输气管道第三方挖掘施工破坏有限元仿真研究
发布时间：2021-09-05 22:19
管道是天然气运输的核心基础设施,且天然气具有易燃、易爆的固有属性,输气管道一旦受到损伤,不仅会造成管道设备的物料损失,如果由此导致天然气泄漏还可能引发严重的火灾、爆炸事故。确保管道不受第三方破坏,维护其本体的安全性,已经成为确保天然气平稳运输的关键环节。在我国,由埋地管道周边挖掘施工导致的管道破损已经成为危害管道运输安全的主要危险因素。本文分别采用ANSYS Mechanical（APDL）和ANSYS AUTODYN有限元分析软件,对挖掘机压载、挖掘荷载损伤埋地输气管道进行三维建模,对损伤过程进行仿真并分析其动力响应情况。研究内容及取得的成果如下:（1）根据埋地输气管道的受力情况,将外界荷载分为的碾压荷载和挖掘荷载,同时分析管道的力学特征与失效条件,作为管道受力损伤有限元仿真的研究基础。（2）建立碾压荷载作用下与挖掘荷载作用下的输气管道有限元模型并进行模拟。结果表明,碾压荷载导致的管道损伤较小,挖掘荷载导致的管道损伤较大。同时鉴于复杂的挖掘作业工况,对不同挖掘角度、方向等因素下的管道损伤进行综合分析。（3）以相关规范为参考,选择挖掘荷载大小、管道壁厚、管道接触斗齿数、输气压力与覆土厚...
【文章来源】：浙江海洋大学浙江省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
输气管道在挖掘作用下被破坏的照片
输气管道第三方挖掘施工破坏有限元仿真研究-8-第二章挖掘施工环境下输气管道受力分析通过查阅国内外文献，确定埋地输气管道的力学特征与失效准则。同时对实际工况下挖掘机的荷载进行分析，确定其荷载的施加方式，并结合已有研究成果，对挖掘机的压载与挖掘力进行分析，为挖掘机碾压荷载与挖掘荷载作用下的输气管道有限元模型的建立提供理论与技术基矗2.1输气管道力学特征分析输气管道在第三方挖掘施工的环境下，所受到的外部载荷分为静载荷与动载荷，静载荷主要来自于输气管道本身的内压与覆土的压力，覆土的压力可分为土体本身的压力与通过土壤介质进行传播的挖掘机压载，动载荷即来自于挖掘机的挖斗冲击。通过对输气管道承受外部载荷的表现研究，如图2-1所示，在受到来自上方的荷载作用后，管体发生明显的下沉变形，同时水平两侧由于受到挤压向外突出，根据作用力与反作用力的定义，管道周围土体会给予管道一个径向上的反作用力。图2-1管道受力分析Fig2.1Forceanalysisofpipeline（1）管道变形输气管道通常采用的都是强度较高的钢制管道，具有较为优秀的抗荷载能力。当受到来自外部荷载的作用时，管道会发生少量形变。同时由于管道两侧土壤的存在，管道还会受到来自土体的弹性抗力。当进行管道的竖向变形的计算时，由于外界荷载大小远大于土壤抗力，因此往往对管道的力学模型进行简化，将管道与周围的土壤分隔进行计算，即只计算平均分布在管道顶部的外界荷载，不考虑来自周围土壤弹性抗力的作用。同时假设来自管道底
输气管道第三方挖掘施工破坏有限元仿真研究-12-（2）挖掘机的挖掘荷载相比较挖掘机的碾压荷载，挖掘机的挖掘荷载对管道的冲击影响更为明显，也往往带来更严重、更直接的损伤。根据统计，单斗反铲液压挖掘机是在工程中应用最为广泛、最为频繁的机型，同时，现阶段所发生的管道挖掘施工破坏事故中，单斗反铲液压挖掘机占比最大。因此，本文选择单斗反铲液压挖掘机作为研究对象。单斗反铲液压挖掘机主要是由挖掘机体和工作装置两个部分组成，其机体是进行挖掘作业的基础，又可以分为上下机体两部分。上车机体部分包括回转机构、动力系统、电气系统、气压系统和液压系统等，下车机体部分则是控制挖掘机行动的部分。为了对挖掘荷载对管道的损伤进行仿真模拟，则需要计算单斗反铲液压挖掘机的挖掘力。液压挖掘机的常用工作方式有斗杆挖掘、铲斗挖掘与复合挖掘三种，本文分别对斗杆挖掘与铲斗挖掘的理论挖掘力进行计算，由于还没有准确的复合挖掘力的计算方法，因此不对复合挖掘方式进行研究[30]。挖掘机的工作装置结构如图2-1所示，当挖掘机采用斗杆挖掘进行挖掘工作时，挖掘机的铲斗油缸关闭，斗杆油缸驱动挖斗进行挖掘动作，此时斗齿的运动轨迹是以连接点A为转动中心的一条圆唬图2-1挖掘机工作装置结构图Fig2.1Workingdevicestructureofexcavator斗杆挖掘方式时的理论挖掘力计算：1=2×2×1+2×2+3×3AG(2-13)式（2-13）中：AG—A到挖斗齿尖G的距离，m；2—斗杆油缸工作压力，Pa；
【参考文献】：
期刊论文
[1]车辆载荷作用下大口径埋地钢管力学性状分析[J]. 陈曼,伏喜斌,黄启斌,刘峰,唐长明,黄学斌,钟舜聪. 油气田地面工程. 2020(03)
[2]基于事故树-层次分析法的集输管道失效风险研究[J]. 焦凯,刘勇,伍嘉亨,杨婧,张小芳,梁昌晶. 石油工程建设. 2020(01)
[3]长输管道完整性管理效能评价方法研究[J]. 王伟,么秋菊,冯亚辉. 能源与环保. 2019(10)
[4]多工况下地下管道结构疲劳可靠度分析[J]. 刘凯,汪明,杨桂玲,于海臣. 安全与环境工程. 2019(04)
[5]高压燃气管道第三方破坏事故分析与预防[J]. 周小军. 上海煤气. 2018(06)
[6]覆土阻力对挖掘机损伤输气管道的动力响应研究[J]. 高旭,姚安林,徐涛龙,付邦稳,周立国. 中国安全生产科学技术. 2018(11)
[7]挖掘荷载作用下埋地输气管道结构可靠性分析[J]. 高旭,姚安林,徐涛龙,文霞,付邦稳,钱启蒙. 煤气与热力. 2018(11)
[8]城市燃气管道地质灾害易损性评价[J]. 房庆磊,翁扬煌,贾绪平. 中国石油和化工标准与质量. 2017(10)
[9]基于M-C与D-P屈服准则及局部强度折减法的边坡稳定性分析[J]. 廖敏,魏海,吴建森,王新,陶开云. 价值工程. 2017(13)
[10]挖掘载荷作用下埋地RTP管道的有限元分析[J]. 程梦鹏,甘丽华,唐继蔚,刘畅. 天然气与石油. 2016(04)
博士论文
[1]油气管道第三方破坏风险定量评估与决策方法研究[D]. 郭晓燕.中国石油大学(北京) 2018
[2]长呼复线管道第三方破坏安全评价及风险防控研究[D]. 杨建功.西南石油大学 2016
[3]反铲液压挖掘机挖掘性能实验及理论研究[D]. 任志贵.重庆大学 2014
[4]机械冲击荷载对邻近埋地管道的影响及控制研究[D]. 佘艳华.中国工程物理研究院 2012
[5]国产X80管线钢焊接技术研究[D]. 隋永莉.天津大学 2008
硕士论文
[1]河南省天然气输送管道安全管理及对策研究[D]. 李浩然.郑州大学 2018
[2]输气管道灾害情景构建与事故后果分析[D]. 鲍庆军.中国石油大学(北京) 2018
[3]挖掘荷载作用埋地输气管道动力响应分析[D]. 高旭.西南石油大学 2018
[4]LNG气化站关键设备与管道应力分析[D]. 李晓婷.西南石油大学 2017
[5]城镇燃气PE管道第三方挖掘施工损伤风险评价技术研究[D]. 周立国.西南石油大学 2017
[6]天然气不同运输方式的经济性分析[D]. 万方敏.华南理工大学 2015
[7]高压输气管道泄漏危险性分析及后果模拟[D]. 罗欢.西南石油大学 2015
[8]液压挖掘机工作装置的动力学分析与仿真[D]. 孙克义.兰州理工大学 2014
[9]西部输气管道风险评价技术研究[D]. 韩丽艳.东北石油大学 2014
[10]大口径高等级钢埋地管道截面稳定性研究[D]. 李明哲.西南石油大学 2014
本文编号：3386188
【文章来源】：浙江海洋大学浙江省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
输气管道在挖掘作用下被破坏的照片
输气管道第三方挖掘施工破坏有限元仿真研究-8-第二章挖掘施工环境下输气管道受力分析通过查阅国内外文献，确定埋地输气管道的力学特征与失效准则。同时对实际工况下挖掘机的荷载进行分析，确定其荷载的施加方式，并结合已有研究成果，对挖掘机的压载与挖掘力进行分析，为挖掘机碾压荷载与挖掘荷载作用下的输气管道有限元模型的建立提供理论与技术基矗2.1输气管道力学特征分析输气管道在第三方挖掘施工的环境下，所受到的外部载荷分为静载荷与动载荷，静载荷主要来自于输气管道本身的内压与覆土的压力，覆土的压力可分为土体本身的压力与通过土壤介质进行传播的挖掘机压载，动载荷即来自于挖掘机的挖斗冲击。通过对输气管道承受外部载荷的表现研究，如图2-1所示，在受到来自上方的荷载作用后，管体发生明显的下沉变形，同时水平两侧由于受到挤压向外突出，根据作用力与反作用力的定义，管道周围土体会给予管道一个径向上的反作用力。图2-1管道受力分析Fig2.1Forceanalysisofpipeline（1）管道变形输气管道通常采用的都是强度较高的钢制管道，具有较为优秀的抗荷载能力。当受到来自外部荷载的作用时，管道会发生少量形变。同时由于管道两侧土壤的存在，管道还会受到来自土体的弹性抗力。当进行管道的竖向变形的计算时，由于外界荷载大小远大于土壤抗力，因此往往对管道的力学模型进行简化，将管道与周围的土壤分隔进行计算，即只计算平均分布在管道顶部的外界荷载，不考虑来自周围土壤弹性抗力的作用。同时假设来自管道底
输气管道第三方挖掘施工破坏有限元仿真研究-12-（2）挖掘机的挖掘荷载相比较挖掘机的碾压荷载，挖掘机的挖掘荷载对管道的冲击影响更为明显，也往往带来更严重、更直接的损伤。根据统计，单斗反铲液压挖掘机是在工程中应用最为广泛、最为频繁的机型，同时，现阶段所发生的管道挖掘施工破坏事故中，单斗反铲液压挖掘机占比最大。因此，本文选择单斗反铲液压挖掘机作为研究对象。单斗反铲液压挖掘机主要是由挖掘机体和工作装置两个部分组成，其机体是进行挖掘作业的基础，又可以分为上下机体两部分。上车机体部分包括回转机构、动力系统、电气系统、气压系统和液压系统等，下车机体部分则是控制挖掘机行动的部分。为了对挖掘荷载对管道的损伤进行仿真模拟，则需要计算单斗反铲液压挖掘机的挖掘力。液压挖掘机的常用工作方式有斗杆挖掘、铲斗挖掘与复合挖掘三种，本文分别对斗杆挖掘与铲斗挖掘的理论挖掘力进行计算，由于还没有准确的复合挖掘力的计算方法，因此不对复合挖掘方式进行研究[30]。挖掘机的工作装置结构如图2-1所示，当挖掘机采用斗杆挖掘进行挖掘工作时，挖掘机的铲斗油缸关闭，斗杆油缸驱动挖斗进行挖掘动作，此时斗齿的运动轨迹是以连接点A为转动中心的一条圆唬图2-1挖掘机工作装置结构图Fig2.1Workingdevicestructureofexcavator斗杆挖掘方式时的理论挖掘力计算：1=2×2×1+2×2+3×3AG(2-13)式（2-13）中：AG—A到挖斗齿尖G的距离，m；2—斗杆油缸工作压力，Pa；
【参考文献】：
期刊论文
[1]车辆载荷作用下大口径埋地钢管力学性状分析[J]. 陈曼,伏喜斌,黄启斌,刘峰,唐长明,黄学斌,钟舜聪. 油气田地面工程. 2020(03)
[2]基于事故树-层次分析法的集输管道失效风险研究[J]. 焦凯,刘勇,伍嘉亨,杨婧,张小芳,梁昌晶. 石油工程建设. 2020(01)
[3]长输管道完整性管理效能评价方法研究[J]. 王伟,么秋菊,冯亚辉. 能源与环保. 2019(10)
[4]多工况下地下管道结构疲劳可靠度分析[J]. 刘凯,汪明,杨桂玲,于海臣. 安全与环境工程. 2019(04)
[5]高压燃气管道第三方破坏事故分析与预防[J]. 周小军. 上海煤气. 2018(06)
[6]覆土阻力对挖掘机损伤输气管道的动力响应研究[J]. 高旭,姚安林,徐涛龙,付邦稳,周立国. 中国安全生产科学技术. 2018(11)
[7]挖掘荷载作用下埋地输气管道结构可靠性分析[J]. 高旭,姚安林,徐涛龙,文霞,付邦稳,钱启蒙. 煤气与热力. 2018(11)
[8]城市燃气管道地质灾害易损性评价[J]. 房庆磊,翁扬煌,贾绪平. 中国石油和化工标准与质量. 2017(10)
[9]基于M-C与D-P屈服准则及局部强度折减法的边坡稳定性分析[J]. 廖敏,魏海,吴建森,王新,陶开云. 价值工程. 2017(13)
[10]挖掘载荷作用下埋地RTP管道的有限元分析[J]. 程梦鹏,甘丽华,唐继蔚,刘畅. 天然气与石油. 2016(04)
博士论文
[1]油气管道第三方破坏风险定量评估与决策方法研究[D]. 郭晓燕.中国石油大学(北京) 2018
[2]长呼复线管道第三方破坏安全评价及风险防控研究[D]. 杨建功.西南石油大学 2016
[3]反铲液压挖掘机挖掘性能实验及理论研究[D]. 任志贵.重庆大学 2014
[4]机械冲击荷载对邻近埋地管道的影响及控制研究[D]. 佘艳华.中国工程物理研究院 2012
[5]国产X80管线钢焊接技术研究[D]. 隋永莉.天津大学 2008
硕士论文
[1]河南省天然气输送管道安全管理及对策研究[D]. 李浩然.郑州大学 2018
[2]输气管道灾害情景构建与事故后果分析[D]. 鲍庆军.中国石油大学(北京) 2018
[3]挖掘荷载作用埋地输气管道动力响应分析[D]. 高旭.西南石油大学 2018
[4]LNG气化站关键设备与管道应力分析[D]. 李晓婷.西南石油大学 2017
[5]城镇燃气PE管道第三方挖掘施工损伤风险评价技术研究[D]. 周立国.西南石油大学 2017
[6]天然气不同运输方式的经济性分析[D]. 万方敏.华南理工大学 2015
[7]高压输气管道泄漏危险性分析及后果模拟[D]. 罗欢.西南石油大学 2015
[8]液压挖掘机工作装置的动力学分析与仿真[D]. 孙克义.兰州理工大学 2014
[9]西部输气管道风险评价技术研究[D]. 韩丽艳.东北石油大学 2014
[10]大口径高等级钢埋地管道截面稳定性研究[D]. 李明哲.西南石油大学 2014
本文编号：3386188
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