高压天然气管道爆裂冲击荷载下同沟敷设管道的动力响应及损伤机理
批准号:
52108483
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
马华原
依托单位:
学科分类:
工程防灾
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
马华原
中文摘要
由于我国天然气管网和交通网络十分发达,并行管道与交通线交汇处采用的同沟敷设施工方案导致管道净间距受限,增加了发生连锁事故的风险。本课题针对高压天然气管道爆裂冲击荷载对同沟敷设并行管道的毁伤效应展开研究。深入分析管道爆裂冲击的爆源特性,建立可精确描述高压天然气管道爆裂能量转换过程的数学模型,计算土体中管道爆裂冲击波阵面状态参数。针对多种管体破坏模式对应的冲击荷载特征,以管道动力响应为切入点,构建冲击荷载下“管体-土介质”系统动力响应模型,建立系统拉格朗日动力方程,精确求解管体应力应变分布。结合理论推导、试验数据及仿真计算结果,在现行椭圆失效准则和应力失效准则基础上,研究得出管道在冲击荷载下的综合失效判据。成果将有助于深刻认识管道爆裂冲击荷载对同沟敷设并行管道的损伤效应及其作用机理,为高压天然气管道安全校核、风险评估提供技术支持,为相关规范的修订和完善提供理论支撑。
英文摘要
As China's gas pipeline network and transportation network are very developed, the construction scheme of laying in the same trench at the intersection of parallel pipeline and traffic line results in the limited net distance between pipelines, which increases the risk of chain accidents. In this research, the damage effect of high pressure gas pipelines explosion on parallel pipelines laid in the same trench will be studied. The characteristics of explosion source of pipeline physical explosion will be analyzed. The mathematical model which can accurately describe the energy conversion process of high-pressure gas pipeline explosion will be established. The state parameters of shock wave front of pipe explosion in soil will be calculated. According to the characteristics of impact load corresponding to different failure modes, the dynamic response of the pipeline is taken as the starting point. The dynamic response model of "pipeline-soil" system under impact load will be established, and the Lagrange dynamic equation of the system will be established to accurately solve the stress and strain distribution of the pipeline. Combined with the theoretical derivation, experimental data and simulation results, based on the current elliptical failure criterion and stress failure criterion, the comprehensive failure criterion of pipeline under impact load will be obtained. The research results are helpful to understand the damage effect and mechanism of the pipelines explosion on the parallel pipelines laid in the same trench, and provides technical support for safety check and accident prevention of high-pressure pipeline and theoretical support for revision and improvement of relevant specifications.
随着高压天然气管道在能源输送中的广泛应用,其安全性问题日益受到关注。特别是在同沟敷设的条件下,一旦发生管道爆裂事故可能引发严重的次生灾害。因此,深入研究高压天然气管道爆裂冲击荷载下同沟敷设管道的动力响应特性及其安全评估方法,具有重要的理论价值和工程意义。.本项目通过理论分析、数值模拟与模型试验相结合的方法,系统探讨了管道爆裂冲击荷载的精确描述、动力响应模型、安全判据及影响因素分析等内容。具体研究内容包括:(1)高压天然气管道爆裂冲击荷载的精确描述;(2)管道爆裂冲击荷载下同沟敷设管道的动力响应特性;(3)管道爆裂冲击荷载下同沟敷设管道的安全判据。.研究取得了一系列重要成果:(1)建立了高压天然气管道能量线密度的精确计算方法,系统分析了管内高压气体在爆炸过程中的膨胀做功热力学特性,提出了基于绝热不可逆膨胀假设的管道爆炸当量计算方法,明确了爆炸过程中能量释放的关键阶段及其对周围环境的影响规律;(2)建立了“管体-土介质”系统的动力方程,推导了管道在同沟敷设管爆荷载下的管体动力学参数计算方法;(3)完成了同沟敷设管道爆破试验,攻克了一系列关键技术难题,通过高压管道爆炸实验获取了管道在爆炸冲击荷载下的形变、应力分布和失效模式数据;(4)采用多物质耦合算法构建了高压天然气管道爆炸的数值仿真模型,揭示了多种复杂条件下管道的失效行为规律;(5)提出了适用于多种工况的综合失效判据和并行间距校核算法,为完善行业标准提供了重要支撑。.本项目揭示了高压天然气管道爆裂冲击荷载下同沟敷设管道的动力响应特性及其损伤机理,为管道的安全设计和风险评估提供了理论依据。研究成果不仅适用于民用天然气管道的安全防护,还可推广至国防领域的基础设施防护、武器效应评估及应急抢修技术开发等方面,具有广泛的应用前景和社会经济效益。
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