基于灾害链及复杂网络理论的城镇燃气管道泄漏灾害演化过程分析

为分析城镇燃气管道泄漏灾害演化过程,通过收集城镇燃气管道泄漏典型事故案例进行统计分析,结合灾害链及复杂网络理论,构建了城镇燃气管道泄漏灾害链,并将其转化成复杂网络拓扑结构图,分析其关键节点和关键边。结果表明:城镇燃气管道泄漏灾害链可分为灾害演化前期、灾害演化中期和灾害演化后期,通过破坏火灾、爆炸、建筑物倒塌、相邻管线受损、管道泄漏、社会公共事件、企业停产、人员伤亡等关键节点或者切断管道泄漏→爆炸、管道泄漏→火灾、相邻管线受损→供气设备损坏、道路破坏→交通瘫痪、爆炸→相邻管线受损等关键边,可有效破坏或切断城镇燃气管道泄漏灾害链的网络传播路径。该研究结果可为城镇燃气管道泄漏灾害事件应急处置和断链减灾提供科学依据。

焊接方法对X90管道环焊接头断裂韧性的影响

为准确获取X90环焊接头的断裂韧性,采用改进的规则化法对X90环焊接头的低约束单边缺口拉伸试件进行断裂韧性测试,分别从手工焊、自保护药芯半自动焊和气保护药芯半自动焊焊接的X90管道环焊接头中提取测试试件,进行断裂韧性试验.结果表明,相同焊接方法下,浅裂纹试件所得阻力曲线比深裂纹试件所得阻力曲线低;热影响区的深裂纹试件具有最高的裂纹扩展阻力曲线,而热影响区的浅裂纹试件具有最低的裂纹扩展阻力曲线;焊缝区试件在试验中极易发生脆断,具有相对较差的断裂性能,并且受焊接方法影响较大,其中气保护药芯焊丝半自动焊的焊缝区试件全部发生脆断.因此,气保护药芯焊丝半自动焊在实际X90管道工程应用中作为参考方法需要优化,这对保持X90管道结构的完整性至关重要.

偏心载荷作用下弯管组合段局部屈曲失效分析

为研究弯管组合段在复杂载荷作用下的屈曲行为,提出1种基于远场应变评估管道稳定性的方法,利用数值模拟方法,建立偏心载荷作用下弯管组合段有限元模型,确定临界屈曲状态下管道的极限载荷及应变状态,并研究内压、壁厚以及载荷分布对弯管组合段极限承载能力与极限应变能力的影响。研究结果表明:内压增加或壁厚减少都会降低管道的极限承载能力,均布载荷增加与非均布载荷减少会增强管道抵抗屈曲能力;距离褶皱中心为0.21 D的远场应变可以作为管道临界屈曲应变,其极限压缩应变值为0.5%。研究结果可为复杂载荷下弯管组合段的稳定性评估提供参考。

X80管道环焊缝可靠性及其影响因素分析

针对管道环焊缝裂纹缺陷特征建立含裂纹缺陷管道环焊缝的多重极限状态函数,结合参数统计特征,形成基于Monte Carlo的X80管道环焊缝可靠性计算方法。同时进行管道环焊缝敏感性分析,得到各个参数的灵敏度。结果表明,管道壁厚为18.4 mm,管道外径为1219 mm,焊接工艺为自保护药芯焊丝半自动焊的X80管道环焊缝的失效概率在基于应力的失效准则1,基于应力的失效准则2和基于应变的失效准则下分别为8.2×10^(-7),5.9×10^(-7)和3.5×10^(-7)。它们均处于可接受安全水平内,无需进行维修或更换。外载荷、缺陷深度、断裂韧性和屈服强度对管道环焊缝的失效概率影响较大,可以通过控制外载荷,减小管道缺陷尺寸,提高屈服强度和断裂韧性来增强管道环焊缝的可靠性,确保管道安全运行。

基于改进AHP-FBN的沿海储罐定量风险评价

由于沿海地区气候影响,储罐易遭受内、外环境的腐蚀,增加了储罐的风险水平,影响寿命和运行安全。准确计算失效概率、识别主要影响事件是沿海储罐风险评价的关键。针对沿海储罐失效特点和层次分析法(AHP)的缺陷,提出了改进AHP来融合专家意见,结合模糊贝叶斯网络(FBN)计算沿海储罐失效的概率值,识别造成储罐失效的关键事件,以期准确、快速地对沿海储罐安全状态进行分析和评价。通过实例应用证明,此方法能够有效地融合专家意见,计算得出的沿海储罐失效概率更加接近统计值,可靠地识别出关键事件,可为管理者提供如何优化风险管理策略和实现有限应急资源配置的重要支持信息。

基于应变的高钢级管道环焊接头失效评定方法

基于应变的失效评定图程序(Strain Based Failure Assessment Diagram,SBFAD)可以提高大范围屈服条件下的管道及环焊接头的断裂评估准确性。本文构建了含缺陷的X80管道环焊接头数值分析模型,详细阐释了SBFAD方法及其评估曲线的影响因素,明确了不同等级评估曲线的应用场景,并基于X80管道环焊接头的实测力学性能定量评估了含缺陷的X80管道环焊接头临界应变承载能力。研究结果表明:(1) Budden提出的SBFAD方法按照评估曲线的不同,可分为Option 1、Option 2和Option 3,其修订后的Option 1M和Option 2M曲线的非保守性大幅降低。BS 7910提供的Option 2要比基于Budden修订的Option 2M曲线的评估结果更为激进。(2)基于SBFAD方法中的Option 2曲线评估较大尺寸的缺陷可能会呈现非保守的结果。材料的应变硬化指数(n)值对Option 2曲线几乎没有影响,而随着n值的减小,Option 3曲线会缓慢上移,随着n值的增大,SBFAD曲线的截止线值呈明显递减趋势。(3)现有的Option 2曲线无法体现强度匹配系数的影响。随着焊缝强度匹配系数的增加,Option 3曲线逐渐上移,上移幅度则与缺陷尺寸相关,Option 2曲线在评估等匹配焊接缺陷时具备较高精度,在评估强度高匹配的焊接缺陷时,其结果可能过于保守,而在评估强度低匹配的焊接缺陷时,其结果可能是非保守的。(4)基于X80管道环焊接头的实测力学性能对其临界应变承载能力进行评估(缺陷尺寸和断裂韧性固定),Budden提出的Option 1M的评估结果最为保守,基于BS 7910-2019的Option 2评估结果最为激进。结论认为,基于SBFAD方法评估的保守性与其评估曲线、评估参数的选择密切相关,应针对评估需求选择合适的评估参数及合理的评估曲线以避免出现非保守的评估结果,研究结果为X80管道环焊接头的工程失效评估提供了理论与技术支撑。

天然气管道不同孔径泄漏失效概率量化方法研究

为研究不同孔径泄漏下天然气管道失效概率,首先基于EGIG数据库和UKOPA数据库天然气管道历史失效数据,计算由不同失效原因导致3种孔径泄漏所占比例;然后将我国管道各原因基础失效概率按照对应比例分别进行修正,获得较适用于我国天然气管道特点的不同孔径泄漏基础失效概率;最后分别考虑第三方破坏、腐蚀、施工缺陷/材料失效、误操作、自然力破坏5种失效原因,完成对天然气管道不同孔径泄漏基础失效概率的修正计算。研究结果表明:小孔泄漏、中孔泄漏和破裂泄漏的基础失效概率分别为0.173,0.128,0.048次/(10^(3)km·a);修正因子包括管径、埋深、壁厚、管龄、防腐层类型、管道所处区域,上述因子能够满足不同场景下天然气管道失效概率的修正计算;概率量化方法综合考虑失效原因、泄漏孔径以及管道本体信息,能够定量化预测天然气管道失效概率,为天然气管道定量风险评价提供数据支撑。

X70管线钢残余塑性应变的背散射电子衍射表征方法研究

为了研究高钢级油气管线环焊缝脆性开裂失效与微小残余塑性应变之间的关系问题,采用背散射电子衍射对不同应变下的X70管线钢进行了表征研究。通过四点弯曲试验和拉伸试验制备带有残余塑性应变的样品,表征了衍射带对比度、核平均取向差与应变的关系。结果表明:X70钢,对于10%以内的塑性变形,金相和硬度等工程手段无法识别;在X70钢管四点弯曲的梯度塑性应变预制样品和系列拉伸样品中,材料EBSD衍射带对比度与微小塑性变形相关性较差,而核平均取向差与±2%以上的塑性变形有较好正相关性,有望用于实际管线残余塑性变形的定性或半定量评估。

人工智能在断裂力学的应用——裂纹识别、诊断及预测

在过去的二十年里,人工智能学者不断开发新的技术及方法应用于解决工程问题。虽然许多学者已经成功应用这些人工智能技术及方法解决工程问题,但是目前还没有相关文献系统地介绍这些技术及方法在断裂力学中的应用与发展。主要介绍了经典断裂力学的发展以及成果,并归纳总结近年来人工智能方法在断裂力学中的应用,将其成果细分为三类,包括失效模式识别,损伤和失效的检测及诊断和断裂参数的表征、反演和预测。详细讨论了人工智能方法在上述三个方面的应用情况。最后分析了这些人工智能方法在断裂力学领域中的优点及不足并提出了未来可能的研究方向。

基于重大事故场景的受限空间内燃气泄漏情景模拟及泄爆优化研究

为研究受限空间内燃气泄漏的情景并探究泄爆优化后的效果,基于FLACS软件构建了受限空间内重大燃气事故场景,模拟了燃气在受限空间内的泄漏扩散和爆炸,分析了泄爆口在受限空间内的泄爆效果。结果表明:燃气在管道封闭段泄漏时,云团沿着管外壁向外扩散形成内凹的不规则形状,障碍物使扩散速度加快;燃气泄漏产生的冲击波最大超压高达660.7 kPa,可使周边建筑物受到严重破坏,并且受限空间开口端一侧的建筑物破坏程度高于密闭端一侧建筑物;泄爆口安装在火焰发展轴向位置时泄爆效果最佳,空间内的最大爆炸压力可降至312.4 kPa,降幅达52.70%,若将泄爆口设置在受限空间侧面,离点火源位置越近,泄爆效果越佳;增大泄爆口的长宽比进而提高泄爆面积可使受限空间内的最大爆炸压力显著降低,长宽比为34∶1时,最大爆炸压力降至15.4 kPa,降幅达97.65%;降低泄爆口开启压力可有效降低受限空间内的最大爆炸压力,当泄爆开启压力降至50 kPa时,最大爆炸压力降低至351.0 kPa,降幅达46.87%。

风速条件下掺氢天然气站场泄漏爆炸后果

预测掺氢天然气站场的事故后果对应急救援具有重要意义。在开放型空间中,风是影响掺氢天然气站场事故后果的重要因素。通过计算流体力学(CFD)模型研究了掺氢天然气站场事故场景的演化规律,重点考虑了风速对事故后果的影响。结果表明:风速条件加快空间内物质传输速度,影响气体泄漏的整个过程。在泄漏初期,泄漏气体保持在较高浓度水平,风的存在有利于促进泄漏气体与空气混合形成可燃气云;风速越大,可燃气云形成越快。在泄漏中后期,泄漏气体主要以可燃气云的形式扩散,边界浓度较低,风的存在会促进可燃气云发生弥散;风速越大,可燃气云将越难积聚,事故影响的范围也相对减小。当可燃气云达到爆炸条件时,小风速场景中会产生更大的爆炸压力值,事故影响范围也更广。

X80管道钢韧性断裂准则对比

为探究高钢级管材的断裂力学性能,将韧性断裂准则应用于管道钢的断裂失效评价中。设计了4类5种不同应力集中系数的X80管道钢拉伸试样来获取材料的基本力学性能参数和断裂应变,采用Ramberg-Osgood模型表述材料硬化效应,运用ABAQUS软件显示模块构建试样的对称有限元模型,进而使用实验-模拟混合法对实验中难以获取的应力三轴度和Lode参数进行提取,选取其中3种试样数据分别对3种断裂准则的断裂参数进行标定,用其余2种试样数据和构建材料断裂轨迹图来对不同准则的预测效果作进行对比分析。结果表明,采用实验-模拟混合法对不同应力集中系数试样的数据提取可以用于断裂准则的参数标定;DF2014韧性断裂准则对不同应力状态下的断裂行为预测更为准确和灵活,其损伤评价模型能够用于高强管道钢的韧性断裂预测。

基于改进DS-贝叶斯网络的滩海管道风险评价

为量化滩海油气管道泄漏风险,提出一种结合改进证据理论和贝叶斯网络的风险评价模型。通过构建滩海管道泄漏风险指标体系、安全屏障模型,确定贝叶斯网络拓扑结构。引入改进证据理论融合专家打分意见,确定节点先验概率与条件概率,由贝叶斯网络正反推断出滩海管道的泄漏风险与风险因子敏感性。模型可准确计算管道泄漏风险值且降低意见均衡化与评价的主观性。为验证模型的适用性,计算了某滩海管道泄漏风险值,结果显示该海域管段的泄漏风险值为0.001 52。

基于MOSMA-SVR的油气管道腐蚀深度预测模型研究

为提高埋地油气管道腐蚀深度预测精度,使用支持向量回归(SVR)对各腐蚀影响因素与最大腐蚀深度进行仿真建模。采用一种新型元启发式算法——多目标黏菌优化算法(MOSMA)对SVR的损失函数进行优化,构建了一种高效智能混合模型MOSMA-SVR来预测埋地油气管道最大点腐蚀深度。将模型预测结果与WOA-SVR、GWO-SVR、AOA-SVR 3种混合模型预测结果进行对比。结果表明:构建的基于MOSMA-SVR的腐蚀深度预测模型在测试集得到均方误差仅为0.002,平均绝对百分比误差为3.659%,模型的决定系数R2达到0.999,各评估指标均优于其他混合模型,具有较高的精度和较好的泛化性,可为管道腐蚀控制提供决策参考。

基于数据驱动的管道环焊缝风险预测模型研究

为完善当前油气管道环焊缝失效风险判定方法,提高风险焊口开挖选点的有效性,依据油气管道环焊缝排查数据统计分析和环焊缝失效机理研究相关成果,建立了管道环焊缝全生命周期的失效风险因素识别体系,并基于集成算法建立环焊缝风险预测模型,所建立的预测模型与使用其他机器学习算法建立的模型相比,具有较高预测准确度和泛化性,模型整体预测准确率达86.44%,结果表明,模型对不合格焊口的识别精确度较好,可应用于工程中指导未开挖风险焊口的科学选点工作。基于所建立的预测模型,还提出了一种分析风险因素局部重要度的方法,从数据建模的角度出发,得到风险指标的因子权重,权重结果可为环焊缝的定量风险评价提供参考,有效提高管道环焊缝数字化管理水平。

狭长受限空间内燃气燃爆灾害演化规律研究

为研究狭长受限空间内燃气燃爆灾害的演化规律,采用三维仿真软件FLACS分别建立全密闭和半密闭两种受限空间模型,对比研究了两种模型的火焰传播形态,并分析了两种模型在不同工况条件下的燃爆灾害规律。结果表明:两种模型的燃爆火焰形态显著不同;对于全密闭空间,长宽比的增大会促进火焰传播同时增大爆炸压力值的波动性,稍高于化学当量比的甲烷浓度产生的爆炸压力最大,并且富燃爆炸比贫燃爆炸的压力要高;对于半密闭空间,气云体积的增大加大了火焰传播距离的同时也提高了开口端的火焰速度,障碍物数量的增多使爆炸火焰呈现先促进后削弱的现象,并加大了最大爆炸压力和燃爆速度的变化幅度。

典型有限空间内混氢天然气泄漏燃爆演化规律研究

为探究混氢天然气在有限空间内泄漏燃爆的演化规律,采用FLACS建立27 m^(3)立方体开口容器,分析混氢比(HBR)、点火位置、泄漏口尺寸、体积阻塞率对有限空间内混氢天然气燃爆内外压力的影响。研究结果表明:随HBR增加,容器内部压力峰值逐渐增大,外部压力在40%混氢比以上时,开始出现二次超压;中部点火导致内部压力峰值最大,前部点火导致容器外部压力峰值最大;随泄漏口尺寸减小,容器内部压力峰值逐渐增大;外部压力曲线中泄漏口宽度固定为1.2 m,长度为2 m和0.5 m时,长度为1 m和1.5 m时峰值及趋势相近;随体积阻塞率增加,容器内部压力峰值逐渐减小,8%体积阻塞率的压力峰值较4%下降明显,由166 kPa下降到87 kPa。研究结果可为城镇终端用户燃气掺氢应用提供参考。

非线性有限元法用于腐蚀管道失效压力预测

采用非线性有限元法建立了含缺陷管道爆破失效的数值模型,以此预测腐蚀缺陷管道的失效压力。分析了模型中的单元划分、材料模式、非线性求解方法、失效判据等技术要点,对不同管材、规格以及缺陷尺寸的全尺寸管道爆破试验结果进行了分析和计算,验证了所建模型的准确性。基于有限元计算结果,同时考虑缺陷长度、深度、宽度等因素的影响,拟合出含缺陷管道的失效压力预测公式,与其他方法以及试验结果相比,该公式计算误差较小。

地面占压荷载作用下的管道应力分析

占压导致地基下沉和管道变形。建立了地基-管道的三维有限元模型,分析占压载荷作用下管道的应力与变形。模型考虑了管-土间的相互作用和管底夯实地基,符合占压管道的实际载荷情况。结果表明:管道在上覆土体和夯实地基的不均匀作用下发生局部弯曲和椭圆化变形;上覆土体越软,管道变形越大,管底夯实地基起到阻止管道下沉的作用,二者弹性模量相差越大,管道在夯实地基边缘处的环向弯曲应力越高;内压起到抵抗管道变形的作用,但其影响程度较小;薄壁大口径管道的应力水平和变形程度相对较高,上覆土体对大口径管道横截面变形有较大的约束作用;占压载荷与管道横截面的椭圆化变形率近似呈线性关系,依据极限椭圆化变形率可以确定管道所能承受的安全占压载荷。

复合材料缠绕修复管道的应力分析

非金属缠绕管道修复是在役管道受损后的一种主要修复方式,对于保障油气管道的平稳安全运行具有十分重要的意义。基于组合薄壁圆筒的力学分析理论,推导出了管道修复厚度的计算公式,并考虑缠绕材料的各向异性建立了缠绕修复管道的有限元分析模型。分析结果表明,缠绕层对附近管体的应力状态影响不大,只要修复厚度和修复长度合适,就能够完全恢复管道的承压能力。缠绕层在管道缺陷区域屈服以后能起到明显的承载作用。增大缠绕层厚度,可降低管道和缠绕层中的环向应力;而当缠绕层厚度小于最小修复厚度时,即使加大修复长度也无法完全恢复管道的承压能力。最后,对基于有限元法和解析方法得到的缠绕层厚度和长度进行了对比,结果表明,缠绕层厚度的计算公式偏于安全,可用于管道修复缠绕层的设计计算。