基于壳单元的连续型采空区埋地管道应变分析

采空沉陷区管道在地表变形的作用下会产生较大的应变,导致管道拉裂或屈曲失效,因而建立了三维连续型位移采空区管道应变数值计算模型,该模型使用非线性壳单元模拟管道,非线性弹簧模拟管土间相互作用。基于有限元模型,分析了管道应变空间分布特征及其随主要影响因素的变化规律。结果表明:连续型采空沉陷作用下管道会产生与地表一致的垂向位移,管道内弯曲应变远小于轴向应变;采空沉陷区管道的轴向应变随着覆岩岩性硬度的增强而增加,随着走向长度、开采深度的增加而增加,而煤层采厚对轴向应变几乎没有影响;管道内压、管道埋深、管土间摩擦折减因数的增加均会导致管道轴向应变的增大,增加管道壁厚能够有效减小管道的轴向应变。     

基于应变准则的采空暗悬管道的安全性评价

管道穿越采空区时可能形成暗悬,长距离的暗悬会使管道产生较大的应力应变,严重时会造成管道拉断失效。基于非线性有限元法,建立了三维暗悬管道力学计算数值模型,采用基于应变的设计准则对采空暗悬管道进行安全性评价。模型考虑了管材、管土相互作用及几何大变形多重非线性因素,采用非线性土弹簧单元模拟管土作用,采用壳单元描述管道变形。分析了暗悬管道在不同工况下的应力应变响应,对比了采用基于应力与基于应变失效准则判断暗悬管道极限状态的差异。分析结果表明:基于应力的准则偏于保守;基于应变的准则能够更多地利用管材的塑性性能。研究成果可为管道的完整性管理与安全评价提供理论参考。     

黄土地区穿河管道失效风险

黄土地区河流形成洪水的密度大,流速快,冲击力强,容易导致河床冲刷造成管道悬空。为了评价该地区洪水对油气管道穿河悬空段的影响,针对穿河管道悬空段的受力特点,建立了管道力学模型。在此基础上,根据信息熵理论建立了管道失效风险的计算与评价方法,并以马慧宁输油管道悬跨段为例,探讨了洪水作用下管道外径、壁厚、内压、悬跨长度及埋深5个参数的变化对管道失效风险的影响。分析结果表明:管道应变能熵随洪水流速的变化曲线能够反映管道稳定性的变化规律;管道失效风险系数对管道悬跨长度的变化最敏感,而管道内压及埋深对管道失效风险影响相对较小。基于此,建议在管道风险控制过程中降低管道的悬跨长度,从而有效降低管道的失效风险。     

基于BP-MC方法的断层区管道可靠性分析

走滑断层是埋地管道常见的地质灾害。断层引发的地面位移往往使管道变形过大而失效,开展断层区管道可靠性分析对管道的安全评估具有重要意义。为此,基于非线性有限元软件ABAQUS建立穿越走滑断层的X80钢管道有限元模型,计算管道几何尺寸、地表位移、内压以及土壤类型等多因素影响下管道的设计应变,形成工程中管道设计应变的有限元数据,基于该数据库创建了BP双隐层神经网络的设计应变预测模型,建立了基于应变准则的极限状态方程,结合MC(Monte Carlo)法,开展了走滑断层区X80管道的可靠性计算,并进行了管道可靠性的影响因素分析。BP-MC方法计算结果准确,运行时间成本低,适用于断层作用下管道的可靠性分析。(图6,表3,参28)     

逆断层作用下X80埋地管道的非线性屈曲分析北大核心

埋地高强钢管道是油气长距离输送的主要方式,而地震造成的断层位移错动严重威胁管道的安全运行。建立了埋地X80高强钢管道在逆断层作用下的有限元模型,采用弯管与管单元模拟管道,非线性土弹簧模拟管土相互作用。考虑了管材、管土、几何大变形造成的非线性,模型采用非线性稳定算法,保证了求解的收敛性。依据西气东输二线工程参数,详细分析了逆断层作用下管道的两种屈曲失效形式,即梁式整体屈曲失效与壳式局部失稳失效。同时,讨论了断层倾角、管道壁厚及埋深对管道屈曲失效形式的影响。研究成果对穿越断层管道的设计与安全评价有一定的指导意义。     

逆断层作用下X80埋地管道的非线性屈曲分析

埋地高强钢管道是油气长距离输送的主要方式,而地震造成的断层位移错动严重威胁管道的安全运行。建立了埋地X80高强钢管道在逆断层作用下的有限元模型,采用弯管与管单元模拟管道,非线性土弹簧模拟管土相互作用。考虑了管材、管土、几何大变形造成的非线性,模型采用非线性稳定算法,保证了求解的收敛性。依据西气东输二线工程参数,详细分析了逆断层作用下管道的两种屈曲失效形式,即梁式整体屈曲失效与壳式局部失稳失效。同时,讨论了断层倾角、管道壁厚及埋深对管道屈曲失效形式的影响。研究成果对穿越断层管道的设计与安全评价有一定的指导意义。     

油气管道悬空沉降变形失效评估

管道在实际运行过程中常常受到因沉降变形导致的外部载荷作用,而已有的管道失效评估标准与方法大多局限于内压对管体的影响.针对油气管道悬空沉降变形问题采用力学模型、有限元分析、开挖试验等方法进行了系统研究,模拟了无缺陷和含缺陷悬空管道的应力分布,结果表明,缺陷在管道底部时等效应力最大.通过开挖试验获得了最大应力点的应力变化等试验数据,验证了有限元方法用于工程实践的可行性,指出在实际工程评估中尚需考虑缺陷位置、土质等因素的影响.     

高压管道黄土塌陷情况下的力学分析与计算

根据Winkler线性理论,建立了黄土塌陷时管道与土相互作用的力学模型.考虑了管道自重、内压、上方黄土和黄土的内聚力等对管道的作用,计算了不同长度管道的应力分布,给出了失效长度.     

重型车辆碾压下埋地X70管道力学响应

【目的】随着中国城镇化建设的不断推进,重型车辆通过埋地管道上方的情况日益增多,探究重型车辆碾压下埋地管道力学响应规律对保障油气管道安全运行具有重要意义。【方法】以埋地X70管道为研究对象,设计并开展车辆碾压管道室外实验,采用应变电测法获取管道响应数据,总结管道土压力和轴向应力的响应规律;使用ABAQUS软件建立土体-管道有限元仿真模型,采用非线性接触模型模拟管土相互作用,将车辆荷载简化为移动面源恒载,编写DLOAD子程序实现加载,按照实验工况进行仿真。【结果】所得管道附加轴向应力的仿真值与实验值偏差小,且土压力、轴向应力分布规律与试验结果相同,验证了管道土压力、轴向应力的响应规律;基于验证后的有限元模型,采用单一变量法,通过仿真探讨了车辆载重、车辆速度、管道直径、管道壁厚、填土高度与管道内压6种参数对管道轴向应力的影响规律。【结论】两侧履带正下方截面处管顶土压力和轴向应力均大于中心截面处,管底轴向应力小于中心截面处。增大管道直径、管道壁厚或填土高度均可减小车辆碾压引起的管道附加轴向应力,但改变车辆速度与管道内压对管道附加轴向应力无显著影响。研究所得埋地管道力学响应规律可为重型车辆碾压下...     

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。     

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。     

天然气管道的屈曲变形模拟

在外荷载作用下,埋地管道的屈曲失效受诸多因素影响,外压、内压、轴向力和弯矩均会使管道产生屈曲,屈曲变形较为复杂。以西660X7．1钢管发生局部非均匀屈曲为例,通过有限元方法开展管道的屈曲失稳研究,分析不同载荷下管体的变形形式,进而判断造成钢管屈曲变形的主要原因：钢管变形处受到较大弯矩作用,而弯矩是斜坡钢管与土壤之间摩擦力不足,管道输气压力循环波动,土壤随气温季节性冻结、融化产生的管道周期性轴向载荷所致。（图9,参6）     

基于CAESARⅡ的埋地热油管道应力计算

对于埋地管道,土壤和管道的相互作用是管道应力分析的重要组成部分,研究管道周围土壤的力学特性至关重要。基于CAESARⅡ应力软件建立了合理的埋地热油管道应力分析模型并进行数值计算,分析了操作温度与安装温度差值、管道埋深、土壤内摩擦角等参数对管道局部推力和位移的影响。研究表明:管道内外温差、埋深及土壤内摩擦角对埋地管道地上和地下部分的应力、位移、固定墩推力的大小和方向影响较大,设计时必须对土壤参数进行准确界定,以期达到理想效果。     

地震裂缝错位作用时埋地管道的有限元分析

地震作用可引起地层沉陷、土壤液化、地层裂缝错位,对埋地管道有很大的破坏作用,为保障管道安全运行,必须开展管道抗震研究,使埋地管道能抵御一定烈度的地震力。分析地震裂缝错位对埋地管道的作用,根据最小势能原理,推导出在地震裂缝错位作用下埋地管道的有限元方程,利用该方程可计算埋地管道在地震裂缝错位作用下的位移、内力及应力,并提供了计算实例。     

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）     

重车碾压作用下X65管道力学响应及影响因素

随着中国城市化进程的加快,道路与管道交叉的情况日益增多,使管道运行安全受到威胁.以X65管道为研究对象,通过现场试验开展了空载、半载、满载3种动载荷作用下管道力学响应状态研究.基于试验结果建立考虑管土非线性相互作用的参数化数值计算模型,实现了车辆动载荷的精准模拟,数值计算结果与试验结果误差小于5％.在此基础上,探究了重...     

轴向腐蚀缺陷宽度对管道极限内压荷载的影响

针对海底管道的中高强度钢腐蚀极限内压预测问题，采用有限元弹塑性分析方法，考虑材料非线性和几何非线性，建立非线性分析模型并与试验数据进行对比分析，验证了有限元模型的合理性和准确性。基于有限元计算结果分析得出腐蚀深度、腐蚀长度及腐蚀宽度对海底管道极限内压的影响，并回归得到了适用于轴向腐蚀管道极限荷载的计算公式。通过与腐蚀管道爆破试验数据和现有腐蚀管道计算方法的比较分析，验证了该方法能够得到较准确的结果，可为海底腐蚀管道在内压荷载作用下的评估提供一定的依据。     

断层作用下海底管道应变的改进解析分析方法

活动断层是海底管道的主要地质灾害威胁之一,断层作用下管道会产生过量的轴向变形而失效。提出一种改进的走滑断层作用下海底管道应变解析分析方法:根据线性强化模型考虑了管材的非线性本构关系,通过理想弹塑性本构的非线性土弹簧模型准确计算土壤非线性约束对管道结构响应的影响,由管道受力微分控制方程推导得到管道内轴向应变的解析结果,并给出管道伸长量的显示表达式。最终基于平衡方程和迭代计算,可以精确计算管道应力应变。对比有限元计算结果,改进后的管道应变解析分析方法较现有的推荐方法(Newmark法)计算精度更高。     

直径1422mmX80管道环焊接头应变能力数值模拟方法

鉴于高钢级管材的组织特征及焊缝失效对于管道安全的重要影响,管道环焊缝承载能力成为当前管道行业的研究热点,以中俄东线全自动焊口为研究对象,准确考虑环焊接头根焊、热影响区、母材、填充焊4个区域材料本构关系的差异性,基于有限元方法建立了分析管道环焊接头应变能力的数值仿真模型。定量分析了母材屈强比、运行内压、载荷类型等组合工况下焊缝强度匹配系数等对管道环焊缝裂纹扩展驱动力的影响。采用静裂纹起裂的失效判定方法,以表观断裂韧性值为临界准则,结合中俄东线管材及环焊接头材料特性参数实际变化范围,计算了在设计工况范围内最不利条件下中俄东线环焊接头的应变能力。结果表明:提高焊缝区强度匹配能够有效减小接头的裂纹扩展驱动力,增加管道内压或提高母材屈强比会使相同强度匹配条件下的裂纹扩展驱动力更大,拉伸载荷下的裂纹扩展驱动力要大于弯曲载荷下的裂纹扩展驱动力。该方法既可以用于根据焊接接头性能要求指导焊接参数的确定,也可以用于在役管道含缺陷焊接接头的适用性评价。