爆炸沖擊下埋地油氣管道的力學(xué)仿真

魏韡 王澤京

摘? ?要：埋地管道設(shè)計規(guī)范通常僅考慮管內(nèi)介質(zhì)的性質(zhì)、埋設(shè)方式和深度、地質(zhì)條件和環(huán)境氣候條件，而未考慮爆炸載荷的影響作用。考慮到爆炸沖擊載荷對埋地管道的影響，基于Ls-dyna仿真方法，建立了爆炸沖擊模型，分析了不同藥量時油氣管道的力學(xué)特性，研究表明：管道結(jié)構(gòu)影響峰值壓力抵達(dá)時間及大小分布，管道迎爆面背面正對爆心單元的拉應(yīng)力最大;管道的最大Von mises應(yīng)力隨炸藥量呈二次多項式函數(shù)變化。

關(guān)鍵詞：爆炸沖擊? 油氣管道? 仿真

埋地油氣管道的抗爆炸沖擊性能成為管道安全評價的主要指標(biāo)之一[1]，對該力學(xué)行為進(jìn)行定量分析，將抗爆能力融入管道初始設(shè)計階段，從而提高管道運(yùn)營的可靠性。

1? 材料本構(gòu)模型

（1）選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN高爆模型及JWL狀態(tài)方程對TNT性能進(jìn)行定義[2]，見下式：

選用SOIL_AND_FOAM作為土壤材料模型[3]，選用隨動硬化雙線彈塑性管材。

2? 爆炸的力學(xué)模型

選取管道直徑為508mm，壁厚為22.2mm，通過無反射面設(shè)置以有限土壤體代替無限大地。見圖1炸藥、土壤采用歐拉網(wǎng)格;管道采用拉格朗日網(wǎng)格;管道與土壤進(jìn)行流固耦合，忽略輸送介質(zhì)。

3? 模型仿真計算

3.1 同一工況下管道的力學(xué)特性

炸藥質(zhì)量為1000g，管道距爆心距離為200cm，爆炸時長為3000μs。圖2為管道迎爆面上沿軸向距爆炸中心0cm、50cm、100cm、150cm、200cm、250cm處的壓力時程曲線，在500～1000μs之間，沖擊波在管道內(nèi)外壁前后壁之間反射疊加，超壓值最大，且值隨遠(yuǎn)離爆心而依次遞減。

正對爆心的管道截面上的4個單元中H36480沿Z方向的應(yīng)力最大，表明此單元受到的沿管道軸向的彎曲拉應(yīng)力最大。

3.2 不同工況下管道的力學(xué)特性

管道距爆心距離相同，炸藥質(zhì)量變化，得到5種工況的最大Von mises應(yīng)力、最大壓力列舉在表1中，圖3列舉了工況5下的壓、應(yīng)力云圖。

分析表1中的數(shù)據(jù)繪制出圖4，結(jié)果表明隨著炸藥量的增加，管道的Von mises應(yīng)力與最大壓力值增加，其遞增規(guī)律的函數(shù)表達(dá)式見公式（2）

式中：σ為管道最大Von mises應(yīng)力，MPa;P為管道受到的最大壓力，MPa;m為炸藥質(zhì)量，g;R為爆心距，cm。

4? 結(jié)語

（1）因管道結(jié)構(gòu)對爆炸沖擊波的干擾，管道各單元的峰值壓力延后出現(xiàn)，大小規(guī)律基本符合遠(yuǎn)離爆心而遞減;（2）迎爆面背面正應(yīng)爆心的單元拉應(yīng)力最大;（3）管道距爆心距離不變，管道的最大Von mises應(yīng)力與最大壓力隨著炸藥量的增加而增大，函數(shù)曲線呈二次多項式。

參考文獻(xiàn)

[1] 干勇， 周廉， 師昌緒. 材料延壽與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究[R]. 北京： 中國工程院， 2012.

[2] 周聽清. 爆炸動力學(xué)及其應(yīng)用[M]. 合肥： 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社， 2001.

[3] 劉建民， 陳文濤. 爆炸載荷下埋地管道動力響應(yīng)分析研究[J]. 工程爆破， 2008， 14（2）： 20-24.