Теоретический анализ деформирования стальных газопроводных труб с учетом сдвиговых эффектов при поверхностных взрывных нагрузках

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8658 (2022) Цитировать эту статью

1092 доступа

3 цитаты

Подробности о метриках

Взрывные нагрузки имеют большое значение для безопасной эксплуатации стальных и газопроводов, а результаты, полученные с помощью традиционных теоретических формул для прогнозирования безопасности трубопроводов, не соответствуют фактическим измеренным данным. В данной статье проводятся полноразмерные полевые испытания и соответствующее численное моделирование с использованием теории балок Тимошенко и теории взрывных волн напряжения, которые учитывают сдвиговые эффекты. В то же время, в сочетании с теорией жесткости фундамента и коэффициентом гибкости жесткости трубопровода, получается модифицированная теоретическая модель, соответствующая фактическим условиям площадки, которая может точно рассчитать деформацию и смещение подземной взрывной нагрузки трубопровода, и значительно уменьшить погрешность результатов теоретического прогнозирования. Новизна результатов исследования в данной статье заключается в том, что теоретическое напряжение в балке Тимошенко может быть заменено окружной деформацией. С другой стороны, модифицированное теоретическое решение позволяет получить критический вес взрывчатки для предотвращения повреждения трубопровода на различной глубине залегания. Он обеспечивает теоретическую основу для защиты подземных взрывных нагрузок трубопроводов и предлагает исследовательские идеи для безопасной защиты и проектирования трубопроводов.

Как основной способ транспортировки нефти и газа, подземные трубопроводы различного диаметра играют огромную роль в сфере транспортировки энергии, и их структурная безопасность вызывает большое беспокойство1,2,3. Однако с дальнейшим ростом урбанизации, приводящим к более плотной сети подземных трубопроводов, безопасность и защита трубопроводов становятся все более важной проблемой4,5,6. Кроме того, некоторые военные операции и гражданское производство имеют тенденцию повышать вероятность взрывного повреждения находящихся в эксплуатации трубопроводов7,8. В то же время в некоторых районах возросла вероятность террористических атак, даже с учетом нескольких взрывов вдоль нефте- и газопроводов9. Между тем, после детального расследования было установлено, что в последние годы повреждение третьих лиц является основной причиной выхода из строя подземных трубопроводов и приводит к серьезным авариям10. Поэтому важно изучить характеристики повреждения трубопроводов при взрывной нагрузке.

Для изучения трубопроводов, подвергающихся взрывным нагрузкам, за последние несколько десятилетий было проведено множество экспериментальных и теоретических исследований подземных трубопроводов, подвергающихся наземным взрывным нагрузкам11,12,13. В качестве примера Чжан и др.14 использовали численное моделирование для изучения влияния различных факторов на безопасность трубопровода, таких как вес взрывчатых веществ, горизонтальное расстояние взрывчатых веществ от трубы и глубина залегания трубопровода. Сонг и др.15 выбрали трубу X70 для полевых взрывных испытаний и получили четыре различных режима разрушения, основанных на прогибе и уровне повреждения трубы, в том числе (а) режим 1 — это большая упруго-пластическая деформация в центральной области; (б) режим 2: внешняя поверхность трубы подвергается большой пластической деформации и становится тоньше в центральной области; (в) режим 3 – когда как внешняя, так и внутренняя поверхности трубы слегка порваны в центральной области; (г) режим 4 – когда передняя и задняя части трубы полностью разорваны. На основе работы Мишры и др.16 и Чжана и др.17 ущерб был нормализован по критериям локального повреждения и критериям общего отказа в соответствии с моделью повреждения. С другой стороны, критерий повреждения отношения прогиба к пролету использовался для оценки степени повреждения подземных трубопроводов, и повреждения трубопроводов можно разделить на следующие четыре категории, включая (а) незначительные повреждения; (б) средний ущерб; (c) серьезное повреждение и (d) обрушение. На примере работы Бамбаха и др.18, которые использовали лабораторные исследования для анализа металлических балок при поперечном взрывном нагружении, уделяя особое внимание деформационной части твердого металла. Помимо лабораторных исследований, исследователи также очень предпочитают теоретические исследования: некоторые авторы, такие как Абеди и др. 19, использовали теоретический аналитический метод для определения отклонения балки под действием взрывной волны. Более того, Олареважу и др.20 провели аналитическое и численное исследование статической и динамической реакции подземных трубопроводов под взрывной нагрузкой. Между тем, в некоторых исследованиях изучались характеристики разрушения труб в дополнение к простым исследованиям деформации, например, Мирзаи и др.21, которые проанализировали динамическое разрушение труб под внутренними взрывными нагрузками с помощью численного моделирования и экспериментов.