加载条件下多尺寸原水管道受力特征模型试验

为解决在施工过程中管线附近超载导致的爆管问题,分析堆载对不同管径原水管线受力变形的影响,基于模型试验研究管道的受力变形特征,并通过数值模拟计算对试验结果进行论证。结果表明:有限元计算结果与试验结果较吻合,管底整体应力值大于管腰处;在相同荷载作用下,随着管道直径的不断增大,管道所受的应力值越来越小;当荷载距离管轴线较远时,管道整体应力值变小;对比发现,随着加载值逐渐增大、管径逐渐变小,管体轴向应力值逐渐增大,且应力值增长速度较快。这主要是因为小管径的管道长细比较大,在土体中受约束较强,其所受到的应力值较大,容易产生破坏,实际施工时需要注意此类问题。     

考虑非均匀地基原水管道受力特征模型试验研究

为了解决上海市长江引水三期非均匀地基区间管道爆管问题,采用缩尺试验研究非均匀地基条件下原水管道受力变形特征,针对非均匀地基的密实度和长度进行逐级划分,并设计不同的试验工况研究管道的受力特征。结果表明:管道下方非均匀地基的密实度对管道所受应力有较大影响,即密实度越高,应力值越低,管底处的应力受密实度和非均匀地基长度的影响最大。非均匀地基区域边缘处截面应力与管道中央截面应力相比,非均匀地基长度为1D时,截面Ⅰ上测点的应力值与截面Ⅱ的应力值大小相近,而在1.5D和2D长度条件下,呈现出截面Ⅰ的应力值高于截面Ⅱ的规律。研究成果对非均匀地基区域的原水管道运营维护具有重要的指导作用。     

交通荷载作用下埋地含缺陷PE管道力学行为研究

为分析埋地含缺陷PE管道在交通荷载作用下的力学行为，选用Prony级数模拟管道，并采用ABAQUS有限元软件建立不同缺陷PE80管道模型和不同埋深的管土模型。通过对管道轴向与环向应力的研究，确定不同条件下管道的应力大小与分布。结果表明:当管道存在缺陷时，缺陷处会出现应力突变；不同位置的缺陷对管道的应力分布影响不同；缺陷相对深度改变会使缺陷处应力变化明显，通过建立多元回归方程得出对缺陷管道最大Von Mises应力影响程度为，缺陷相对深度（Q）>管道埋深（H）>车辆荷载（P）。     

X80天然气管道在役焊接应力分析与调控

为了探究X80天然气管道在役焊接的应力分布和变化规律，在考虑天然气介质的作用下，采用有限元方法模拟了X80天然气管道在役焊接应力场分布规律，分析了天然气工况参数和环境温度对X80天然气管道在役焊接应力的影响，并根据应力变化规律提出了降低X80天然气管道在役焊接应力的措施。研究结果表明:X80天然气管道轴向焊接应力和环向应力主要呈对称分布形式，且管道外壁的应力大于管道内壁上的应力；随着天然气压力和流速逐渐增大，轴向应力先增加后降低，而环向应力逐渐增大；当环境温度增大后，管道轴向和环向应力均呈下降趋势；降低天然气压力和流速、采用焊前预热能够有效降低焊接应力。研究结果可为我国X80天然气管道在役焊接安全提供参考。     

埋地PE燃气管道弯头挖掘破坏有限元分析

为分析挖掘载荷对PE燃气管道弯头的失效特征及影响因素，利用Abaqus建立了挖掘斗齿 管道弯头 土体多体动力学模型，将管道破坏过程分为接触、屈服、挖裂和挖穿4个阶段，分析了不同挖掘条件下，弯头破坏的力学响应。研究结果表明:管道被挖裂之前，外侧应力、应变大于内侧，此后弯头形变量明显增加，内测应力、应变大于外侧；挖掘速度越慢，管道椭圆度越大；斗齿沿轴向挖掘时，变形从齿 管接触面两端产生，沿径向挖掘时，危险点出现在齿 管接触中心位置，后者变形更大；同样径厚比的弯头，管径越小，挖穿时形变越大。     

软土沉降位移作用下大口径管道轴向应力状态研究*

为准确掌握大口径管道的轴向应力应变状态,保障管道的安全运行,通过假定4类不同形式的软土沉降位移,研究不同沉降形式对管道轴向应力状态的影响。采用非线性有限元方法建立管道轴向应力应变参数化数值计算模型,开展影响因素分析。结果表明:针对软土沉降位移作用下1 422 mm X80大口径管道,沉降量相同时,突变型位移载荷作用下管道受到的轴向应力最大,最大轴向应力位于两侧非沉降区距管道中心约53 m处;软土沉降量达到工程实际中可能的最大值1 m时,大口径X80管道内轴向应力小于0.9倍管材屈服强度,管道环焊缝可以采用基于应力的工程适用性评估方法开展ECA(Engineering Critical Assessment)评价。     

挖掘荷载冲击下输气管道动力响应分析

为了对挖掘荷载冲击下输气管道的动力响应情况与影响因素进行分析,利用ANSYS AUTODYN有限元软件对挖掘荷载冲击管道的过程进行数值模拟,根据仿真结果分析不同挖掘环境下管道的受损程度。研究结果表明:当受到挖掘荷载的作用时,管道的应力分布成对称状,在荷载作用位置单元处,有效应力达到最大值,且挖掘荷载大小与斗齿数对管道受损程度的影响较为明显。     

不同应力比的循环荷载下砂岩变形损伤特性研究*

为探究循环荷载下砂岩试件的变形损伤特性,开展3种不同幅值下的循环加卸载试验,分析应力比对砂岩变形损伤与能量耗散特性的影响规律。结果表明:应力比越大,相邻加载段应变差越大,部分高应力下不可恢复的变形在低应力时有所恢复;当应力比为0.50和0.67时,各循环泊松比相差不大,介于0.231~0.247之间,而当应力比为0.88时,泊松比随循环数有增加趋势;应力比越大耗散能占比越大,试件吸收并转化为用于自身损伤的能量越大。高应力循环荷载下试件损伤逐渐积累,在衡量试件损伤变化时采用的耗散能只考虑了轴向残余应变与应力,忽略了径向变形的影响。     

埋地热油管道泄漏裂纹开裂的应力研究

研究了导致埋地热油管道泄漏裂纹开裂的应力机制,采用有限元方法对埋地热油管道进行模拟计算,求得热-结构耦合作用下管道整体当量应力变化云图,并得出管道弯管处应力高于直管段应力的结论;继而采用电阻应变测试法对埋地热油管道的弯管处进行实时应力测定,并绘制了各测点的轴向和周向应力变化曲线,通过各测点应力比较得出弯管内侧有两点应力波动幅值偏大,弯管外侧4号测点处轴向应力超过管材的屈服点。结果表明:在结构-热应力耦合作用下,埋地热油管道在弯管外侧轴向应力最大,易有I型裂纹萌生并扩展,在弯管内侧易有疲劳裂纹萌生并扩展。     

地面爆炸载荷下埋地管道动力响应分析

为研究地面爆炸载荷作用下埋地管道的动力响应问题,建立了爆炸载荷下的埋地管道数值计算模型,对地面爆炸后埋地管道的应力、变形过程进行了仿真,并研究了炸药量、管道壁厚和管顶覆土厚度对管道应力应变的影响规律。结果表明:地面爆炸发生后,管道应力和变形在短时间内迅速增大,较短作用时间后开始稳定,随后主要往轴向扩展,高应力区和塑性应变区出现在管道上半部分,管道回弹前高应力区局部出现应力衰减;越靠近迎爆点,管道应力波动越大;炸药量越大、管顶覆土厚度越小,埋地管道截面的应力波动越大;炸药量越大、管道壁厚和管顶覆土厚度越小,埋地管道变形越大。     

加载条件下不同埋深原水管道受力特征模型试验*

为探究不同埋置深度对原水管道影响,利用缩尺模型对不同埋深条件下原水管道受力特征进行分析,综合研究管道外径、管道埋深、加载值和加载方式等因素对管道受力影响。结果表明:中心加载条件下,随管道埋深增加,管道应力呈先增大后减小趋势,当埋深厚度与管径比值为3时,管道应力达到最大,土拱效应开始显现;偏心加载条件下,埋深厚度增大使管道应力不断增加,但后期管道应力增长率小于前期;相同埋深厚度条件下,中心加载与偏心加载条件下,同截面管底处应力值相对最大。研究结果可为不同埋深区域内原水管道维护运营提供指导。     

温度交变下液态乙烷回气管线热应力数值计算与现场测试*

为解决低温交变载荷下液态乙烷回气管线面临的安全问题,采用有限元法和现场试验研究管线在低温交变载荷下无裂纹和含轴向裂纹管线的热应力分布。结果表明:管内温度沿周向和轴向分布具有较大的不均匀性,内外壁温度分布趋势基本相似;随着计算时间的延长,管线整体热应力先增大再减小;卸压、温度回升过程中,管内温差逐渐减小,热应力逐渐减小;裂纹处的热应力大于远离裂纹及无裂纹处的热应力;对管线热应力变化进行现场监测,试验数据与仿真结果吻合。研究结果可为低温情况下液态乙烷回气管线的方案设计提供参考和指导。     

堆载作用下埋地管道应力影响因素及失效荷载研究*

为探究地面堆载导致埋地油气管道失效的事故影响因素,通过对管道在堆载作用下的工程案例进行概化,以X70管道为研究对象,采用有限元软件建立管道在堆载作用下的三维模型,采用理论计算验证模型的可行性,开展管道应力与变形分析,探讨不同的堆载强度、管道埋设深度、下卧层土体杨氏模量、管道内压与堆载偏移距离对管道应力的影响,同时开展多因素耦合研究。研究结果表明:深埋管道会促进附加应力向两端扩散,管道中心部位以外的应力值呈现为深埋＞浅埋;当下卧层杨氏模量大于20 MPa后,管道偏于安全;内压在0~2 MPa时,可以抵消部分堆载对管道的影响,内压大于2 MPa后,管道应力整体增大,此时管道应力由内压主导;得到不同管道埋深与不同下卧层土体杨氏模量耦合工况下X70管道失效时的堆载强度。研究结果可为埋地管道在堆载作用下的安全防护问题提供参考。     

压缩空气泡沫水平管路压力损失数值模拟研究*

为厘清压缩空气泡沫水平管道输运压力衰减规律,考虑压缩空气泡沫实际工程运用,利用STAR-CCM软件研究泡沫液种类、混合比和管径对湿泡沫水平管网输运过程中压力衰减的影响规律,并结合理论分析建立压缩空气泡沫水平输运过程中的压力衰减预测模型。研究结果表明:管路压降与泡沫液黏度呈正相关性,在混合液流量270 L/min,气体流量1 750 L/min条件下,相同管径高黏度抗溶性水成膜泡沫（AFFF/AR）压降约为低黏度A类和水成膜泡沫(AFFF)1.3倍;对于相同类型泡沫,混合比对管路压降影响较小,100 m长90 mm管径不同混合比之间最大压降差值约为7.21 kPa;管径对压降影响较大,相同泡沫条件下,50 mm管径压降是80 mm管径压降的约9.4倍,80 mm管径压降是100 mm管径压降的约2.8倍,当管径大于80 mm时,不同泡沫对压降的影响逐步减小。压力衰减预测模型计算的压降值与模拟值较前人开展研究所得实验值误差在18%以内,研究结果可以为压缩空气泡沫水平管网设计提供一定理论参考。     

基于有限元的局部突变位移载荷下埋地管道力学分析

冻土融沉、盐渍土溶陷等地质灾害会导致局部土壤产生一定位移,对埋地长输管道安全性构成威胁。为保障埋地管道的安全运行,建立了局部突变型位移载荷作用下埋地管道力学分析模型,采用非线性土弹簧描述管土相互作用,分析了局部突变区域长度及突变位移量对埋地管道受力的影响。研究结果表明:因局部突变区长度与突变位移量的不同,管道存在3种受力状态,当局部突变区域长度大于临界突变区长度时,管道轴心应变与弯曲应变在突变区域内不产生耦合,此时在突变区域两端可等效为2个垂直正断层,即为第一种受力状态;当突变区域长度小于临界突变区长度时,随着突变位移的增加,管道应变随之增加,管道轴心应变与弯曲应变在突变区域内不断叠加,即为第二种受力状态;在第二种受力状态基础上,当突变位移大于临界突变位移时,管道应变不再发生变化,管道等效为受到垂向均布荷载的作用,即为第三种受力状态。研究结果可为工程中管道穿越地质灾害区域的设计提供参考。