滚石作用下埋地钢管道动力响应数值模拟分析

研究滚石-土-埋地钢管道组成的多元体系在冲击荷载作用下的动力响应.依据三维动态接触面算法构建滚石、土体和管道相互作用的力学模型及有限元分析模型,并采用LS-DYNA有限元软件从滚石初动能、冲击夹角、模拟临界状态等方面对滚石冲击荷载作用下埋地钢管道的动力响应进行数值模拟分析.研究得到了管道在滚石垂直或不同冲击角度撞击条件下的应力、位移变化规律,并在管道破坏临界状态下模拟出滚石初动能与滚石落地点距管道中心水平距离的关系.滚石撞击过程中,管道上各节点位移先增加后减小,出现反弹.本研究对埋地钢管道的风险评估、工程设计和防灾减灾具有重要参考价值.     

基于ABAQUS的穿越公路输气管道力学性状分析北大核心CSCD

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。     

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。     

基于SPH方法的埋地PE燃气管道挖掘破坏数值模拟研究

为弥补有限元法在埋地燃气管道挖掘破坏研究中的不足,基于光滑粒子流体动力学法（SPH）,建立挖齿-土体-管道相互作用动力学模型,采用FORTRAN编程实现SPH计算程序,并结合算例分析挖齿挖掘过程挖齿-土体-管道实时状态及管道动态响应,最终得到椭圆度、应力应变分布等重要参数。结果表明:SPH方法可有效分析埋地管道挖掘破坏全过程,研究结果为挖齿-土体-管道等多方接触或冲击领域提供新的研究方法。     

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。     

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。     

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。     

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）。     

水网地区漂浮输气管道安全评估方法研究

为防治水网地区河流穿越管道形成漂浮管段而发生事故,需要对漂浮管道进行安全评估。根据工程实例,建立水流作用下漂浮管道的力学模型,构建基于土弹簧法的有限元实体模型,采用有限元软件对漂浮输气管道进行仿真计算。然后,根据计算不同漂浮长度下的管道应力,分析管道最大应力比率在漂浮长度影响下的变化规律,建立漂浮管段安全评估模型。最后,结合实例对管道安全评估模型流程进行说明。实例分析结果简洁明了地反映出该漂浮输气管道处于安全运行状态,与实际情况相符,表明该安全评估方法是有效的。     

改进的一次二阶矩计算埋地管道失效概率方法及其应用

为探究不同影响因素对埋地管道运行安全的影响,基于改进的一次二阶矩计算方法,综合考虑埋地管道环向受力和纵向受力的特性,依据应力-强度理论和钢制管道结构设计规范建立了埋地管道失效结构功能函数;通过对ABAQUS软件中的UVARM模块进行二次开发,建立了腐蚀、温度和不均匀沉降耦合作用下的三维管道-地层整体模型,模拟不同管道参数下的管道状况.运用该方法对工程实例进行了计算,分析可靠指标和失效概率的分布情况.结果表明:埋地管道工作内压与管道失效概率呈正相关关系,管道壁厚和管径与失效概率呈负相关关系;在影响参数变化相同的条件下,管道中部失效概率变化最快,两端的失效概率变化较慢.该模型计算结果体现了管道不同部位失效概率的特点,在管道设计、维护和风险评估方面有一定的借鉴意义.     

Corrosion failure probability analysis of buried gas pipelines based on subset simulation

Corrosion is the main reason for the failure of buried gas pipelines. For effective corrosion failure probability analysis, the structural reliability theory was adopted in this study to establish two calculation models for pipeline corrosion failure: the pressure failure model and von Mises stress failure model. Then, two calculation models for the corrosion failure probability were established based on a corrosion depth growth model obtained from actual survey data of soil corrosion characteristics. In an example, Monte Carlo simulation (MCS) and subset simulation (SS) were used to analyze the corrosion failure probability of pipelines, and the results were compared. SS can compensate for the shortcomings of MCS as it has higher computational efficiency and accuracy. Therefore, SS was adopted to simulate variations in the corrosion failure probability of buried pipelines with the service time for the two failure probability calculation models, which were applied to a natural gas pipeline located in a chemical industry park in Zhuhai, China. A sensitivity analysis was carried out on the relevant parameters that affect the failure probability. The results showed that multiple loads caused by the covering soil, residual stress, temperature differential, and bending stress have a non-negligible effect on the pipeline reliability. The corrosion coefficients gradually become the most important factors that affect the failure probability with increased service time. The proposed methodology considers the actual operating conditions of pipelines to provide a reliable theoretical basis for integrity management.     

基于子集模拟的埋地管道失效概率评估

对失效概率的评估是管道系统风险评价的核心内容,针对目前对埋地管道失效概率问题研究的不足,采用子集模拟方法（SS）建立埋地管道失效概率的定量评估模型以及参数敏感度模型,并对随机变量进行敏感分析。研究结果表明:子集模拟能利用少量样本定量计算出管道失效概率,有效弥补了管道结构可靠性模型中的不足;在管道运行中期,工作压力、腐蚀速率、管道壁厚和屈服强度是对管道失效概率影响较大的4个因素,而腐蚀因素在管道运行后期成为对系统失效概率影响最大的因素。     

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。     

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.     

水改气海底管道输送高压天然气可行性研究

为了满足油气输送需求,现将一输水管线改输高压天然气,需对该管线改输的可行性进行研究论证,通过ANSYS建模分析得到腐蚀缺陷处在475MPa高压下所受到的最大等效应力小于管道的设计抗力2736MPa,满足安全标准。利用OLGA模拟出管道输送高压天然气时的压力和温度曲线满足实际工况要求,OLGA模拟出的预测腐蚀速率最大处为004mm/y,对管道的剩余寿命影响较小。应用DNV腐蚀因素失效概率模型计算得到该管道的失效概率小于15×10-3,安全等级介于“一般”和“很高”之间。经研究论证得该管道改输高压天然     

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.     

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。     

基于贝叶斯网络的页岩气集输管道失效概率计算方法研究

页岩气集输管道运行压力和出砂量在生产过程中衰减显著，这导致管道失效概率不断变化，针对这一问题，采用贝叶斯网络方法，建立了页岩气集输管道失效概率动态计算模型。首先，分析页岩气气质特征、管道运行工况及失效原因，利用逻辑门的连接关系，建立了页岩气集输管道失效故障树；其次，基于贝叶斯网络与失效故障树的结构映射关系，将失效故障树转化成贝叶斯网络结构；然后，通过贝叶斯网络的参数学习，实现模型求解；最后，进行了实例应用。研究结果表明:该模型不仅可有效计算页岩气集输管道的失效概率，还能确定影响管道失效的关键风险因素，并且可通过调整节点的状态及概率分布，实现页岩气集输管道失效概率的更新。