Theoretische Analyse der Verformung für Gasrohre aus Stahl unter Berücksichtigung von Schereffekten unter Oberflächenexplosionslasten

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8658 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Bodenexplosionslasten sind für den sicheren Betrieb von Stahl- und Gaspipelines von großer Bedeutung, und die Ergebnisse traditioneller theoretischer Formeln zur Vorhersage der Pipelinesicherheit stimmen nicht mit den tatsächlich gemessenen Daten überein. In dieser Arbeit werden Feldversuche in Originalgröße und entsprechende numerische Simulationen unter Verwendung der Timoschenko-Balkentheorie und der Explosionsspannungswellentheorie durchgeführt, die Schereffekte berücksichtigen. Gleichzeitig wird in Kombination mit der Theorie der Fundamentsteifigkeit und dem Flexibilitätsverhältnis der Rohrleitungssteifigkeit ein modifiziertes theoretisches Modell erhalten, das den tatsächlichen Bedingungen des Standorts entspricht und die Verformung und Verschiebung der unterirdischen Explosionslast der Rohrleitung genau und erheblich berechnen kann Reduzieren Sie den Fehler theoretischer Vorhersageergebnisse. Die Innovation der Forschungsergebnisse in dieser Arbeit besteht darin, dass die theoretische Spannung im Timoschenko-Balken durch die Umfangsdehnung ersetzt werden kann. Andererseits kann die modifizierte theoretische Lösung das kritische Gewicht von Sprengstoffen ermitteln, um Pipelineschäden in unterschiedlichen Erdtiefen zu verhindern. Es bietet eine theoretische Grundlage für den Schutz der unterirdischen Explosionslasten von Pipelines und liefert Forschungsideen für den sicheren Schutz und die sichere Gestaltung von Pipelines.

Als Haupttransportmittel für Öl und Gas spielen erdverlegte Pipelines mit unterschiedlichen Durchmessern eine große Rolle im Bereich des Energietransports, und ihre strukturelle Sicherheit ist von großer Bedeutung1,2,3. Mit der weiteren Zunahme der Urbanisierung, die zu einem dichteren Netz erdverlegter Pipelines führt, wird jedoch die Sicherheit und der Schutz von Pipelines als immer wichtigeres Thema angesehen4,5,6. Darüber hinaus erhöhen einige militärische Operationen und zivile Produktion tendenziell das Potenzial für Explosionsschäden an in Betrieb befindlichen Pipelines7,8. Gleichzeitig ist das Potenzial für Terroranschläge in einigen Gebieten gestiegen, selbst wenn es zu mehreren Explosionen entlang von Öl- und Gaspipelines kam9. Mittlerweile wurde nach einer detaillierten Untersuchung festgestellt, dass in den letzten Jahren Schäden durch Dritte die Hauptursache für das Versagen erdverlegter Pipelines waren und zu schweren Unfällen geführt haben10. Daher ist es wichtig, die Schadenseigenschaften von Pipelines unter Druckbelastung zu untersuchen.

Für die Untersuchung von Pipelines unter Explosionslasten gab es in den letzten Jahrzehnten zahlreiche experimentelle und theoretische Studien zu erdverlegten Pipelines, die Bodenexplosionslasten ausgesetzt waren11,12,13. Beispielsweise verwendeten Zhang et al.14 numerische Simulationen, um die Auswirkungen verschiedener Faktoren auf die Pipeline-Sicherheit zu untersuchen, wie etwa das Gewicht des Sprengstoffs, den horizontalen Abstand des Sprengstoffs vom Rohr und die Versenkungstiefe der Pipeline. Song et al.15 wählten das X70-Rohr für Feldexplosionstests aus und ermittelten vier verschiedene Versagensmodi basierend auf der Durchbiegung und dem Schadensgrad des Rohrs, darunter (a) Modus 1 ist eine große elastisch-plastische Verformung im zentralen Bereich; (b) Modus 2 bedeutet, dass die Außenfläche des Rohrs eine große plastische Verformung erfährt und im zentralen Bereich dünner wird; (c) Modus 3 liegt vor, wenn sowohl die Außen- als auch die Innenfläche des Rohrs im mittleren Bereich leicht eingerissen sind; (d) Modus 4 bedeutet, dass sowohl der vordere als auch der hintere Teil des Rohrs vollständig zerrissen sind. Basierend auf der Arbeit von Mishra et al.16 und Zhang et al.17 wurde der Schaden gemäß dem Schadensmodell in lokale Schadenskriterien und Gesamtausfallkriterien normalisiert. Andererseits wurde das Schadenskriterium des Verhältnisses von Durchbiegung zu Spannweite verwendet, um den Grad der Beschädigung von unterirdischen Rohrleitungen zu bewerten, und die Schäden an Rohrleitungen können in die folgenden vier Kategorien eingeteilt werden, darunter (a) geringfügige Schäden; (b) mäßiger Schaden; (c) schwerer Schaden und (d) Zusammenbruch. Am Beispiel der Arbeit von Bambach et al.18, die Laborstudien zur Analyse von Metallträgern unter transversaler Druckbelastung verwendeten und sich dabei hauptsächlich auf den massiven Metallverformungsteil konzentrierten. Neben Laborstudien werden auch theoretische Studien von Forschern sehr bevorzugt. Einige Autoren wie Abedi et al.19 haben eine theoretische Analysemethode verwendet, um die Strahlablenkung unter der Wirkung der Druckwelle zu ermitteln. Darüber hinaus führten Olarewaju et al.20 eine analytische und numerische Untersuchung der statischen und dynamischen Reaktion erdverlegter Pipelines unter Druckbelastung durch. Mittlerweile haben einige Studien zusätzlich zu einfachen Verformungsstudien auch Rohrbrucheigenschaften untersucht, beispielsweise Mirzaei et al.21, die den dynamischen Bruch von Rohren unter internen Explosionslasten durch numerische Simulationen und Experimente analysierten.

Aus der obigen Analyse geht klar hervor, dass numerische Simulationsanalysen trotz der umfassenden Verwendung experimenteller und analytischer Methoden in der Literatur nicht vernachlässigt werden dürfen, da sie wertvolle Informationen über die Reaktionsdetails von Strukturbauteilen mit komplexeren Materialeigenschaften liefern können22,23,24. In letzter Zeit haben viele Wissenschaftler numerische Simulationssoftware wie ABAQUS, LS-DYNA und AUTODYN verwendet, um die Auswirkung der Explosionsbelastung auf Pipelines zu untersuchen, und es wurden detailliertere dynamische Reaktionsparameter erhalten, die experimentell nicht ermittelt werden konnten25,26,27. Allerdings sind diese Literaturstücke nicht systematisch genug für die Untersuchung der dynamischen Reaktionsparameter, und die numerische Simulationssoftware verfügt über mehr Parameter, sodass es schwierig ist, viele Studien zu finden, die die Entsprechung zwischen Feldtests und numerischen Simulationen enthalten. Es ist jedoch erwähnenswert, dass die Bewegung explosiver Fragmente nach der Beschädigung für die dynamische Analyse von Strukturen sehr wichtig ist. Während es schwierig ist, die Materialeigenschaften zum Zeitpunkt der Verformung und Beschädigung zu quantifizieren, war es schwierig, die Verformung von Rohrleitungen zu quantifizieren bisher vorhersagen.

Darüber hinaus ist die Forschung zu Sprengparametern und Pipeline-Parametern nicht umfassend genug und es gibt nicht genügend theoretische Erklärungen für die Anwendung dynamischer Reaktionseigenschaften auf den Pipeline-Sicherheitsschutz. Noch wichtiger ist, dass viele der zur Analyse der numerischen Simulationsreaktionsdaten verwendeten Methoden nicht umfassend und genau genug sind und die Versagensarten erdverlegter Rohrleitungen unterschiedlicher Durchmesser und Versenkungstiefen unter Oberflächenexplosionslasten nicht ausreichend untersucht wurden. Darüber hinaus handelt es sich bei den meisten numerischen Simulationen um kommerzielle Software und die Forschungsergebnisse sind ähnlich. Daher stellt dieser Artikel einen theoretischen Analyseansatz vor, der den Vorteil hat, dass das Sicherheitskriterienmodell für Rohrleitungen unter unterschiedlichen Oberflächenexplosionslasten untersucht werden kann, indem der theoretische Analyseansatz mit Schadensunterscheidungskriterien kombiniert wird.

Auf der Grundlage der obigen Analyse werden in diesem Artikel die Auswirkungen der Oberflächenexplosionslast auf die Rohrleitung untersucht, gleichzeitig mehrere dynamische Reaktionsparameter analysiert und der Knickschaden der erdverlegten Rohrleitung auf der Grundlage der theoretischen Analysemethode bewertet. Die Feldtests und das numerische Berechnungsmodell an X42 (L290)-Stahlrohren in voller Größe wurden unter Oberflächenexplosionslasten entworfen und durchgeführt. Mittlerweile konnten die relevanten Parameter des numerischen Modells durch den Vergleich der Felddaten mit den numerischen Simulationsdaten gut verifiziert werden. Gleichzeitig wird in Kombination mit der Balkentheorie von Timoschenko unter Berücksichtigung des Schereffekts und der Theorie des flexiblen Verhältnisses der Fundamentsteifigkeit zur Rohrleitungssteifigkeit die Vorhersagegleichung für die vertikale Verschiebung der Rohrleitung modifiziert. Noch wichtiger ist, dass die Feldtests im Allgemeinen gut reproduziert wurden und auch die Biegeschäden von erdverlegten Rohrleitungen unter der Einwirkung der Bodenexplosion weiter untersucht wurden. Abschließend werden die Auswirkungen der Versenkungstiefe und des Explosionsniveaus auf verschiedene dynamische Eigenschaften der Pipeline in Verbindung mit dem Ansatz der kleinsten Quadrate diskutiert, die maximale vertikale Verschiebung der Pipeline wird gut vorhergesagt und die Ergebnisse der theoretischen Analyse spiegeln die Schlüsselphänomene gut wider .

Wenn der Sprengstoff gezündet wird, verläuft die Druckwelle entlang der freien Oberfläche in Richtung der schnellen Ausbreitung des Aufpralls um den Gesteinskörper herum. Wenn die Druckwelle die Grenzfläche zwischen Luft und Gestein erreicht, ist die äußere Kraft, die auf die Gesteinsgrenzfläche wirkt, der anfängliche Aufpralldruck. Es wurden viele Aufpralldruckgleichungen28,29,30 für Sprengstoffe eingeführt und der anfängliche Aufpralldruck kann verwendet werden, um den Druck der Explosionsspannungswelle auszudrücken, wie in Gleichung (1) gezeigt. (1):

Dabei ist P0 die Rolle des Explosionsdrucks, ρ0 die Dichte der Explosion, D die Geschwindigkeit der Explosion, β der adiabatische Expansionsindex der Explosionsprodukte und wird als 3,0 angenommen. Wenn der Oberflächensprengstoff gezündet wird, erzeugen die Druckstoßwelle und die Spannungswelle eine Fragmentierungszone, eine Bruchzone und eine elastische Zone um das Zentrum des Sprengstoffs. Die Werte der Stoß- und Spannungswellen nehmen mit zunehmender Explosionszeit ab. Der Verlauf von Stoß- und Spannungswellen mit der Explosionszeit hat die Form einer Exponentialfunktion. Der Dämpfungskoeffizient ist wie in den Gleichungen dargestellt. (2)–(3).

Dabei ist μs die Poissonzahl des Bodens. Die Spannungswelle erreicht den äußeren Rand der Bruchzone und tritt dann in die elastische Zone ein. In der elastischen Zone erzeugt die Spannungswellenwirkung nur elastische Schwingungen, den Explosionsdruck, wie in Gl. (4):

Dabei ist Pe der Explosionsdruck an der Grenze der elastischen Zone, rb der Radius des Pakets; rc und rf sind der Radius der Bruchzone bzw. der Radius der elastischen Zone, der Radius der durch konventionelle Sprengstoffe verursachten Bruchzone rc beträgt das 3–5-fache des Radius des Pakets, der Radius der elastischen Zone rf beträgt 10–15-facher Radius des Pakets31, in diesem Artikel gilt rc = 3rb, rf = 11rb.

Unter der Annahme, dass sich die Spannungswelle bis zum Spitzenexplosionsdruck am Punkt G des Rohrs ausbreitet, ist PG:

Aufgrund der Symmetrie des Rohres zur Explosionslast wird nur die Hälfte der auf das Rohr einwirkenden Last berücksichtigt. Auch wenn man die axiale Lastkomponente des Rohrs (Z-Richtung in Abb. 1) außer Acht lässt, kann die auf das Rohr wirkende Drucklast q(x) als Gleichung ausgedrückt werden. (7):

Schematische Darstellung der auf das Rohr wirkenden Kräfte.

Wie oben erwähnt, haben wir hauptsächlich die Ausbreitungseigenschaften von Druckwellen im Boden diskutiert. Wenn die Oberfläche eines Rohrs einer transversalen Stoßwelle ausgesetzt ist, gehört die Verformung des Rohrs zum dynamischen Biegeproblem des Rohrs, das durch die Behandlung von Vibrationen oder durch die Behandlung von Schwankungen beschrieben werden kann, wo die Schwankungen genannt werden Biegewellen. Biegewellen hingegen sind die Folge der gemeinsamen Kopplung voneinander abhängiger Biegemomentstörungen und Schubstörungen, in denen die Scherwirkung bereits enthalten ist. Im Gegensatz zur Rolle der Scherung bei der quasistatischen Reaktion eines Rohrs spielt die Untersuchung der dynamischen Reaktion eines Rohrs unter transversalen Stoßbelastungen aufgrund der Einbeziehung der transversalen Trägheitsscherung in den Kontrollgleichungen eine wichtigere Rolle . Die Explosion der oberen Erdoberfläche führt zu einer Spannungskonzentration, die wiederum zu einer Biegung und Verformung des darunter liegenden Rohrs führt. Um die Berechnungen zu vereinfachen, werden im Berechnungsmodell in dieser Arbeit die folgenden Annahmen getroffen: (1) Es wird angenommen, dass es sich bei dem Rohr um einen Timoschenko-Träger mit Schereffekten handelt; (2) Die Wechselwirkung zwischen Rohr und Boden wird durch das Winkler-Fundamentmodell berücksichtigt. (3) Weiches Bodenkriechen und Entwässerungsverfestigung werden nicht berücksichtigt. Das Berechnungsmodell wurde mit der häufig verwendeten zweistufigen Analysemethode gelöst32,33,34. Erstens wird die zusätzliche verteilte Belastung des Rohrs, die durch Sprengungen an der Oberfläche verursacht wird, durch die Gleichung der Explosionsspannungswellenmechanik berechnet; Zweitens wird die Finite-Differenzen-Methode verwendet, um die analytische Lösung für die Längsverformung des Rohrs unter der zusätzlichen Flächenlast zu ermitteln. Abbildung 3 zeigt das Modell zur Berechnung der Auswirkung der Oberflächenexplosion auf ein darunter liegendes Rohr. Die oberflächliche Sprengung führt zu einer Spannungskonzentration im vorhandenen Boden, wodurch eine zusätzliche vertikale Flächenlast q(x) auf das Rohr ausgeübt wird, wie in Abb. 2 dargestellt. Es ergibt sich die zusätzliche Flächenlast q(x). durch Lösen des Abschnitts „Theoretische Modellberechnungsmethode für anfänglichen Aufpralldruck“.

Berechnungsmodell für die Auswirkungen auf die Pipeline.

Unter der Zusatzlast q(x) lässt sich die Gleichgewichtsdifferentialgleichung für den Timoschenko-Balken auf Winkler-Fundamenten bezüglich der vertikalen Verschiebung w(x) und des Drehwinkels θ wie in Gleichung (1) erhalten. (8).

Dabei ist: EIeq die äquivalente Längsbiegesteifigkeit des Rohrs, (κ′GA)eq die äquivalente Schersteifigkeit des Rohrs, Dt der Durchmesser des Rohrs, k der Fundamentreaktionskoeffizient und q(x) der zusätzliche Belastung durch die Oberflächenexplosion.

Wobei t die Wandstärke des Rohrs ist:

Für die vertikal tragenden Bodenfedern kann auf der Grundlage der Arbeit der Federal Emergency Management Agency (FEMA) und der American Society of Civil Engineers (ASCE)35 die maximale vertikal nach oben gerichtete Bodentragfähigkeit Qd ermittelt werden.

Dabei sind: Nc, Nq, Nγ Tragfähigkeitsfaktoren, γ das Gesamtgewicht des Bodens, γ′ das effektive Gewicht des Bodens, ∆qd die vertikale Verschiebung zur Entwicklung von Qd, c die Kohäsion des Bodens, Dt der Durchmesser von H ist die Überdeckungstiefe bis zur Rohrmittellinie.

wobei ∆qd die Verschiebung bei Qd ist, ∆qd = 0,2D.

Entkopplungsgleichung. (8) können wir die Differentialgleichungen für die vertikale Verschiebung w(x) bzw. den Drehwinkel θ erhalten.

Die Längsverformung des bestehenden Rohres unter der zusätzlichen Belastung q(x), die durch das Sprengen des Sprengstoffs an der Oberfläche verursacht wird, kann durch Lösen von Gl. (11a). Wie Gl. (11a) ist eine gewöhnliche Differentialgleichung vierter Ordnung, es gibt einige Schwierigkeiten, sie mathematisch zu lösen. Um die Berechnung zu vereinfachen, wird die Finite-Differenzen-Methode zur Lösung der Gleichung verwendet. Abbildung 3 zeigt das diskrete Diagramm des Rohrs. Das Rohr wird in n + 5 Knoteneinheiten (einschließlich 2 Dummy-Knoteneinheiten an den Enden des Rohrs) mit einer Länge von jeweils l (0,2 m) diskretisiert. Gemäß dem standardmäßigen Finite-Differenzen-Prinzip ist die Finite-Differenzen-Form der Differentialterme von Gl. (11a) lautet wie folgt.

Dabei ist: wi die vertikale Verschiebung der Knoteneinheit i und qi die zusätzliche Last an der Knoteneinheit i. Ersetzen der Gleichungen. (12a)–(12c) in Gl. (11a) wird der Finite-Differenzen-Ausdruck für den Timoschenko-Balken auf Winkler-Fundamenten wie folgt in Gleichung erhalten. (13).

Diskretes Diagramm des Rohrs.

Unter der Annahme, dass das Rohr an beiden Enden frei ist, betragen das Biegemoment M und die Querkraft Q an beiden Enden des Rohrs 0.

Gleichung (15) kann aus Gleichung erhalten werden. (8b).

Nehmen wir eine Ableitung der Gl. (8a), (16) und (17) können erhalten werden.

Kombinieren von Gleichungen. (15)–(17), (14b) kann als Gl. geschrieben werden. (18).

Nimmt man die Differentialform von Gl. (18) kann der Differentialausdruck für die Scherkraft Q an jedem Ende des Rohrs wie in Gleichung (18) gezeigt erhalten werden. (19).

Gleichung (20) kann aus Gleichung erhalten werden. (8a).

Nach dem Einsetzen von Gl. (20) in Gl. (17) können wir Gl. (21).

Gleichung (22) ergibt sich aus den Gleichungen. (21a)–(21b).

Ersetzen der Gleichungen. (22a)–(22b) in Gl. (19a)–(19b) erhalten wir Gl. (23).

Gleichung (13) kann in Matrixform geschrieben werden, wie in Gleichung (13) gezeigt. (24).

Dabei ist: [K1] die Verschiebungssteifigkeitsmatrix des Rohrs, [K2] die Schubsteifigkeitsmatrix des Rohrs, [K3] die Biegesteifigkeitsmatrix des Rohrs, {w} der vertikale Verschiebungsspaltenvektor des Rohrs , Q1 ist der zusätzliche Lastspaltenvektor des Rohrs, Q2 ist der Lastkorrekturspaltenvektor des Rohrs und Q3 ist der Ergänzungsvektor des Rohrs für die Lösung.

Die groß angelegten Feldtests wurden am Feldteststandort durchgeführt, wo die Sprengstoffe auf der Bodenoberfläche direkt über der Mitte des Rohrs platziert wurden. Die Skizze des Versuchsaufbaus ist in Abb. 4 dargestellt. Die Explosionslast wurde verursacht durch Bei der Explosion von Gesteinsemulsionssprengstoff Nr. 2 wurde bei der Untersuchung von Feldtests das Gewicht des Sprengstoffs von 0,1 bis 0,3 kg variiert, um unterschiedliche Explosionslasten zu erreichen, bei denen die Spitzenpartikelgeschwindigkeit (PPV) und die Verschiebung beider Rohre berücksichtigt wurden und der Oberfläche wurden aufgezeichnet. Das vollständige Feldtestschema ist in Tabelle 1 dargestellt. Das Feldtestverfahren ist in Abb. 5 dargestellt.

Schematische Darstellung der groß angelegten Feldtests.

Ablauf der Feldtests.

Die Explosionsmechanik ist ein nichtlineares Problem, bei dem es sehr schwierig ist, den Knickschaden von erdverlegten Rohren, die oberflächenexplosiven Belastungen ausgesetzt sind, mithilfe analytischer Berechnungen zu untersuchen. Daher ist die numerische Simulation besser geeignet, dieses Problem zu lösen36. Das schematische Diagramm des Rechenmodells ist in Abb. 6 dargestellt. In dieser Arbeit beträgt der Innendurchmesser des Stahlrohrs 1000 mm bei einer Wandstärke von 10 mm, was einer typischen Größe einer Öl- und Gastransportpipeline entspricht. Der Stahlrohrtyp ist X42(L290), was bedeutet, dass seine Streckgrenze 290 MPa37 beträgt. Mittlerweile ist die Einbettungstiefe des Rohrs die gleiche wie beim Feldtest, und die Sprenglast Nr. 2 mit Gesteinsemulsion wird verwendet, um die Bodenexplosion zu simulieren. Die Abmessungen des gesamten Rechenmodells betragen 10 m × 4,8 m × 6,0 m in X-, Y- und Z-Richtung.

Schematische Darstellung des Rechenmodells.

In dieser Arbeit wird das Verhalten von Materialien mithilfe verschiedener nichtlinearer Materialmodelle und Zustandsgleichungen modelliert. Diese Materialmodelle und Zustandsgleichungen werden im Folgenden kurz beschrieben. Vor der Detonation der Explosion kann das Materialmodell für den Gesteinsemulsionssprengstoff Nr. 2 als HIGH_EXPLOSIVE_BURN beschrieben werden. Nach der Explosion weist der Gesteinsemulsionssprengstoff Nr. 2 gasförmige Eigenschaften auf und wird mithilfe der JWL-Zustandsgleichung modelliert, die den Druck beschreibt, der sich aus der Expansion der chemischen Explosionsprodukte ergibt. Es kann wie in Gl. geschrieben werden. (25) unten38.

Dabei ist p der Druck des Sprengstoffs, E1 die innere Energie pro Volumeneinheit des Sprengstoffs und V1 das relative Volumen des Sprengstoffs. Die Werte der Konstanten für viele gängige Sprengstoffe wie A, B, R1, R2 und ω werden durch dynamische Experimente bestimmt. Die für die Explosionszustandsparameter und die JWL-Gleichung verwendeten Werte sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Das mechanische Verhalten von Böden und Gesteinen wird durch das Materialmodell *MAT_PLASTICITY_POLYMER beschrieben, die physikalischen Parameter des Bodens und Gesteins sind in Tabelle 3 dargestellt.

Die Feststoffelemente werden im Sprengstoff-, Boden-, Gesteins- und Pipelinebereich eingesetzt. Die Schnittstelle zwischen dem Rohr und anderen Materialien wird mithilfe eines Fluid-Feststoff-Kopplungsalgorithmus simuliert. Mit Ausnahme der freien Oberfläche oben in der Luftzone wird die unendliche Schicht unter Verwendung nichtreflektierender Randbedingungen simuliert, um Reflexionswellenstörungsergebnisse zu vermeiden.

Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurden die unterschiedlichen Gewichte der Gesteinsemulsionssprengstoffe Nr. 2 auf der Bodenoberfläche direkt über dem Rohr platziert, und der PPV des Rohrs und der Bodenoberfläche wurde gezählt und mit den obigen numerischen Simulationsergebnissen verglichen, wie in gezeigt Abb. 7. Die Geschwindigkeit des Rohrs nahm mit zunehmendem Gewicht des Sprengstoffs zu, und die meisten numerischen Simulationsergebnisse waren kleiner als die Feldtestergebnisse, während gleichzeitig die Wellenformschwankung der Vibrationsgeschwindigkeit konsistent ist. Dies liegt daran, dass der Einfluss von Bodenfugen auf die Wellenausbreitung in der numerischen Simulation nicht berücksichtigt wird und die Brechung und Reflexion von Wellenfugen im Boden die Amplitude der Wellen auf der Rohrleitungsoberfläche erhöht. Gleichzeitig ist aus der Wellenform des Modells leicht zu erkennen, dass der Variationstrend zwischen den beiden Kurven konsistent ist, was darauf hinweist, dass die Parameter des numerischen Modells mit der tatsächlichen technischen Praxis übereinstimmen. Bei näherer Betrachtung von Abb. 7c ist es außerdem nicht schwer festzustellen, dass der Fehler zwischen den numerischen Simulationsergebnissen und den Feldtestergebnissen mit zunehmendem Gewicht des Sprengstoffs abnimmt. Dies liegt daran, dass mit zunehmendem Gewicht des Sprengstoffs die Geschwindigkeitsamplitude der Sprengschwingungswelle immer größer wird und der durch die Wellenreflexion verursachte Geschwindigkeitsfehler in der Rohrleitung immer kleiner wird. Daher stehen die Parameter des numerischen Modells zur Untersuchung der Knickwirkung des Rohrs unter der Oberflächenexplosionslast zur Verfügung, während die numerischen Simulationsergebnisse genauer und zuverlässiger sind, wenn das Gewicht des Sprengstoffs größer ist.

Vergleich von Feldmessdaten und numerischer Simulation: (a) Feldtestergebnisse von D1, (b) numerische Simulationsergebnisse von D1, (c) PPV von Boden und Rohr, (d) Vergleich der Ergebnisse von Feldtest und numerischer Simulation mit eine theoretische Lösung.

Anhand der maximalen vertikalen Verschiebung des Rohrs in Abb. 7d lässt sich jedoch erkennen, dass die numerischen Simulationsergebnisse den Feldtestergebnissen sehr nahe kommen, während im Gegenteil ein Unterschied zwischen den theoretischen Ergebnissen und den beiden anderen Kurven besteht ist überraschend groß. Dies liegt daran, dass ein bestimmter Parameter im theoretischen Modell zu einer großen Belastung der Rohrleitung führt, was zu einer großen Verschiebung der Rohrleitung führt. Nach dem Vergleich mit den Felddaten ist es nicht schwer festzustellen, dass ein solches Ergebnis nicht genau ist. Daher sollte die auf die Pipeline wirkende Kraft weiter analysiert und gelöst werden. Daher muss der theoretische Lösungsprozess weiter modifiziert werden, bevor er der Anforderung gerecht werden kann, die Sicherheitsvorhersagegleichung der Pipeline in Bezug auf das Gewicht von Sprengstoffen in das tatsächliche Projekt zu integrieren.

Die relative Steifigkeit des Rohrs im Verhältnis zu seinem eingebetteten Medium beeinflusst die Spannungskonzentration in der eingespannten Struktur. Für alle praktischen Zwecke sollte eine eingespannte Struktur als vollständig flexibel angesehen werden, wenn das Verhältnis der Flexibilität des Rohrs zur Flexibilität des Bodens größer als 1039 ist, was als Theorie des flexiblen Verhältnisses der Fundamentsteifigkeit zur Rohrsteifigkeit bezeichnet wird. Für Rohrleitungen wird das Flexibilitätsverhältnis J der Fundamentsteifigkeit zur Rohrsteifigkeit durch Gl. definiert. (26):

Dabei sind Es und E der Elastizitätsmodul des Bodens und des Rohrs, μs und μL das Poisson-Verhältnis des Bodens bzw. des Rohrs, r der Radius des Rohrs und I die Rotationsträgheit des Rohrs.

Kombinieren von Gl. (26) können wir Gleichung erhalten. (27):

Rigas und Sebos40 zeigen, dass das Stahlrohr im Vergleich zum Boden als völlig flexibel betrachtet werden sollte, da das Flexibilitätsverhältnis der Boden- zur Rohrsteifigkeit mehr als das Hundertfache beträgt. Die im schlimmsten Fall auftretenden Dehnungen und Spannungen aufgrund von Rohrexplosionen treten in Form von Biege- und Zugspannungen parallel zur Rohrachse und senkrecht zu den Umfangsspannungen auf. Diese können mit der folgenden Gleichung berechnet werden: (28)39:

Dabei ist V0 die Spitzengeschwindigkeit der Teilchen, ε die Dehnung, b die Biegerichtung, S die Streckrichtung, C die Umfangsrichtung, Cs und Cl die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Scher- und Druckwellen und Fv die Wellenfrequenz .

Mithilfe der biaxialen Gleichung41 können die Umfangs- und Axialspannungen (Längsspannungen) wie folgt aus Dehnungen berechnet werden.

Unter Verwendung von Gl. (29b) können wir die Spannungen auf das Rohr aus der Oberflächen-Strahllast ermitteln, die hauptsächlich aus Axial- und Umfangsspannungen besteht. Davon sind es die Umfangsspannungen, die für Timoschenkos Theorie gelten sollten, also die in Gl. berechnete Sc. (29b) wird für q(x) ersetzt und sein Wert wird in die Gleichungen eingebracht. (21)–(24), was es ermöglicht, den Wert der Längsverformung des bestehenden Rohrs unter Oberflächendruckbelastung auf diese Weise zu lösen, wie in Abb. 8 dargestellt. Wie in Abb. 8 zu sehen ist, ist die modifizierte Theorie Die Lösung liegt nahe an den Feldtestergebnissen und den numerischen Simulationsergebnissen und der Trend beider drei Kurven ist der gleiche. Gleichzeitig ist aus Abb. 8 ersichtlich, dass die maximale Verschiebung des Rohrs im numerischen Simulationsergebnis der im Feldtestergebnis ähnelt und mit zunehmendem Gewicht des Sprengstoffs die Verschiebung des Rohrs zunimmt Das Rohr weist kaum Unterschiede auf und schwankt in einem kleinen Bereich, während die theoretische Lösung niedriger ist als die Feldtestergebnisse, hauptsächlich weil die theoretische Gleichungsberechnung die Probleme ignoriert, die während der Wellenausbreitung auftreten können. Darüber hinaus hängt dieses Problem hauptsächlich mit der sekundären Dissipation von Wellenenergie zusammen, die durch Reflexion und Brechung verursacht wird. Aber in jedem Fall ist der Gesamtfehler zwischen den dreien gering und der maximale Fehler überschreitet 12,9 % nicht. Beim Vergleich von Abb. 7d lässt sich jedoch erkennen, dass es erheblich verbessert ist und sein maximaler Fehler weniger als 15 % beträgt, sodass die modifizierte theoretische Lösung für die Lösung des Pipeline-Sicherheitskriterienmodells unter Oberflächenexplosionslasten verwendet werden kann.

Vergleich der Ergebnisse der modifizierten theoretischen Lösung und Feldtests und numerischer Simulation.

Die Sicherheit von unterirdischen Rohrleitungen wird von vielen Parametern beeinflusst, und die Schadenskriterien für Rohrleitungen können in Kraftströmungsschäden und Verformungsschäden unterteilt werden40,42,43,44,45. In dieser Arbeit wird das Schadenskriterium des Verhältnisses von Durchbiegung zu Spannweite verwendet, um das Ausmaß der Beschädigung der Rohrleitung bei Oberflächenexplosionsbelastung zu beurteilen, wie in Tabelle 4 dargestellt.

Durch das validierte theoretische Berechnungsmodell wurde das Pipeline-Sicherheitskriterienmodell unter verschiedenen Oberflächenexplosionslasten abgeleitet, während die maximale vertikale Verschiebungsänderung der Pipeline unter Oberflächenexplosionslasten unter verschiedenen Arbeitsbedingungen untersucht wurde, wie in Abb. 9 dargestellt. Mittlerweile ist es Es ist leicht zu erkennen, dass die Hauptänderungen in Abb. 9 das Gewicht des Sprengstoffs über dem Rohr und die Versenkungstiefe des Rohrs sind. Darüber hinaus erhält man nach der Anpassung der Kurve, in der sich Abb. 9b befindet, die Vorhersageformel für den kritischen Wert des Sprengstoffgewichts zur Verhinderung von Rohrleitungsschäden bei unterschiedlichen Versenkungstiefen, wie in Gleichung (1) dargestellt. (30). Darüber hinaus ist anhand von Abb. 9a nicht schwer zu erkennen, dass bei einer Verlegungstiefe des Rohrs von mehr als oder gleich 3 m die maximale vertikale Verschiebung des Rohrs geringfügig variiert und die Verschiebung des Rohrs linear mit a abnimmt kleine Steigung, wenn das Gewicht des Sprengstoffs zunimmt. Mit abnehmender Verlegetiefe des Rohrs nimmt jedoch die maximale vertikale Verschiebung des Rohrs allmählich zu. Wenn die Einbettungstiefe des Rohrs außerdem weniger als oder gleich 2 m beträgt, nimmt die maximale vertikale Verschiebung des Rohrs mit zunehmendem Maximalgewicht des Sprengstoffs zu, und die Funktionsform der Anpassungskurve ist die Exponentialfunktion . Dies liegt an der Pufferwirkung des Bodens auf die durch die Oberflächensprengstoffe erzeugten seismischen Sprengwellen und der Tatsache, dass dickere Böden mehr Fugen und Risse enthalten, die eine absorbierende Wirkung auf die seismischen Sprengwellen haben. Darüber hinaus wird die seismische Sprengwelle mit zunehmender Bodentiefe ständig gebrochen und reflektiert und nimmt allmählich ab, was zu einer größeren vertikalen maximalen Verschiebung des Rohrs führt, wenn die Versenkungstiefe größer wird. Darüber hinaus steigt das kritische Gewicht von Sprengstoffen zur Verhinderung von Schäden an der Pipeline exponentiell mit zunehmender Tiefe der Pipeline. In der Zwischenzeit ist es auch interessant festzustellen, dass sich das kritische Gewicht des Sprengstoffs bei einer Versenkungstiefe von weniger als oder gleich 2 m nicht wesentlich ändert, dass das kritische Gewicht des Sprengstoffs jedoch mit zunehmender Versenkungstiefe exponentiell zunimmt .

Änderung der maximalen vertikalen Verschiebung der Rohrleitung unter Oberflächenexplosionslasten unter verschiedenen Arbeitsbedingungen.

Die theoretische Untersuchung der Verformung von Rohrleitungen durch oberflächliche Explosionslasten ist ein aktuelles Forschungsthema im In- und Ausland. In diesem Artikel wird durch die Kombination der Timoschenko-Balkentheorie und der Theorie des elastischen Verhältnisses der Fundamentsteifigkeit zur Rohrleitungssteifigkeit ein modifiziertes theoretisches Modell entsprechend der tatsächlichen Situation vor Ort sowie die Verformungsgesetze und Sicherheitsrichtlinien für verschiedene Arten von Rohrleitungen unter dem erhalten Die Wirkung von Oberflächen-Drucklasten wird nach diesem theoretischen Modell untersucht.

Das Modell zur Berechnung der Rohrverschiebung ohne Berücksichtigung der flexiblen Verhältnistheorie der Fundamentsteifigkeit zur Rohrsteifigkeit ist weit von den numerischen Simulationsergebnissen und Feldtestergebnissen entfernt, während bei der Anwendung der theoretischen Spannungen im Timoschenko-Träger die ursprüngliche Spannung durch Umfangsspannung ersetzt wurde Die modifizierte theoretische Lösung liegt nahe an den Feldtestergebnissen und numerischen Simulationsergebnissen. Mittlerweile führte das validierte theoretische Berechnungsmodell zu einem Modell der Pipeline-Sicherheitskriterien für unterschiedliche Sprengstoffbelastungen an der Oberfläche, wobei die maximale vertikale Verschiebung der Pipeline exponentiell mit dem Gewicht des Sprengstoffs in verschiedenen Versenkungstiefen zunahm. Noch wichtiger ist, dass bei einer Versenkungstiefe von mehr als 2 m die Änderung des kritischen Gewichts des Sprengstoffs mit zunehmender Versenkungstiefe dramatisch variiert. Daher wird empfohlen, die empfohlene Versenkungstiefe der Rohrleitung für einen besseren Schutz vor Schäden durch oberflächliche Explosionslasten einzuhalten beträgt mindestens 2 m.

Das in diesem Dokument vorgeschlagene Modell berücksichtigt nur die Auswirkungen der Explosionslast über der vertikalen Oberfläche der Pipeline auf die Pipeline-Verschiebung, berücksichtigt jedoch nicht die Auswirkungen von im Boden vergrabenen Sprengstoffen oder unterschiedlichen horizontalen Abständen auf die Vorhersageformel für die Pipeline-Verschiebung. Darüber hinaus liefert es eine theoretische Grundlage für den Schutz der unterirdischen Explosionslasten von Pipelines und liefert Forschungsideen für den sicheren Schutz und die Gestaltung von Pipelines.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant-Nr. 41807265, 41972286 und 42072309) und der Hubei Key Laboratory of Blast Engineering Foundation (Grant-Nr. HKLBEF202001, HKLBEF202002) finanziert.

Fakultät für Ingenieurwissenschaften, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan, 430074, Hubei, China

Tingyao Wu, Nan Jiang, Chuanbo Zhou und Xuedong Luo

CCCC Second Highway Consultants Co., Ltd., Wuhan, 430056, Hubei, China

Hongan Yu

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Die übergeordneten Forschungsziele wurden von TW entwickelt und NJ, HY, CZ und XL analysierten die berechneten Ergebnisse des Feldtests. CZ und TW analysierten die berechneten Ergebnisse der Theorieergebnisse. Der erste Entwurf des Manuskripts wurde von TW und NJ verfasst

Korrespondenz mit Nan Jiang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wu, T., Yu, H., Jiang, N. et al. Theoretische Analyse der Verformung für Gasrohre aus Stahl unter Berücksichtigung von Schereffekten unter Oberflächenexplosionslasten. Sci Rep 12, 8658 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12698-0

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Eingegangen: 5. Februar 2022

Angenommen: 06. Mai 2022

Veröffentlicht: 23. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12698-0

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