油气管道盗孔接管修复结构强度分析

管道打孔现象作为第三方破坏的主要形式威胁着油气输送管道的安全运行。焊接接管是一种常见的管道盗孔修复补强方法,但焊接接管导致管道几何形状突变,破坏了原有的应力分布。建立管道盗孔接管修复结构的有限元模型,运用非线性有限元方法对管道在内压载荷作用下的应力分布进行了计算。研究结果表明:焊接接管导致了管道开孔附近区域局部应力集中,且随内压增加应力集中面积逐渐加大;最大应力点出现在管道开孔0o处(管道开孔内壁轴向位置);在保证焊接工艺的情况下,较小的接管管径、与管道主体壁厚相近的接管壁厚具有更好的修复效果。     

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。     

侧向载荷作用下X90管道局部屈曲研究

为了获取X90高强度管道局部屈曲临界载荷随管道尺寸、内压及管材参数的变化规律,基于ANSYS建立了侧向载荷作用下X90管道局部屈曲有限元数值模型,分析了X90管道局部非线性屈曲模态及特点,探讨了管道参数及管材性能参数对屈曲临界载荷的影响。研究结果表明:管道屈曲临界载荷随管径及壁厚的增大而增大;随内压的增大呈现先增大后减小的趋势;随材料幂硬化指数的增大而减小,同时还会受到环向应力的影响,环向应力越大,其随幂硬化指数减小的速率越快;管材屈服强度的提高可以在一定程度上提高X90管道的抗屈曲能力。研究结果可为X90管道的设计提供理论基础和参考。     

沉降土体对管道跨越结构应力影响的分析

为了更好地保障长输管道的安全稳定运行,针对长输管道当中的跨越结构进行了应力分析与计算。基于管道跨越结构其结构的特殊性,极容易受到断层、土体塌陷等地质灾害的影响。因此建立了跨越段埋地管道与土壤相互作用的有限元力学模型,分析了30°、40°、50°、60°跨越结构和不同范围土体发生沉降时,管道的应力变化情况。结果显示,当跨越结构中斜管段的角度确定后,便可计算出相应的安全沉降长度;当斜管段角度为50°时,沉降长度控制在13.6m以内,可保证跨越结构不发生塑性变形。通过研究为管道跨越段的安全设计提供了理论依据,该方法可应用在类似的管道跨越结构的应力设计当中。     

地表夯击载荷作用下埋地管道力学分析

为研究地基强夯作业中夯击载荷对埋地管道力学性能的影响,基于有限元原理建立了夯锤-管道-围土耦合三维模型,分析了夯击过程中管道截面变形及所受冲击力变化规律,研究了管道壁厚、夯击速度、夯锤体积对管道应力、应变及变形的影响规律。结果表明:夯击载荷下的管道所受冲击力为脉冲型,且随时间推移逐渐降低为0,最大冲击力随管道壁厚、夯击速度、夯锤体积增大而增大;管道最大等效应力、高应力范围及最大等效塑性应变随壁厚增加而减小,但随夯击速度或夯锤体积增大而增大;随着夯击速度、夯锤体积增大,管道截面变形率（椭圆度或凹陷率）逐渐增大,但其随壁厚增加而减小。     

不同施痕物下凹痕管道残余应力的有限元分析

为解决椭球体、圆柱体和矩形体施痕物产生的管道凹痕缺陷问题,应用ANSYS有限元软件建立施痕物作用于管道的三维模型。通过求解模型,分析凹痕深度、施痕物尺寸和管道壁厚改变时管道凹痕处最大残余应力的变化规律,拟合出残余应力与各参数关系表达式。研究结果表明:3种施痕物下管道凹痕处残余应力随着凹痕深度和管道壁厚的增加而增大,椭球体施痕物下管道凹痕处残余应力随着施痕物尺寸的增加而增大,圆柱体和矩形体施痕物则恰好相反;施痕物为椭球体或圆柱体,采用幂函数拟合残余应力与各参数关系表达式效果较好;施痕物为矩形体,采用指数函数拟合残余应力与各参数的关系表达式效果较好。     

地表载荷对硬岩区埋地管道应力应变影响分析

为研究地表载荷对硬岩区埋地管道力学性能的影响,建立了管-土耦合三维数值模型,分析了地表载荷大小、作用面积、管道压力、管道径厚比及回填土弹性模量对管道应力分布、塑性应变、椭圆度的影响。结果表明:地表压载作用下,高应力区首先出现在管道顶部且呈椭圆形;随着地表载荷及其作用面积的增大,管道高应力区逐渐扩大,管道截面左右两侧也出现应力集中;随着回填土弹性模量、管道壁厚及内压的增加,管道顶部高应力区及最大等效应力均减小。塑性应变首先出现在管顶,且塑性区随地表载荷、载荷作用长度增加而增大,随回填土体弹性模量及管道壁厚增大而逐渐减小;当内压为0~4MPa时,管道塑性应变及塑性区随内压的增大而减小。管道椭圆度随回填土体弹性模量、管道内压、壁厚增加而逐渐减小,随地表压载增大而增大。     

截断阀室水淹后管道沉降的防护技术研究

为了保证长输天然气管道的安全运行,需要对其截断阀室遭受水淹后管道的不均匀沉降行为进行研究。应用ANSYS软件建立了管土非线性接触模型,通过对其进行分析建立了沉降量与最大Von Mises应力和椭圆度之间的映射关系,结果表明:不均匀沉降对管道强度的影响更明显,二者间基本呈线性关系,最大Von Mises应力随着沉降量的增大而增大,根据第四强度理论便可确定管道失效时的极限沉降量。同时还探讨了管径、内压、壁厚、埋深对管道应力状态的影响,降低内压、增大壁厚以及减小埋深和管径均可降低不均匀沉降时管道的最大Von Mises应力,但其中管径和壁厚的变化对管道最大Von Mises应力的影响更为显著。预期研究结果可以为山区管道的实时监测与防护措施制定提供一定的技术支持。     

深层圆弧形滑坡作用下长输埋地输气管道响应分析

针对影响长输埋地管道安全运行的山体滑坡问题,基于深层圆弧形滑坡理论和有限元方法,建立了在深层圆弧形滑坡作用下的管道计算 模型,对管道的受力进行了数值模拟。对土壤密度、管道壁厚、管道内压以及土抗剪强度进行了参数敏感性分析,研究了各参数对发生滑坡时 管道所受最大应力的影响规律。结果表明:当滑坡规模、滑坡角度增大时,管道所受Von Mises值会随之增大;随土壤密度的增加,管道所受的 应力也会增加;在滑坡多发区,应设计大壁厚的管道,以增加管道安全性;应确保管道内压小于10MPa,当内压突增时应有紧急预案;土抗剪强 度对在深层圆弧形滑坡作用下管道所受应力的影响明显小于其他3个敏感参数。该研究工作为山体滑坡区的安全管道设计提供了一定的参考,对 确保滑坡区埋地管道的安全运营有重要意义。     

球形封头与筒体局部结构不连续应力分析

在某压力容器设计中,综合考虑安全性和经济性原则,对该产品的筒体和球形封头采用不同板厚制造,本文就该处局部结构不连续的应力状态进行有限元数值模拟,分析筒体与球形封头连接处的应力分布状态,为此类结构设计的尺寸优化和强度计算提供理论依据。     

障碍物在分岔附近对瓦斯爆炸压力影响的实验研究*

为研究置障条件下不同分岔角度管道中瓦斯爆炸压力变化规律,采用长15 m、截面为160 mm×100 mm的矩形和直径160 mm的半圆形组成的拱形模拟巷道,通过改变分岔角附近障碍物的形状与阻塞比,研究瓦斯爆炸在30~45°与30~60°双分岔管道分岔角附近的压力变化规律。结果表明:瓦斯爆炸在30~45°和30~60°双分岔管道中,分岔角后2支管压力均有所增大,且45°和60°支管中压力变化较30°支管更加明显;障碍物位于30°分岔角后,当阻塞比为0.4时,障碍物形状对2~4测点爆炸压力的影响均表现为矩形最大,拱形次之,圆形最小;管道中矩形障碍物对2,3测点爆炸压力的影响随阻塞比增加而增大,对测点4爆炸压力的影响则随阻塞比的增加而减小;设置矩形障碍物时,30~45°双分岔管道中2,3测点的压力增幅大于30~60°双分岔管道,且压力增幅随阻塞比增加而增大,而测点4的表现则相反,30~60°双分岔管道大于30~45°双分岔管道,且压力增幅随阻塞比增加而减小。     

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。     

采空塌陷区埋地输气管道的变形及受力分析

针对采空塌陷对输气管道的潜在威胁,采用管道－土壤相互作用（PSI）单元,结合三向土弹簧非线性模型,建立采空塌陷区埋地输气管道的有限元计算模型,分析了不同管径、壁厚和内压影响下管道的变形和受力规律,并确定最大变形和最大受力的位置。结果表明:适当增加壁厚和减少内压能有效提高管道的安全性;最大Von-Mises应力和最大竖向应变位置均在内边缘塌陷区且靠近中间塌陷区;最大轴向应力和最大轴向应变位置均位于中间塌陷区两侧。所得结果对埋地输气管道穿越采空区的安全防护具有一定参考价值。     

基于ABAQUS的穿越公路输气管道力学性状分析

为研究穿越公路埋地天然气管道在车辆载荷下的力学性状,运用ABAQUS有限元软件建立了输气管道-覆盖土壤的三维接触模型,模拟了不同管径、管道壁厚、管道内压、管道埋深以及交通载荷工况下,管道的应力应变情况,得到了不同变量条件下埋地天然气管道的应力应变规律。研究结果表明:交通载荷下输气管道穿越公路时,从经济性考虑,其埋深应控制在2m范围内;结合管道内压,对不同超载程度下重载车辆对埋地管道的力学性能影响进行分析,从安全性考虑,管道宜采用套管敷设穿越形式。所得结论可为输气管道穿越公路段的设计提供参考。     

Response of the buried steel pipeline caused by perilous rock impact: Parametric study

One of threatening buried steel pipeline in bad geological regions is collapsed rock. Buckling behavior of a buried pipeline impacted by a perilous rock with spherical shape was investigated by numerical simulation. Effects of pipeline parameters (internal pressure, wall thickness, diameter, buried depth) and perilous rock parameters (impact velocity, radius, eccentric distance) on deformation, stress and strain of the buried pipeline were discussed. Buckling behaviors of the buried pipeline under transverse and longitudinal inclined impacts also were studied. The results show that cross section shape of the buried pipeline becomes to an oval, then to a peach shape, and finally to a crescent shape or gourd shape in the process of rock’s impact. The deformation process of a buried pipeline can be divided into four stages. They are elastic deformation stage, buckling stage, elastic recovery stage and final deformation stage. Buckling mode of no-pressure pipeline is more serious than the pressure pipeline. The impact dent’s length and depth increase with the decreasing of buried depth, wall thickness and internal pressure. But they increase with the increasing of impact velocity, perilous rock’s radius and pipeline’s diameter. The maximum stress and plastic strain decrease with the increasing of buried depth and wall thickness. Under rock’s eccentric impact, impact dent trends to one side. Stress and plastic deformation decrease with the eccentric distance increases. Under rock’s transverse and longitudinal inclined impacts, cross section shape of the buried pipeline is an oval shape when the incidence angle α ≤ 45°, and there is no plastic deformation. When α > 45°, impact dent appears. Buckling is more serious with the incidence angle increases. Destructive powers of transverse and longitudinal inclined impacts are smaller than the vertical impact.     

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。     

第三方挖掘作用下PE燃气管道失效行为研究

针对挖掘破坏导致的城镇燃气管道失效,开展了挖掘作用下管道力学失效机理分析。考虑管土接触作用,建立了城镇燃气PE管道在挖掘齿作用下的三维力学响应分析模型,分析了典型工况下管道的失效过程,讨论了基于应力准则与基于应变准则等2种失效准则的适用性,并开展了影响因素分析。结果表明:机械齿作用下管道主要失效位置为机械齿与管道接触位置两端;采用基于应变的失效准则可以更好地利用PE管材的塑性性能;机械齿的作用位置对管道力学响应影响较小;管径和壁厚的增大能减小管道内的应力,同时能够减小管道的截面椭圆度;内压的改变对管道的力学响应几乎没有影响。以上结果可为城镇燃气管道的力学失效分析与安全评价提供一定的参考。