷作用下埋地管道的应力应变分析[J]. 李晓丽,李廷辉,李满利,张浩. 压力容器. 2017(07)
[7]中俄东线OD 1422 mm埋地管道的断裂控制设计[J]. 张振永,张文伟,周亚薇,薄国公,邹宇. 油气储运. 2017(09)
[8]爆炸冲击下埋地管线动力响应研究综述[J]. 张帆,景政,徐国富. 山西建筑. 2017(14)
[9]X90超高强度输气钢管材料本构关系及断裂准则[J]. 杨锋平,罗金恒,李鹤,郭亚洲,冯健. 石油学报. 2017(01)
[10]我国高压长输天然气管道的断裂控制[J]. 吉玲康,霍春勇,李鹤. 石油管材与仪器. 2016(06)
博士论文
[1]可燃气体管道爆炸动态断裂行为与后果评估方法研究[D]. 杜洋.浙江大学 2017
硕士论文
[1]地震作用下埋地供水管道土—管—水耦合动力学模型研究[D]. 庞常.西南交通大学 2017
[2]油气管道爆炸数值模拟研究[D]. 陈良路.中国石油大学(华东) 2017
[3]不锈钢圆柱壳在爆炸载荷作用下的动态断裂行为与失效评定研究[D]. 辛健.浙江大学 2013
本文编号：3146402
【文章来源】：压力容器. 2020,37(04)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
含缺陷埋地管道外爆多相耦合动力学模型
管土之间采用接触描述，将管道与土体轴向摩擦系数视为无穷大，即土体表面与管道外表面之间没有切向滑动位移，同时管土界面法向接触采用罚函数[20]的方式进行计算;管内流体与管道内壁的相互作用采用流固耦合算法[21]，模型整体的多相耦合作用如图2所示。爆炸波冲击土体使土体向管道面运动，管道与土体之间会产生一个接触力FN，土体接触面穿透管道目标面时产生一段穿透距离xp，而罚函数算法会在接触面与目标面节点之间加上一个弹簧，该弹簧具有罚刚度kN，此时接触力FN可表示为:
对于管道结构，在前5 ms仅有管内流体作用，从第5 ms起爆炸波开始在土中传播，第6.75 ms时爆炸波刚刚传播到管道缺陷处，第10 ms时爆炸波已穿过整个管道截面，计算总时间为15 ms，其中爆炸波的传播时间共计10 ms。爆炸波的传播过程与相应时间管道缺陷处的损伤积累比率见图3。由图3(a)可以看出，第5 ms时炸药爆炸，爆炸波压迫土体使之变形形成凹坑，但爆炸波未传播到管道表面。此时管道仅受流体压力作用，管道整体的损伤集中在缺陷处。缺陷处的损伤集中在尖端，最大值为0.049，说明损伤很小。图3(b)所示第6.75 ms时，土体的凹坑变大，爆炸波此时经过土体刚刚到达管道表面，管道迎爆面由于受到爆炸波的压力，且与流体压力方向相反，损伤分布表现出了中间大、两边小的趋势。缺陷处A点处于正中心，此处的损伤值最大，达到了0.83。图3(c)所示第10 ms时，土体凹坑变得更大，爆炸波前缘经过管道整个截面，管道缺陷位置处的土体向下挤压管道，此时管道已被挤压出一个凹坑，凹坑处的损伤值大于其他部位。缺陷处出现了大面积的损伤，A点处损伤值仍然最大，达到了0.92。图3(d)所示第15 ms时，爆炸波穿越了整个土体，管道的迎爆面变形达到最大，此时缺陷处损伤加剧，A点处损伤积累比率达到1，单元被删除，管道被破坏。
【参考文献】：
期刊论文
[1]长输管线球阀密封机理失效原因分析及对策[J]. 陶国庆,宋忠荣,刘建峰,章茂森,张绍华,胡军. 流体机械. 2019(09)
[2]埋地管道近场外爆载荷计算与管道响应研究[J]. 丁宇奇,周辉宇,戴子威,李为卫,马秋荣. 压力容器. 2018(12)
[3]基于SPH-FEM耦合法的含缺陷输气管道爆炸冲击响应研究[J]. 田晓建,姚安林,徐涛龙,蒋宏业,李又绿. 中国安全生产科学技术. 2018(09)
[4]悬跨海底管道绕流三维特性的大涡数值模拟研究[J]. 许明,陈学东,王冰,关卫和,范志超,董杰. 流体机械. 2018(05)
[5]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[J]. 梁博,蒋宏业,徐涛龙,姚安林,文霞. 石油学报. 2017(11)
[6]复杂载荷作用下埋地管道的应力应变分析[J]. 李晓丽,李廷辉,李满利,张浩. 压力容器. 2017(07)
[7]中俄东线OD 1422 mm埋地管道的断裂控制设计[J]. 张振永,张文伟,周亚薇,薄国公,邹宇. 油气储运. 2017(09)
[8]爆炸冲击下埋地管线动力响应研究综述[J]. 张帆,景政,徐国富. 山西建筑. 2017(14)
[9]X90超高强度输气钢管材料本构关系及断裂准则[J]. 杨锋平,罗金恒,李鹤,郭亚洲,冯健. 石油学报. 2017(01)
[10]我国高压长输天然气管道的断裂控制[J]. 吉玲康,霍春勇,李鹤. 石油管材与仪器. 2016(06)
博士论文
[1]可燃气体管道爆炸动态断裂行为与后果评估方法研究[D]. 杜洋.浙江大学 2017
硕士论文
[1]地震作用下埋地供水管道土—管—水耦合动力学模型研究[D]. 庞常.西南交通大学 2017
[2]油气管道爆炸数值模拟研究[D]. 陈良路.中国石油大学(华东) 2017
[3]不锈钢圆柱壳在爆炸载荷作用下的动态断裂行为与失效评定研究[D]. 辛健.浙江大学 2013
本文编号：3146402
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