跨断层埋地油气管道屈曲行为研究

为研究断层作用下埋地管道失效模式,建立了管土耦合三维数值计算模型,分析了不同地层位错量下无压和压力管道的力学行为及失效模式。结果表明:断层运动下埋地管道发生弯曲变形,并非完全与围土接触,整个管段摩擦力并非均匀分布;随着位错量增大,管道变形曲线由S形变为Z形,同时管道轴向应力逐渐增大;当位错量大于4D时,无压管道出现两处压溃,其变形过程分为弯曲状态、临界状态、压溃状态;不同内压管道呈现出不同屈曲形貌,随内压增大,管道屈曲形貌由压溃变为皱起;当内压大于0.4P_(max)时,管道屈曲部位出现一道皱起,内压越大,起皱幅度越大;压力管道变形过程可分为弯曲状态、临界状态、起皱状态。该研究结果可为跨断层埋地管道施工设计、安全评价、维修防护等提供参考和依据。     

基于流固耦合的输气管道与断层最佳交角研究

采用ADINA有限元软件,建立了基于流固耦合的跨断层埋地管道管-土-流体三相耦合模型,计算和分析了管道以不同角度穿越不同类型断层时管道的应变响应规律及管内流体压力变化范围,进一步得出了管道与不同类型断层最佳交角范围。研究结果表明:在断层位错量小于1.3m时管道与走滑断层的最佳交角范围为30°～60°,当断层位错量较大时管道应以30°～45°穿越走滑断层;大角度穿越正断层会导致较大的应变值,尤其容易使管道处于压缩状态,管道与正断层的最佳交角范围为30°～60°;管道与逆断层的交角为钝角时会使管道受压,管道应以小于90°的角度穿越逆断层。     

地表潜在断错位移的概率评价方法

目前跨活动断层的线状工程的抗断设防一般是以断层位错确定性评价为基础 ,考虑的是最大位错量 ,与抗御灾害的风险设计的实际要求不相符。本文将走滑断层上最大位错点的位置分布及最大位错点两侧的位错展布 ,与可产生地表断错位移的强震复发模型联合 ,构造出评估走滑活动断层各部位地表潜在断错位移的概率性评价方法。最后 ,以鲜水河走滑断裂中带西北部的松林口 -乾宁段为例 ,对其未来 10 0年潜在断错位移的危险性做出定量评估 ,可给出断层段上各点不同超越概率水平下的潜在位移。这一研究结果 ,可为跨断裂的线形工程进行抗御地表潜在断错位移的风险设计提供科学依据.     

基于PFDHA的X80管道应变失效可靠度计算方法

地质断层是长输油气管道的主要地质灾害威胁,断层灾害条件下管道会由于过大的应变而失效。现有基于应变设计的确定性分析方法相对保守,无法考虑管道结构、管周土壤和地震断层位移的多重不确定性。为此,提出了一种综合考虑管道几何尺寸、管土相互作用,以及断层位移不确定性的可靠性分析方法。采用管道设计应变数据库,建立管道设计应变与各影响参数间的神经网络预测模型,获得基于应变的断层错位下管道极限状态方程。通过Monte-Carlo模拟,计算得到特定断层位移下考虑管道尺寸参数、管土作用参数、内压等参数不确定性的管道失效概率。基于断层位移概率危险性分析流程(PFDHA),对断层位移的不确定性进行考量,得到各断层位移在不同服役期下的发生概率。结合既得的管道条件失效概率,基于全概率计算公式可得管道在该服役期内的失效概率。以管道穿越博罗科努-阿其克库都克断裂的新粤浙X80管道为例开展分析,获取了该管道在服役10年、20年、30年的失效概率。结果表明:新粤浙X80管道服役20年内满足CSA Z662规定的目标可靠性要求;服役年限大于20年后,该穿越段管道失效概率将超越最大允许的失效概率,需采取必要的抗震措施。     

地震波作用下埋地管道截面应力偏移效应研究

PE管广泛应用于城镇燃气、水和浆体等输送领域，地震灾害下埋地管道易发生失效。为此，提出了一种地震波作用下埋地PE管-土耦合数值建模方法，研究PE管力学特性，探究管道内压、地震烈度、围土和覆土厚度等对其力学响应影响规律。结果表明，地震波作用下管道截面应力出现偏移效应，而非0°,90°,180°和270°位置；内压作用下管壁应力增加；管道环向应力随着地震烈度增加而增大，且应力偏移效应更加显著。研究结果可为PE管道敷设和安全评价等提供理论依据。     

地震载荷工况下隧道内油气管道应力分析研究

为了了解隧道内油气管道在地震载荷工况下的应力分布情况,有必要对其进行应力分析。基于地震响应谱分析法,采用CAESAR Ⅱ软件建立了地震载荷工况下中缅某段隧道内油气管道的应力模型,对其进行应力分析,并校核了油气管道的位移、应力是否符合规范。分析研究了管道的最危险截面;计算出了危险弯管的应力比率,校核了应力允许值;分析得出,轴向地震作用与综合地震作用对管道影响较大,应重点校核管道的轴向地震与综合地震作用下的应力变化,并加强监测力度;通过对油气管道的位移校核得出,轴向地震作用与综合地震作用对隧道内油气管道的位移影响较大;地震作用下隧道内轴向位移较其他两方向位移较大,应重点监测。对斜管长度、覆土深度、管道内压等影响因素进行研究得出:架空段管道长度与倾角、地震烈度、管道运行温度与管道内压对穿越地震带隧道管道应力影响较大;而覆土段管道长度与倾角、覆土深度对管道影响较小。     

带套筒构件埋地燃气管道绝缘接头的密封性研究

本文对直径为100mm带套筒构件埋地燃气管道绝缘接头的强度进行了计算和实验分析研究.计算研究中根据在符合实际工程下确定带套筒构件埋地燃气管道绝缘接头密封部位的应力和位移,以及对管道密封性能的影响;实验研究中根据对直径为100mm带套筒构件埋地燃气管道绝缘接头进行符合实际工况的试验,测量绝缘接头密封部位的应力和位移,以及密封圈的受损程度.对计算和实验结果进行分析比较,确定带套筒构件埋地燃气管道绝缘接头在装配中的最小预紧力,分析在不同因素作用下管道绝缘接头的安全性,并为其它直径类型带套管构件埋地燃气管道绝缘接头的设计提供可靠的依据.     

埋地冲洗管线强度计算及影响因素规律分析

研究了冲洗管线在自重、内压、温差和土壤力综合作用下的强度分析方法,给出埋地冲洗管线应力计算公式。采用有限单元法对某冲洗管线重点部位进行力学特性分析,得到其真实应力分布状态,对比了理论计算结果与数值结果误差,证实轴向应力理论计算结果偏保守。对不同壁厚、不同环境温度和不同压力下的管线力学特性进行讨论,结果表明,管道的环向应力起主导作用,且埋深0m~0.75m内管线的环向应力变化明显,因此,当考虑温差及波动内压作用时,该段管线力学特性应引起足够重视;受环境温度影响,管线最大等效应力与总位移规律近似相反,即等效应力最小,总位移近似最大;考虑到等效应力随压力变化规律,不同季节宜采用不同的冲洗压力以满足安全运行要求。     

内压和自重作用下浅埋管道围岩的应力解

对于浅埋管道而言,土体自重对其围岩应力场影响不可忽略。基于Verruijt提供浅埋洞室问题求解基本方法,同时考虑自重和内压作用,研究了半无限域中圆形孔洞的围岩应力问题。利用复变函数、保角映射和傅里叶变换等方法,推导了考虑围岩自重和内压作用下半无限域中孔洞应力的解析解,分析了内压和孔洞大小及径深比对考虑自重作用下的围岩应力的影响,为管道设计和施工安全提供了理论依据。     

内压和自重作用下浅埋管道围岩的应力解1)

对于浅埋管道而言,土体自重对其围岩应力场影响不可忽略。基于Verruijt提供浅埋洞室问题求解基本方法,同时考虑自重和内压作用,研究了半无限域中圆形孔洞的围岩应力问题。利用复变函数、保角映射和傅里叶变换等方法,推导了考虑围岩自重和内压作用下半无限域中孔洞应力的解析解,分析了内压和孔洞大小及径深比对考虑自重作用下的围岩应力的影响,为管道设计和施工安全提供了理论依据。     

含腐蚀缺陷的管道静力性能试验测试研究

为研究腐蚀缺陷对管道承载力的影响,本文分别进行了含腐蚀缺陷管道在轴压载荷、弯曲载荷以及轴压和弯曲复合载荷作用下的静力失效过程测试。通过不同载荷作用下管道的荷载-位移曲线以及荷载-应变曲线来分析管道的失效模式和失效机理;通过有限元分析结果与试验测试结果验证其准确性。结果表明:腐蚀缺陷使管道在三种不同荷载作用下的极限承载力均有所下降;针对文中所研究的管道及其腐蚀缺陷,在轴压载荷作用下管道承载力下降了18.4%,在弯曲载荷作用下管道承载力下降了20.96%,在轴压和弯曲复合载荷作用下管道承载力下降了13.3%;管道中腐蚀缺陷位置的管壁厚度减小,该位置应变发展迅速,首先进入塑性屈服状态,最终导致该腐蚀位置发生弹塑性屈曲失效。     

含内埋圆形或椭圆形脱层复合材料层合板的屈曲分析

用瑞里-李兹方法来建立含内埋圆形或椭圆形脱层板的屈曲分析模型.首先利用Heaviside阶梯函数,假定一种适合于脱层板的位移模式.然后由变分原理并进行线性化得出了含内埋圆形或椭圆形脱层板的屈曲特征方程.最后通过将含表面脱层的各向同性和各向异性板的屈曲载荷与其它文献进行比较,验证了该文分析方法的正确性,并分析了含内埋圆形或椭圆形脱层的各向同性、正交各向异性和角铺层层合板各种参数对屈曲载荷的影响.     

埋地长输管道热胀内力近似分析

埋地长输管道热胀强度问题在石油管道工程及城市热力网工程中都存在,它对工程的质量、投资及材耗等方面都有相当大的影响。本文用弹性抗弯铰力学模型代替弯头,用分割迭代法进行分析,近似算出埋地长输管道的热胀位移和热胀内力。经试验验证和有限元法计算对比,表明本文所述方法具有良好的工程准确度。     

细长压杆屈曲实验平台设计及其在实验教学中的应用

实验教学是培养工科大学生实践和创新能力的重要手段,如何在有限的实验条件下开展丰富的教学实验、关联更多的理论知识点是力学实验亟需解决的问题。本文以材料力学中常见的压杆屈曲问题为例,构建了压杆屈曲实验平台,主要包括压杆屈曲实验和力学仿真两个模块,通过压杆屈曲实验案例展示了该平台用于开展教学实验的过程。结果表明,该实验装置可操作性强,学生能够直观地观察到压杆由稳定到正弦屈曲再到螺旋屈曲的全过程,同时能够测试压杆径向位移、应变等多个参数,仿真实验能够在不受时空、设备限制下更直观地实现实验过程的再现和拓展。本实验具有一定的趣味性和专业性,利用教学实验能够激发学生对材料力学的学习兴趣,加强学生对多个关联知识的理解,也能够锻炼学生的动手实践能力。

     

含内埋矩形脱层复合材料圆柱壳屈曲分析的混合变量条形传递函数方法

提出了一种分析含内埋矩形脱层正交各向异性圆柱壳稳定性问题的混合变量条形传递函数方法。首先基于Mindlin一阶剪切壳理论,通过定义圆柱壳的广义力变量和混合变量,建立了壳的改进混合变量能量泛函;然后,为了便于脱层壳的分区求解,通过引入条形单元,创建了基于混合变量条形传递函数解的含脱层和不合脱层两种超级壳单元;在此基础上,将含内埋矩形脱层的复合材料层合壳划分成两种超级壳单元的组合体,通过各超级壳单元相互之间连接结点处的位移连续和力平衡条件得到脱层壳的屈曲方程;最后由屈曲方程计算含内埋矩形脱层壳的屈曲载荷和屈曲模态。算例分析的结果验证了本方法的正确性,并给出了几种因素对屈曲载荷和屈曲模态的影响。     

跨中集中荷载作用下弹性约束圆弧拱的稳定性分析

研究了跨中集中荷载作用下两端由不同转动刚度弹性约束的铰支圆弧拱的面内稳定性。由变形几何关系、变分原理得到了拱的非线性平衡方程,建立了外荷载、结构内力、径向位移的对应关系,通过定义拱的深浅参数和约束刚度参数进行分析,并得到了跳跃屈曲和分岔屈曲的发生条件及存在区间。通过数值分析可知本文方法所得屈曲路径和屈曲荷载与有限元法所得结论吻合良好,极值点、临界荷载相对差值在1%左右。对不同结构参数区间圆弧拱在集中荷载作用下的屈曲路径和临界荷载进行了分析,结果表明约束刚度对屈曲路径和临界荷载起决定性的作用,深浅参数决定屈曲发生条件、屈曲形式、极值点对数。     

冲击载荷作用下含裂纹高压埋地输气管道的安全性评定

落石是导致埋地输气管道破坏的主要载荷形式之一.在管道压力一定的情况下,首先建立了落石、土壤和高压埋地输气管道相互作用的力学模型,对在内压和落石冲击联合载荷作用下的高压埋地输气管道的动态响应进行了有限元分析.然后对含初始裂纹的情况基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT)获得了埋地输气管道的动态断裂参数.在落石质量一定的条件下,分别获得了无裂纹管道的峰值有效应力和含初始裂纹管道的动态断裂参数与落石冲击速度的关系曲线,并拟合出相应的函数关系.根据切线交点准则求出了落石的极限冲击速度.计算结果表明:初始裂纹的存在大大降低了埋地输气管道的极限承载能力.本工作提出的方法和结论对于高压埋地输气管道的安全运营和降低危险系数具有十分重要的意义.     

不同索网加劲的气承式膜结构受力特性研究

气承式膜结构是典型的柔性结构,具有较强的非线性,通过铺设索网以保证其具有足够的刚度和稳定性。本文首先通过缩尺试验对设有不同索网的气承式膜结构进行不同内压下的试验研究,得到了内压的变化对索力值大小的影响和变化规律;其次,采用Ansys软件建立与试验相同的模型,结果对比分析验证了数值模拟方法的准确性;最后,建立实际工程模型,研究了不同内压和矢跨比条件下结构膜面位移和应力分布,确定结构存在合理的矢跨比,并进行了两种索网布置下结构在不同内压下最大应力和位移的对比分析。研究表明,斜交索网有效约束了结构的位移并改善了膜面的受力性能,该结果能为今后相关的工程设计提供参考依据。     

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研究了埋置于弹性地基内充液压力管道中非线性波的传播. 假设管壁是线弹 性的,地基反力采用Winkler线性地基模型,管中流体为不可压缩理想流体. 假定系统初始 处于内压为$P_0$的静力平衡状态,动态的位移场及内压和流速的变化是叠加在静 力平衡状态上的扰动. 基于质量守恒和动量定理,建立了管壁和流体耦合作用的非 线性运动方程组; 进而用约化摄动法, 在长波近似情况下得到了KdV方程,表征 着系统有孤立波解.     

管土作用下海底悬跨管道裂纹断裂韧性研究

运用断裂力学相关理论,考虑管道接触的非线性、管道内压、水流载荷等因素的影响,基于ABAQUS有限元软件对含环向裂纹悬跨管道进行了分析,并考虑不同管土接触边界条件、不同土质及不同土体刚度对管道裂纹应力强度因子的影响,得出了相应的应力强度因子值。结果表明:以等效弹簧模拟管道和土体的接触更符合管道实际受力情况;土壤特性对悬跨管道环向裂纹应力强度因子有一定影响,较软土质应力强度因子大于较硬土质;管土接触边界对悬跨管道环向裂纹影响很大,不同接触边界的应力强度因子差值范围在25%～55%之间。