埋地含蜡原油热输管道修复中的安全保障

针对热输管道不停输修复中存在的主要安全问题,采用埋地热油管道热力水力计算方法确定了管道开挖修复的安全暴露长度.用在役含缺陷压力容器安全评定方法确定了最大允许悬空长度.利用开发的埋地热油管道开挖长度计算软件,实现了管道在任意工况、任意位置安全合理的暴露长度和悬空长度的计算,考虑多项影响因素的暴露长度和悬空长度兼顾了热油管道修复的安全性和经济性.应用弹性地基梁模型,在得到回填后管道弯曲应力分布的基础上,提出了保障回填后管道安全的措施,可以有效降低回填后管道的附加应力.     

采空区悬空天然气管道应力与应变模拟

采空区有可能造成地表沉降变形、碎裂甚至塌陷等次生地质灾害,易造成埋地管道的大范围变形甚至悬空。基于理想弹塑性模型,以某X70管道为例,考虑管道与土体的非线性、管道的几何非线性、土壤的物理非线性等因素,利用有限元软件ABAQUS建立采空区悬空天然气管道的有限元仿真计算模型。在内压、轴向力、外部载荷等共同作用下,分析X70悬空管道在不同悬空长度、不同内压、不同埋深条件下的应力应变变化,并采用双失效判别准则对其进行安全评估。结果表明:在充分考虑应力应变的变化趋势和变化速率基础上,通过双失效判据确定不同悬空长度管道所处的风险等级,可为采空区管道的完整性管理提供依据;内压对管道失效影响较大,当存在采空区塌陷时,需要临时降低管道内压以提高管道安全性能。     

含腐蚀缺陷占压管道的安全评估

针对含腐蚀缺陷管道因地面占压带来的安全问题,基于ABAQUS软件建立了地基-管道-堆载三维有限元模型,探讨了含腐蚀缺陷占压管道的应力和变形情况,研究了管道埋深、管道内压、堆载荷载以及腐蚀缺陷位置对埋地管道力学性能的影响。结果表明:增加管道埋深可以有效缓解管道应力分布,但同时会增大开挖工程量;当管道内压达到一定程度时,腐蚀缺陷作用下管道最大应力主要由管道内压控制,地面堆载荷载对其影响不大;管土切向摩擦因数对埋地管道力学性能影响较为显著,管道应力随着管土切向摩擦因数增加而近似线性增大;当腐蚀缺陷相对于管道截面的角度位置为5:15方向时,含腐蚀缺陷占压管道的应力最大。     

综合管廊燃气管道分支口受力数值模拟

针对综合管廊燃气管道分支口处弯管和三通较多的特点,以上海北岛西路综合管廊工程为例,采用有限元和数值理论方法,对多因素影响下的燃气管道应力和变形进行模拟分析。结果表明:燃气管道支架间距增大,其最大应力会减小;燃气管道焊缝缺陷长度增大,其最大应力会增大;燃气管道弯管角度增加,其最大应力呈现先增大后减小的趋势;管道变形量随支架间距减小而增大,且增大速度较快;管道焊接缺陷长度增大,管道变形量会增大,但增大幅度较小;同时,管道的走向变化对燃气管道的最大应力影响较大。研究结果可为管廊燃气管道分支口设计和施工提供重要的参考依据。     

山地悬空管道地震作用下的动态响应分析

山地石油天然气管道不可避免的要跨越一些悬空地区,悬空管道一旦遭遇地震破坏将会造成重大损失和增加抢修难度,因此研究悬空管道在地震作用下的动态响应尤为重要。而目前针对山地悬空管道抗震性能的研究较少,悬空管道在地震作用下的动态响应还不是十分清楚。利用有限元软件ABAQUS对悬空管道进行了模态分析和地震响应分析,对不同的参数进行了研究并绘制了管道的应力和位移曲线图。研究结果表明,管道壁厚、悬空长度、管径都会对山地悬空管道在地震作用下的动态响应产生一定的影响,其中悬空长度和管径影响最大。该研究结果为悬空管道在地震作用下的受力性能分析提供了依据。     

含点蚀缺陷输油管道修复前后的抗震性能

针对输油管道工程中常见的架空管道因存在局部腐蚀,而在地震作用下极易破坏的问题,采用ADINA有限元软件,建立含腐蚀缺陷及腐蚀缺陷修复后的输油管道与内部液体的流固耦合模型,并以管道应力最大处单元的位移、轴向应力及环向应力为指标,研究修复前后管道的抗震性能。结果表明:由于腐蚀缺陷的存在,在管道缺陷处应力集中现象非常明显,导致管道的抗震性能降低;修复后腐蚀区段管道的环向应力有所降低,挠度及轴向应力有所增加,但仍在规范允许的范围内,因此所选的工程实际中常用的B型套筒修复技术对提高腐蚀区段管道的抗震性能有效。研究结论可为今后腐蚀管道的修复提供理论指导。     

考虑强度匹配的高钢级管道环焊缝断裂评估方法

管道环焊缝的实际低强匹配是引发焊缝断裂失效的重要原因,在焊缝的适用性评估中,失效评估图方法无法准确考虑焊缝强度匹配的影响,准确纳入强度匹配成为拓宽失效评估图方法应用于高钢级管道环焊缝裂纹缺陷评估的关键。基于非线性有限元法,建立了高钢级管道环焊缝裂纹驱动力的数值仿真模型,采用等效应力应变关系方法构建了环焊缝裂纹的通用失效评估曲线,采用裂纹驱动力的有限元计算结果,结合BS 7910-2019《金属结构中缺陷可接受性评估方法指南》推荐方法,构建了系列不同载荷水平下的有限元评估点,探明了BS 7910-2019对于环焊缝裂纹缺陷的评估精度,查明了影响评估结果精度的关键原因。在此基础上,考虑裂纹深度、裂纹长度、焊缝强度匹配系数,提出了优化的管道环焊缝极限载荷计算模型以及改进的失效评估图方法,准确将焊缝强度匹配纳入到失效评估图方法中,进一步提高了高钢级管道环焊缝裂纹缺陷的评估精度,可为在役高钢级管道环焊缝裂纹的适用性评估提供参考。(图11,参24)     

基于小挠度理论的悬空管道力学分析

根据小挠度理论,建立了黄土塌陷、水冲、滑坡等弓J起的管道悬空段的力学模型,考虑管子自重、防腐层重量、输送介质重量、温度应力、土体的内聚力等对管道的作用,给出了以上各种载荷的计算方法,并利用ANSYS软件计算了不同悬空长度管道的应力分布,找出了最大的Mises应力及位移值,以及它们所对应的位置.     

棋盘洲长江公路大桥锚碇基坑施工性状数值分析

针对棋盘洲长江公路大桥锚碇基坑地下连续墙+内衬的支护形式,采用有限元软件对基坑开挖施工全过程进行数值模拟,并与现场实测数据对比,分析了基坑开挖对支护结构受力变形及周边环境的影响。结果表明,地下连续墙径向应力主要位于墙身嵌岩部分,地下连续墙环向应力曲线与径向位移曲线呈内凹形,地下连续墙环向最大应力及径向最大位移的位置随开挖而逐渐下移;在开挖0～39m时,最大值位置位于开挖面以下,开挖39～49.8m时,最大值位置位于开挖面以上;地下连续墙顶部产生向上的竖向位移,地下连续墙背土压力主要位于嵌岩段范围内,且随基坑开挖深度增加而增大;周边地表沉降主要由施工荷载导致,地表沉降在2倍开挖深度范围外基本无影响。     

温度和不均匀沉降耦合作用下埋地管道力学性能

埋地油气管道一旦发生泄漏、爆炸等事故,其危害巨大,因此研究温度和不均匀沉降耦合作用下埋地管道的力学性能,开展安全风险评价十分重要。建立管道-地层整体模型,采用有限元分析软件ABAQUS进行非线性求解。通过间接耦合法实现温度作用和隧道开挖作用的耦合,分别模拟了不同管径、壁厚、埋深条件下的埋地管道应力应变状态,得出在不同影响因素下管道Mises应力和纵向位移的变化规律。分析结果表明:在温度变化和不均匀沉降耦合作用下,管径和壁厚对埋地管道应力应变状态有较大影响,管径越大,管道Mises应力越大,纵向位移越小,壁厚越大,管道Mises应力越大,纵向位移越大;当管道处在隧道上方时,一定埋深范围内,埋深对管道的应力应变状态影响较小,管道Mises应力和纵向位移随着埋深的增加并无明显变化;管道接口与直管连接处出现应力集中现象,实际运行过程中应注重该部位的检测和维护。     

复杂地形黄土斜井稳定性分析及施工优化

为了研究复杂地形黄土斜井开挖数值模型,分析开挖前后坡体稳定性和斜井结构安全性,优化设计施工方案,采用有限元强度折减法分析坡体稳定性,通过对比不同开挖方式下斜井的变形特点和应力分布规律,提出斜井开挖及支护优化方案。研究表明,根据实际地形采有限元方法模拟开挖过程、采用强度折减法分析坡体稳定性,不需要简化地形,可实现斜井开挖工况模拟和安全分析,对斜井设计和施工具有积极的指导作用。     

滩海埋地管道变形相似试验与抗漂浮数值计算

研究滩海天然气管道的变形规律和抗漂浮问题,可为该方面设计和计算提供参考依据,对保障管道安全运行有着重要意义。设计了滩海埋地天然气管道变形相似试验,模拟了在预定工况下滩海管道的变形过程,并采用有限元软件ANSYS计算了相同工况下的管道与土体的受力变形结果,与试验结果进行了对比,从而提出了一套关于滩海管道抗漂浮计算的有限元计算方法。采用ANSYS对实际工程管道的抗漂浮计算结果表明：在管道模型两端约束区,局部应力集中现象比较严重;远离约束区的管道各截面变形趋于一致,属于平面应变问题;随着管道埋深的减小,受浮力作用段管道的y向位移加速增大。（图13,表3,参12）     

冻土区坡体蠕滑作用下管道应力数值计算

长输油气管道在一般地段埋地敷设,当经过季节性斜坡冻土区时,由于冻融引起的坡体蠕滑作用导致管道产生附加应力。通过安装管道轴向应变传感器可监测坡体蠕滑作用导致的管道轴向应力变化,但开展管道强度评价时,需要明确管道应变监测初始应力,由于应力检测技术多在实验室环境下使用,工程上并不成熟,目前行业内一般通过有限元建模计算方法获取管道应变监测初始应力。以涩宁兰一线某穿越斜坡季节性冻土地貌埋地管道为例,介绍了位于季节性冻土区的管道当前面临的主要风险、土体位移分布形式与位移的确定,以及季节性冻土区斜坡体位移作用下管道的受力和变形情况。采用向量式有限元方法,利用空间梁单元和非线性土弹簧模型对灾害点管道进行了数值模拟,并得到管道现状应力分布,为确定管道本体应变监测截面位置、估计管道现状应力分布及管道安全评价提供依据。     

中俄东线直径1422mmX80钢级冷弯管设计参数的确定

为了满足中俄东线工程建设的实际需求,需要开展直径1 422 mm、X80钢级管道冷弯管设计参数的相关研究。采用AS 2885.1-2012《管道-天然气和石油管道第1部分:设计和建造》中的公式计算得出冷弯管的最大弯曲角度为6.48°;再通过冷弯管弯制过程中的应力应变有限元模拟分析,得到当弯曲角度为6~8°时,管道处于弹塑性区,满足变形要求。经过实验室及中俄东线试验段的现场验证,弯制的6.4°冷弯管回弹量及变形量均匀稳定,椭圆度、壁厚及内弧波浪度等指标均控制良好,能够满足工程要求。经过相关计算、分析及验证,最终确定中俄东线直径1 422 mm、X80钢级冷弯管的最大弯曲角度为6°,曲率半径不小于50倍钢管外径(71 100 mm)。该结果可为中俄东线天然气管道工程建设提供指导。     

3WPZ-h00自走式喷杆喷雾机机架的轻量化设计

为了解决喷杆喷雾机机架因安全裕度过大而引起质量过重的问题,利用Optistruct软件的尺寸优化模块进行轻量化设计.利用CATIA和Hypermesh软件建立整机有限元模型,通过机架的自由模态分析结果与试验结果的对比,验证了机架模型的准确性并分析了机架的振动频率.在有限元软件中对机架系统进行了静态分析,计算了机架系统在工作情况下的应力分布和变形.结合实际情况,采用离散的设计变量,以安全系数为1.3时材料的最大许用应力和变形量为约束条件,对机架进行轻量化设计.结果显示,经过尺寸优化后,机架在满足强度和刚度的情况下,其质量减少了58.1%,达到了轻量化的目的.     

加氢反应器裙座支撑结构的有限元分析

加氢反应器裙座支撑结构部位的机械应力和温差应力均较大,应力状况较为恶劣。对加氢反应器裙座支撑局部结构进行了温度场分析,采用间接分析法将所得温度场施加到结构上进行热应力分析。根据不同温度点的单向拉伸试验得到材料在各温度点下的应力一应变曲线,采用线弹性和弹塑性两种材料本构分别对加氢反应器裙座支撑结构进行有限元计算。将计算结果进行对比分析,表明弹塑性有限元计算结果更加精确。此外,根据ASMEVIII-22007关于两种方法的失效评定内容对该结构局部失效的可能性进行了评定计算。对比研究表明,基于线弹性有限元计算结果虽可用于工程设计,但其最大应力部位与实际情况并不一致,因此分析设计计算方法仍有改进的空间。（图6,表1,参10）     

钢骨架塑料复合管带压开孔的有限元模拟

针对钢丝网骨架塑料复合管在带压开孔施工中的盲目性问题,对钢骨架塑料复合管进行力学分析,建立复合管的力学模型,并对管段模型进行网格划分。运用ANSYS软件对其在不同管径下的最大开孔孔径进行有限元模拟,得到不同开孔孔径下的Mises等效应力分布云图,进而确定最大开孔孔径。结果表明,最大开孔孔径随管径的增加呈线性增加。基于ANSYS仿真结果,通过对管段的密封性进行检测,发现施工条件下管段无介质泄漏现象发生,且未见明显塑性变形。通过现场试验验证了钢骨架塑料复合管的带压开孔模型精度较高,可以为其现场开孔作业提供参考。     

隧道口弯管系应力计算模型

基于隧道穿越管道进出洞口的约束状态及应力分析,提出了隧道进出口弯管设计形状简化的处理方法。推导了弯管参数简化后的受力平衡方程,利用该方程导出最大弯矩状态下的管壁应力σBmax的计算方法。可利用最大计算应力选取或验算弯管壁厚,以保证弯管形式的安全可靠。计算结果全面反映了施工安装阶段的实际情况,体现了隧道内管道施工安装中的工程参数,有利于工程质量的控制。（图4,参6）     

不均匀沉降填海地基埋地管道应力计算

为寻求埋地管道在填海软土地基不均匀沉降工况下的变形规律,以唐山曹妃甸填海地区地质勘察资料为依据,基于固结压缩原理进行了填海地基沉降值的计算及预测,得出了填海软土地基沉降规律,并利用沉降修正系数校正高速公路段地基沉降量。通过对地基相对沉降量进行多组的定量设置,并以此作为管道变形的边界条件,采用等效弹簧模拟埋地管道中管土相互作用,采用有限元计算方法,分别计算了埋地管道在各变形作用下的应力值。结果表明：曹妃甸填海软土地基穿越公路管道在50年运营期间,不会发生断裂。（图6,表2,参15）