外力作用下管道内表面缺陷处裂纹扩展研究

为提高油气管道安全风险评估的准确性,以含内表面缺陷管道为研究对象,利用ABAQUS软件线弹性及弹塑性分析不同尺寸缺陷对裂纹萌生特征的影响;采用扩展有限元法,建立管道3点弯曲模型与全尺寸静载物理试验,并非线性拟合裂纹扩展尺寸,研究内表面缺陷处裂纹扩展情况.研究结果表明:内表面缺陷中心处极易萌生裂纹,随着缺陷尺寸的增大,裂...     

环向缠绕气瓶金属内胆表面裂纹的应力强度因子计算

本文利用弹塑性理论对环向缠绕气瓶自紧及服役工况进行应力分析,推导得出不同工况下,气瓶的复合材料和内胆的应力、应变计算公式,并展开讨论。以金属内胆应力计算公式为基础,借鉴平板椭圆形表面裂纹应力强度因子公式,给出了金属内胆表面椭圆形裂纹应力强度因子的计算方法。通过算例表明,内胆裂纹的应力强度因子除与裂纹几何参量、气瓶内压相关,还与气瓶制造时自紧工艺相关,同一气瓶设计,最小、最大自紧引起的应力强度因子相差36%。     

储气库含裂纹缺陷井筒寿命可靠性预测方法研究

为了探究地下储气库井筒管柱裂纹缺陷对井筒寿命的影响，采用随机裂纹扩展融合概率密度演化法(Probability Density Evolution Method, PDEM)模型对含裂纹缺陷井筒进行寿命可靠性预测。通过修正后的裂纹特征向量，采用总变差减小(Total Variation Diminishing, TVD)差分格式求解出特征值概率密度函数，可得到其疲劳寿命可靠性，研究不同裂纹长度和井筒内压下，井筒管柱裂纹处最大应力和应力强度因子K的变化规律，并对其模型预测进行性能分析。结果表明：概率密度演化法得到的井筒裂纹尺寸曲线与Monte Carlo法的结果吻合性良好，且概率密度演化法计算简单、精度高，模型预测误差率在11%以内；最大应力及应力强度因子K随着井筒压力、裂纹长度的增加而增大，当最大应力超过材料屈服强度350 MPa后，则增长趋势逐渐减缓直至趋于平稳。     

压力容器表面裂纹断裂参数的有限元计算与分析

借助ANSYS软件建立了适合压力容器表面裂纹断裂分析的有限元模型,能方便地计算出应力强度因子和J积分,与理论近似表达式的计算值对比,该方法具有较高的精度,能满足工程应用的要求.在验证模型合理的基础上,构造表征表面裂纹形状和尺寸的无量纲因子,通过分析其对J积分弹塑性分量的影响,指出断裂分析中除应力水平外,还应当将裂纹形状...     

内外流作用下海底悬跨管线的动力特性分析

当海底管线受到复杂载荷作用时，有必要对其进行动力响应分析．首先，建立了管跨段在横向涡激振动下的力学模型，在假设管道系统承受外界均匀流作用的同时，考虑管内流体流动的影响，导出了悬跨段横向运动的方程．采用Herrnite插值函数和Galerkin法离散得到了其有限元形式．最后，给出了两个具体算倒，讨论了轴向力和压强对悬跨管道允许极限长度的影响和内流流速对固有频率的影响。     

基于参考应力法的海底腐蚀管道剩余强度评价

在役海底管道所处海洋环境恶劣,管道发生腐蚀后剩余强度降低。为了更加准确地计算管道的剩余强度,基于ANSYS非线性有限元模拟,采用参考应力法,研究了参考应力分别为(SMYS+SMTS)/2,1.1SMYS,SMYS+69,0.8SMTS,0.9SMTS,SMTS的海底管道剩余强度,将结果与爆破实验数据作对比,提出了参考应力和流变应力取值的推荐算法。研究结果表明,在海底腐蚀管道剩余强度有限元分析中,对于X46,X60和X80管道,建议分别使用(SMYS+SMTS)/2,0.9SMTS和SMTS作为参考应力;推荐使用(SMYS+SMTS)/2, SMYS+69和 1.1SMYS三者中的最大值作为流变应力。     

连续管复合裂纹的应力强度因子有限元分析

针对解析法计算连续管复合裂纹应力强度因子繁琐的问题,引入扩展有限元法（XFEM）进行分析。应用有限元软件ABAQUS计算不同裂纹角度对应的连续管Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型裂纹的裂尖应力强度因子KⅠ,KⅡ,KⅢ,分析了裂纹角度对应力强度因子的影响,并模拟得到了受单向拉伸载荷的连续管裂纹扩展的整个过程。研究结果表明:扩展有限元解与计算解很接近,验证了利用扩展有限元法计算复合型应力强度因子的有效性。随着裂纹夹角θ的增大,裂尖处KⅠ不断减小、KⅡ始终很小,可以忽略、KⅢ先增大后减小、总应力强度因子K不断减小。通过扩展有限元法计算出裂尖应力强度因子,可有效预测含裂纹CT80连续管的安全性。     

加载条件下原水管道受力特征模型试验研究

为研究堆载大小对原水管道受力变形的影响,采用量纲分析法得出模型试验相似比,并根据相似比进行模型箱的设计、管道材料的选取和重塑土的配制,研究不同工况下管道的受力特征。试验结果表明:整体上管道端部应力大于管中央应力,管轴向应力大于管环向应力。在中心加载下,管端应力值较管中央处大,前者增长速度更快,而后者增长速度较慢。在偏心荷载作用下,靠近荷载的管端应力最大,而管中央应力最小;尤其在偏载6 kPa作用下,管端下表面轴向应力达到595 kPa,而管中央处仅有64 kPa,管端受边界约束作用明显,管道呈弯曲变形。     

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。     

几种油气输送管材料的疲劳特性与管道寿命预测

针对油气输送管道的疲劳问题,选择管道工程中常用的螺旋缝埋弧焊管(SSAW)、高频电阻焊管(ERW)和直缝埋弧焊管(UOE)3种材料采用小试样对不同区域(管体、焊缝、热影响区)的疲劳裂纹扩展特性进行测试与对比研究.同时,采用自行研制的油气输送管全尺寸实物疲劳试验系统对含裂纹类缺陷的X60 SSAW焊管进行了水压实物疲劳试验,对含表面裂纹缺陷的输送管在承受内压疲劳载荷下表面裂纹的扩展规律进行了探索研究.建立了小试验疲劳试验与管道实物疲劳试验结果的相关性.该研究结果为管道的抗疲劳设计与评价、在役管道疲劳寿命的预测和检测周期的确定提供了依据.     

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。     

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）。     

基于紧凑拉伸试验的含缺陷燃气管疲劳寿命预测分析

为分析预测含缺陷燃气管道的疲劳寿命,实现燃气管道分类分级监测和维护。在理论分析含缺陷管道疲劳寿命预测模型的基础上,通过MTS电液伺服疲劳试验机测试获得同一应力比下4种不同应力强度因子的疲劳裂纹扩展速率,进而构建含缺陷燃气管道疲劳寿命的实用模型。以安徽淮南天然气二气源管道工程实际参数为例,预测分析类似条件下含缺陷燃气管道的疲劳寿命,为燃气管道监测维护与分类分级管理提供可靠依据。结果表明:管道的疲劳寿命与裂纹深度变化近似成线性关系,与内压幅值变化近似成指数为负的幂函数关系,且管道输送压力变化幅值不应超过1.5 MPa。     

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。     

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。     

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。     

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。     

海底管道泄漏原油扩散漂移规律数值模拟

针对浅海输油管道泄漏原油扩散漂移问题,依据计算流体动力学理论,采用VOF模型和k－ε湍流模型来模拟多相流动,采用速度边界造波法和阻尼消波法来模拟波浪,建立洋流波浪环境下海底管道原油泄漏扩散漂移模型,对不同海洋环境、原油密度和泄漏量工况下的原油扩散漂移行为进行模拟,预测水下原油扩散上升路径、上浮到水面时间、溢油扩散范围以及水面溢油漂移速率等关键数据。研究结果表明:相对于静水、洋流和波浪等单一环境条件,在洋流波浪环境下泄漏原油的水下扩散范围更广、扩散上升速率更小、水面原油漂移速率更大;海洋环境对原油在水面的漂移速率影响较大,泄漏速率对原油的水下上升扩散速率影响较大;原油密度主要影响水下原油上升扩散过程,对水面原油漂移过程影响较小。