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。     

天然气管道局部等效应力及塑性变形评估

为了研究腐蚀及地面运动对埋地天然气管线安全性的协同影响,以X80管道为研 究对象,模拟腐蚀缺陷及土壤力作用于管道之上,利用有限元方法对有腐蚀缺陷与预应 变情况下的管道局部等效应力及塑性变形进行评估,结果表明腐蚀缺陷的深度对局部应 力和应力分布影响非常明显,在失效压力预测中起着决定性作用。随着腐蚀深度的增加 ,应力集中增强,导致内表面和外表面的等效应力大小进一步分化,腐蚀深度的增加对 管道内表面的等效应力的影响很大,但对有效塑性应变的影响却不大。模拟管道上施加 有纵向应变的土壤力,不论拉伸与压缩的情况下,都会降低管道的失效压力,在施加拉 伸预应变下的管道失效压力小于压缩预应变下的。塑性变形首先发生在外表面处,并扩 展到腐蚀缺陷相邻区域,管道内表面也具有一定的塑性变形,但强度低。     

长输管道凹陷提压回圆评价方法

为了解决长输管道深凹陷所导致的清管器及内检测器难以通过的工程问题,基于局部提高管道内压可使凹陷回圆、深度减小以达到清管器或检测器可通过深度门槛值的思想,建立了内压作用下管道凹陷回圆过程非线性有限元模型;提出了管道凹陷回圆系数的定义;通过应力应变响应分析对凹陷回圆过程的安全性进行论证;对回圆系数的影响因素进行分析,探讨径厚比、管材、凹陷尺寸、初始内压、回圆压力等参数对回圆系数的影响;基于有限元计算算例,采用非线性回归的方法拟合了凹陷回圆系数工程计算公式。研究结果表明:在极限回圆压力工况下,凹陷回圆过程中管道未发生二次塑性损伤;误差分析显示拟合所得公式预测精度较好,可用于长输管道凹陷的回圆评价。     

软弱围岩隧道洞口浅埋段变形特征及控制措施研究*

为解决洞口浅埋段软弱围岩隧道大变形控制难、施工风险高的问题。依托在建隧道工程,对洞口浅埋段初支变形及破坏特征进行分析,提出适合该隧道的变形控制措施。结果表明:洞口浅埋段围岩松散破碎受开挖扰动和地表水影响显著,隧道破坏形式多样,围岩纵向变形不规律,随埋深增大,局部渗水严重段存在拱腰挤出现象;开挖初期围岩变形速率高,最高达到86.8 mm/d,累计变形量大,其中上、中台阶围岩变形量占比为80%~90%,变形主要分为“加速增长—缓慢增长—再次增长—趋于稳定”4个变化阶段,再增长阶段持续时间较短,约6~10 d。根据围岩预留变形量建立各施工阶段的变形控制基准及超限应对处置措施,并提出工法优化,通过数值模拟验证该优化工法有利于支护结构及时封闭,可控制前期围岩变形,保证施工安全和进度。     

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。     

Impact assessment of traffic-induced vibration on natural gas transmission pipeline

The purpose of this paper is to present a study of impact assessment of the traffic-induced vibration on a buried natural gas transmission pipeline. The basic assumption in this study is that the traffic on pipeline-transportation route crossing might have a significant impact on natural gas pipeline structural integrity due to the traffic-induced vibration which propagates from the road surface through the soil and excites the buried natural gas pipeline. The resulting dynamic stress causes pipeline material fatigue loading which consequently may cause pipeline failure with the gas release into the environment exposing the population and the buildings in pipeline vicinity to a significant threat. The experiment on operating buried natural gas pipeline was conducted where measurements were performed on the road surface, the two operating buried natural gas pipelines of external diameter 500 mm and 250 mm and on corresponding casing pipes. The measurement data analysis was performed and the results were used for determination of pipeline lifetime period in the model for theoretical estimation of pipeline lifetime which has been exposed to traffic-induced vibration. The findings of the study in this paper show that the traffic-induced vibration on given buried natural gas pipeline is detectable, however this vibration, compared to the other factors which are influencing pipeline's structural integrity, does not have a significant impact on pipeline lifetime period.     

影响凹陷管道安全因素分析

为了分析管道上凹陷对其安全性的影响,以非线性接触模型为基础,应用ABAQUS有限元软件,建立矩形状压头作用于管道的三维模型。通过求解模型,探讨了凹陷深度、凹陷位置、凹陷尺寸、管道内压对管道轴向应变和韧性失效损伤因子的影响。结果表明:管道的轴向应变随着内压的增大而增大,然而内压的存在却对管道韧性失效起到一定的抑制作用。当韧性失效损伤因子D=1时可以通过韧性断裂准则预测其临界失效应变;当凹陷深度超过一定范围内压会使损伤程度增大;当凹陷位置为垂直于管道正上方时,其对管道的轴向应变及韧性失效损伤因子的影响较大;当管道内压一定时,随着凹陷变形量的增加,与凹陷轴向长度相比,凹陷宽度的变化对管道的轴向应变及韧性失效损伤因子程度影响更显著,而增大凹陷长度和宽度均可有效降低其对管道安全性的影响。     

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。     

横向穿越滑坡段埋地管道应变响应特性研究*

为准确描述横向滑坡作用下管道非线性响应特征,采用非线性自适应网格技术建立横向穿越滑坡段埋地管道三维有限元模型,利用非线性接触模型表征管土之间、滑坡体与非滑坡体之间的相互作用,探究滑坡位移、埋深及壁厚对管道应变响应特性的影响规律。研究结果表明:随着滑坡位移增大,滑坡体与非滑坡体交界区域和管道位移最大区域两侧管道应变显著增大,易发生失效;结合应变失效判定准则分析,管道不发生失效的最大滑坡位移、最小管道壁厚及最大埋深,在本文算例中分别是0.36 m、9.50 mm、0.97 m。因此管道经过滑坡区时,可适当增大壁厚、减小埋深;滑坡发生后,应重点关注滑坡体与非滑坡体交界区域及管道位移最大区域两侧的变形情况。研究结果可为穿越横向滑坡管道的设计及安全运营提供一定参考。     

埋藏深度对盐岩储气库溶腔变形的影响研究

以典型的单一溶腔盐岩地下储气库为例,采用ANSYS15.0建立了盐岩储气库计算模型,并通过ANSYS-FLAC3转换软 件将所建模型导入岩土通用计算软件FLAC3D中,最后通过FLAC3D模拟了七种不同埋藏深度情况下盐岩储气库溶腔的变形 情况。数值模拟结果为:随着埋藏深度的增加,盐岩储气库位移近似呈直线增加,盐岩储气库应力同样近似线性增加; 溶腔中上部及溶腔直径最大处位移及应力最大,溶腔变形最大。根据模拟结果,推荐类似本文所建的盐岩储气库埋藏深 度应控制在800～1 000 m为宜,才能保证其运行过程中最大位移不高于1.19 m,最大应力不高于80 MPa。尽管通过 FLAC3D模拟的盐岩地下储气库溶腔形状过于单一,与实际盐岩地下储气库具有一定距离,但是不乏代表性,同样能够为 盐岩储气库运营期间的安全稳定性提供有益的借鉴作用。     

城镇燃气埋地含缺陷聚乙烯管道应力分析

建立了埋地含缺陷聚乙烯管道模型,应用有限元方法计算管道的应力和变形量,分别考虑管道内压、地面载荷和管道缺陷深度变化对管道应力和变形的影响。研究结果表明,管道最大应力随管道内压的增大而增大;随地面载荷的增加呈先减小后增大趋势;随管道缺陷深度增大而增大。管道变形量随内压增大而增大,但增长较小;随地面载荷增大而增大,增长较大;管道缺陷深度只对管道缺陷处变形量有影响。研究结果为确定城镇燃气聚乙烯管道工作能力提供了理论依据。     

多因素影响下巷道变形特性数值模拟研究

基于FLAC3D有限差分软件对开挖深度、侧压力系数、断面形状等多因素影响下的巷道变形参数进行正交试验，根据正交试验分析结果，分别选取同一深度条件下的圆形、马蹄形、直墙拱形、矩形巷道进行模拟试验并以圆形巷道作为典型断面，对不同深度下的巷道变形特征进行模拟试验。研究结果表明:开挖深度对巷道开挖后的应力差变化影响明显，断面形状对巷道围岩内的塑性区深度和具有显著影响；巷道开挖后的塑性区深度和随形状指数增加而呈线性增长趋势，圆形巷道的塑性区深度和最小，矩形最大；应力差随着巷道开挖深度的增加呈线性增加，深部开采应重视巷道内的应力分布情况。     

滚石冲击作用下埋地高压输气管道的可靠性分析

地质灾害往往会对高压输气管线造成安全隐患,岩体崩塌引起的滚石冲击是导致埋地输气管道第三方破坏的主要破坏形式之一。通过概率分布求出滚石产生的偶然性载荷对管道的冲击频率,根据可靠性理论,用管线钢自身的强度和撞击产生的工作应力,建立强度应力的安全裕度方程。然后利用LS-DYNA有限元软件,建立滚石冲击管道模型,计算不同条件下埋地输气管道的最大应力Sm,确定Sm的分布规律。最后,根据应力和强度的分布求得管道可靠度指标和失效概率。本研究提供的方法和结论对埋地输气管道的风险评估、管道的设计及施工具有重要的参考价值。     

地质滑坡条件下不同因素对油气管道危险性影响分析

地质滑坡对油气管道的安全运行危害很大。建立横向滑坡管道有限元模型,分析管道的力学行为和极限状态,研究了滑坡位移、滑坡规模、埋深和土质等因素对管道变形和应力的影响,为可能滑坡地区管道的设计、施工和维护提供理论依据和技术参考。     

小净距偏压隧道在特殊素填土施工顺序研究

在较特殊素填土中,为能更好地确定在相同的施工方法下,不同的施工顺序对改善隧道围岩变形和衬砌内力的影响,文章重点以重庆曾家岩浅埋暗挖隧道为依托,运用二维数值模拟分析,研究在特殊回填土下,隧道不同施工顺序引起的围岩变形、衬砌内力变化、塑性区分布规律.从数值模拟结果可以看出,不同施工顺序下,围岩变形、衬砌内力、塑性区分布存在...     

基于SPH-FEM耦合法的含缺陷输气管道爆炸冲击响应研究

针对大口径埋地输气管道发生物理爆炸对并行含体积缺陷邻管的冲击行为,利用LS-DYNA和LS-PREPOST有限元软件建立基于光滑粒子流体动力学-有限单元法的管-土-炸药耦合模型,分析不同缺陷深度、不同缺陷表面积、不同缺陷位置和不同爆心距下邻管的动力响应;基于爆腔预估公式和峰值振速经验公式,验证了所建耦合模型的可靠性,并通过设计算例开展多工况分析。研究结果表明:迎爆面上的缺陷处为动力响应的热点区域,最大响应特征值（应力、位移与振速）位于缺陷中心处,随缺陷深度的增加或管间距的减小特征值增速由平缓到急剧;相比缺陷位置和表面尺寸对管道的扰动程度,缺陷深度和爆心距对管道的动力响应影响较大;在本研究的条件下,建议埋地并行输气管道的安全间距不应小于5.16 m,且腐蚀深度不大于管道壁厚的0.633 6倍。研究结果可为埋地输气管道极端灾害下的风险评估提供技术支撑,为并行管道可能的抗爆隔爆设计提供模拟数据支持。     

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。     

Plastic buckling,wrinkling and collapse behaviour of dented X80 steel line pipes under axial compression

High strength steel pipes have found increasing applications in deep high pressure offshore oil/gas lines. Damages in the form of dent are among common causes of pipeline failure. Indentation, plastic buckling and residual strength of dented normal grade steel pipes under bending, axial and combined loading have previously been addressed by a number of researchers. The plastic buckling and collapse of dented high grades steel line pipes, however, have received less previous attentions.In the current study an experimental model testing was used to evaluate the residual strength of dented X80 steel pipes under monotonic axial compression. The tubular specimens were first laterally dented by an indentor while resting on a saddle shape support. The specimens were then examined under axial compression to study the dent effects on their collapse behaviour. Numerical simulations were also used to analyse the effect of the indentor ratio, shape and alignment on the residual strength of dented steel tubes under monotonic axial compression. The results from the current study on high strength steels were also compared with semi-empirical equations available in the literature for low strength steels. It was found that these equations provide reasonable predictions for the axial residual capacity of the high strength steel pipes when the dent depths are small. With deep dents, however, they considerably underestimate the axial residual capacity of the high strength steel pipes.     

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。     

水平接地极泄散雷电流对临近埋地管道危害影响分析

为分析水平接地极泄散雷电流对临近埋地管道产生的暂态电磁干扰危害,通过EMTP软件建立水平接地极和埋地管道模型,考虑水平接地极与管道间的感性耦合和阻性耦合,采用多元回归分析法讨论土壤电阻率、水平接地极与管道间距、管道埋深、雷电流幅值等因素对管道防腐层感应电压的影响,最后讨论感应电流对管道腐蚀的影响。结果表明:离雷电流注入点越远,管道防腐层感应电流和感应电压幅值越低;感应电压受土壤电阻率、水平接地极与管道水平间距、管道埋深、雷电流幅值等因素影响明显,与土壤电阻率和雷电流幅值呈正相关,与管道埋深和水平接地极与管道水平间距呈负相关;土壤电阻率对管道腐蚀程度影响较大,土壤电阻率越低,管道腐蚀越严重;为保护防腐层和管道安全,水平接地极与管道间需保持一定安全距离。