横向滑坡作用下管道裂纹力学影响因素分析

地质灾害和管体缺陷是油气管道安全运行的两大风险,山体滑坡是长输油气管道常见的一种地质灾害,裂纹是管道运行中难以发现却时有发生的管体缺陷之一。当穿越滑坡区的管道遭遇管体裂纹时,多重载荷的作用可能导致管体裂纹加剧甚至断裂失效。基于极限分析设计准则,研究了相关因素对滑坡区管道轴向裂纹的影响,采用有限元法,分析了滑坡宽度、滑坡位移、裂纹位置、裂纹深度比、裂纹形状比以及管道内压对裂纹J积分的影响。结果表明:滑坡宽度越大,J积分越小,滑坡位移越大,J积分越大;裂纹处于12点位置时,其J积分值最大,即轴向裂纹垂直于滑坡面时最危险;裂纹深度比和管道内压的增加均会导致J积分最大值呈指数增加,而裂纹形状比的增加会导致J积分最大值呈线性减小,J积分均在裂纹最深处取得最大值;较大的裂纹深度比会导致裂纹沿深度方向的扩展速度远大于沿长度方向,而较大的裂纹形状比会导致裂纹沿长度方向的扩展速度高于沿深度方向。

X52管线钢的本构关系及失效判据研究

X52管线钢广泛应用于石油天然气长输管道工程,具有良好的力学特性:强度高、塑性好。其本构关系的研究确定、矩阵表达及失效判据的建立是研究的主要内容。通过对比该材料的静力拉伸实验结果和Ramberg–Osgood本构模型,发现εεP0.2时,Ramberg–Osgood本构方程能够比较准确地反映X52管线钢的拉伸应力–应变关系,但当ε>εP0.2时,基于Ramberg–Osgood模型所得理论本构曲线与实验结果有较大的误差。基于此,对Ramberg–Osgood本构模型做出了修正,提出了X52管线钢在单向拉伸状态下的全局二段式应力应变关系式,并建立了X52管线钢本构关系的矩阵表达式。根据X52管线钢塑性极好的特点,分别研究了塑性材料基于应力的失效判据和基于应变的失效判据,给出了X52管线钢的应变控制失效准则。

成品油管道的极限悬空长度研究

长输管道沿线地质地貌错综复杂,自然条件恶劣,外界载荷(如地质滑坡、坍塌、疏松土壤沉降、湿陷性黄土、地震、水毁等)导致大跨度悬空,轻则引起管道大变形,大面积悬空、局部变形或应力集中,而导致较大的位移应力、屈曲或蠕变,严重时甚至导致管道断裂破坏,给管道运营带来安全隐患。针对2010年兰成渝输油管道德阳石亭江段洪水导致管线大面积悬空案例,以物理数学方法中的非线性理论为指导,通过有限元仿真建模及试验研究,借助大挠度梁理论、弹性地基理论、管–土互作用双线性模型、Winkler假定等力学理论,考虑管道的几何非线性和土壤的物理非线性,建立了悬空管道的大变形分析模型,分析计算了X52管材的极限悬空长度,为管道完整性管理提供理论基础。

长输管道应力应变自动化监测系统研究

为解决长输管道受高风险因素影响而存在的力学隐患,结合应力应变电测技术,研制了长输管道应力应变自动化监控系统。该系统通过应变采集器采集粘贴在管道表面的电阻应变片随管道变形产生的阻值变化,由数据转换处理器和自动控制箱共同完成数据的放大、转换、传输、存储和自动测量,并利用GPRS方式进行数据传输,实现数据的远程传输与控制。该系统可实时监控管道应力应变状态,为管道运营管理提供现实依据。

残余应力对含裂纹缺陷管道疲劳寿命的影响

针对焊缝区含表面轴向裂纹管道的疲劳寿命问题,探究管道在内压波动下裂纹扩展的规律。建立了焊缝区裂纹仿真模型。采用ABAQUS有限元软件的多层生死单元技术计算了长输管道X80钢的残余应力场。将焊接残余应力场作为裂纹扩展分析的初始应力场导入裂纹仿真模型,结合该软件的扩展有限元法(XFEM)和二次开发计算了在焊接残余应力下裂纹扩展的规律。结果表明:由于焊接残余应力的影响,热影响区含裂纹缺陷的X80管道疲劳寿命明显降低,降低幅度约达40%;裂纹长度对管道的疲劳寿命影响不显著,裂纹深度对其有一定影响,而应力比影响最大,且应力比R=0.1最为显著。

X60管线钢的本构关系及失效判据

X60管线钢是石油、天然气输送用的主要钢种,在外界载荷作用下,易发生局部变形或应力集中,而导致屈曲甚至拉裂失效。对其进行力学研究,评价其力学安全性已成为管道风险管理的重要内容之一。其中,本构关系方程是力学研究的基础内容,失效判据则决定了管道生命的周期。通过对比X60管线钢的静力拉伸实验应力应变关系和Ramberg-Osgood本构关系,发现ε≤εP0.2时,Ramberg-Osgood本构方程能够比较准确地反映X60管线钢的拉伸应力应变关系;但当ε>εP0.2时,基于Ramberg-Osgood模型所得理论本构曲线与实验结果有较大的误差。基于此,笔者根据X60管线钢静力拉伸弹性阶段和塑性阶段的不同力学特征,采用插值法对Ramberg-Osgood本构模型做出了修正,提出了X60管线钢在单向拉伸状态下的全局二段式应力应变关系式,该关系式更加准确地表达了X60管线钢的拉伸应力应变关系。考虑到焊缝及热影响区对管道强度和刚度的影响,结合塑性材料基于应力的失效判据和基于应变的失效判据,笔者提出了焊缝影响因子及X60管线钢的应变控制失效准则,建立了基于第四强度理论的管道失效时的临界应力计算方程。

含等壁厚体积型缺陷油气管道的剩余强度评价

为了研究管道等壁厚矩形减薄缺陷的角度对剩余强度评价的影响,基于塑性失效的准则,采用有限元法对缺陷管道进行剩余强度评价。研究矩形缺陷的角度、深度、长度和宽度对管道失效压力的影响;将有限元结果与DNV RP-F101标准计算结果进行对比分析,并引入角度修正系数以考虑缺陷角度的影响。结果表明:随着角度的增加,管道失效压力逐渐增加,长度的变化对管道影响降低,宽度的变化对管道影响上升;DNV公式中角度修正系数的引入充分考虑了角度的影响,修正后误差明显降低。这对管道的检测与防护具有一定的参考价值。

CFD对输油管线冰堵的分析

在我国北方冬季气候寒冷输油管线易发生冰堵现象。一旦事故发生将对生产生活造成较大的影响。目前在国内对输油管线冰堵的测定主要针对完全冰堵段。对于多个半冰堵段的测定,方法还不是很成熟。本文利用ANSYSCFD12.0对输油管线多个冰堵段造成的压力变化进行了研究,给出了相应的变化曲线,并提出了斜率法分析。为输油管线冰阻位置的检测工作提供理论依据。

单轴旋网式自动过滤及清渣装置设计

针对兰成渝输油管道目前所采用的GL-09101号过滤器在实际使用过程中存在的若干问题,提出了新的设计方案。该方案通过可旋转平面圆盘形过滤网与杂质收集壳的相对运动,在紊流状态下实现了对杂质、油泥的连续过滤。采用现代控制理论,完成了液渣分离,滤渣刮除、收集和排除的自动控制过程。其结构简单,易于操作,便于维护,从而降低了由于手动作业造成不可预见风险及作业强度,节省了劳动时间并大大增加了经济效益。

方钻杆旋塞阀的失效分析

方钻杆旋塞阀结构简单、操作方便、使用较可靠,已成为钻井钻柱内防喷系统的重要组成部分,在现场广泛使用。方钻杆旋塞阀的主要失效形式有3种:①强度失效,主要由阀本体的早期疲劳断裂所引起,引起强度失效的原因是结构尺寸不合理、材质差、热处理不当;②阀的球体转动失效,这是因为球体与阀座间的摩擦力矩过大,严重锈蚀,阀座发生塑性变形和密封面卡住了固体颗粒,转动失效的根本原因是球体和阀座间的摩擦力过大造成的;③密封失效,旋塞阀的密封结构由3部分组成,其中球体与上阀座间的主密封尤为重要,如若失效,旋塞阀作为截止阀的功能就完全丧失。为此,在失效分析基础上提出了减少上述3种失效的措施。

管道应力应变监测试验规程研究

管道埋设在土体中或每隔一段间距支承在支座上,且充满或部分充满液体时,应力分析因边界条件的不确定而使结果不可靠。以管道单元的状态特性(几何性质、材料性质、载荷属性、应力分析属性等)作为基本出发点,分析了危险区管道单元的轴向、环向及45°方向应力分布状况及最大主应力,并结合弹性破坏理论,对试验区管道安全状况进行了有效的评价,给出了作为试验依据和参考的基于应变测试技术的管道力学监测试验理论。

基于小挠度理论的悬空管道力学分析

根据小挠度理论,建立了黄土塌陷、水冲、滑坡等引起的管道悬空段的力学模型,考虑管子自重、防腐层重量、输送介质重量、温度应力、土体的内聚力等对管道的作用,给出了以上各种载荷的计算方法,并利用ANSYS软件计算了不同悬空长度管道的应力分布,找出了最大的Mises应力及位移值,以及它们所对应的位置。

兰成渝输油管道沉管应力应变监测技术

兰成渝输油管道东峪沟沉管治理工程中采用了应力应变监测技术。以沉管区管道的应变监测作为基本出发点,分析了边界点、弯管区、过渡段、最大挠度区管道单元的轴向、环向、45°方向应力及最大主应力变化趋势,并结合弹性破坏理论,对沉管区管道安全状况做出了评价,提出了基于应变测试技术的管道沉降过程力学监测理论。

高温胁迫对扶桑绵粉蚧成虫过氧化物酶和谷胱甘肽-S-转移酶活性的影响

为了研究高温胁迫对扶桑绵粉蚧的影响,将该虫分别置于35℃、38℃、41℃、44℃和47℃水浴处理2 h、3 h和4 h,然后置于26℃下恢复2 h,测定成虫的过氧化物酶(POD)和谷胱甘肽-S-转移酶(GSTs)活力的变化。结果表明在处理2 h、3 h和4 h下,对照(26℃)的POD活力值分别为(0.0527±0.0015)mmol/min、(0.0508±0.0015)mmol/min和(0.0483±0.0072)mmol/min,均高于高温各处理的POD活力值;5个温度处理下的POD活力值变化为低(35℃)-高(38℃)-低(41、44、47℃)的变化趋势;当处理2 h时,不同温度下的POD活力值分别是(0.0183±0.0009)(35℃)、(0.0480±0.0012)(38℃)、(0.0227±0.0012)(41℃)、(0.0197±0.0003)(44℃)、(0.0173±0.0007)(47℃)mmol/min。且在不同温度和时间处理下,成虫的GSTs活性变化趋势与POD活性变化趋势一致。即不同时间处理下,对照的GSTs活性均高于高温各处理的GSTs,其对照的GSTs活力值分别为(0.5537±0.0044)(2 h)、(0.5358±0.0078)(3 h)和(0.5291±0.0264)(4 h)mmol/min;5个温度处理下的GSTs活力值变化为低(35℃)-高(38℃)-低(41℃、44℃、47℃)的变化趋势;当处理3 h时,不同温度下的GSTs活力值分别是(0.5114±0.0116)(35℃)、(0.5426±0.0009)(38℃)、(0.4861±0.0073)(41℃)、(0.3657±0.0029)(44℃)、(0.3404±0.0156)mmol/min(47℃)。因此高温对扶桑绵粉蚧体内的POD和GSTs活力存在影响。

X52长输管线在悬空状态下的安全研究

以轮库输油复线某段X52原油管道为工程背景,管道意外悬空后,将管线悬空段简化为大挠度梁,且考虑管梁的几何非线性,将埋地段看成有限长梁,考虑了土壤纵向抗力的物理非线性,利用Winkler弹性地基理论、管-土互作用双线性模型等力学理论建立悬空管道系统的大变形分析模型。通过X52管线钢拉伸试验、管道悬空模拟试验研究及有限元仿真建模,验证了有限元仿真方法的可靠性,分析计算了X52管道基于应力失效准则的安全悬空长度和基于应变失效准则的极限悬空长度,通过极值应力、应变随不同悬空长度的变化规律研究,解释了取应变作为管道失效判据的合理性。

X80输气管线悬空状态下的安全评价

X80管线在我国西部恶劣复杂的环境中运行时,各类地质灾害经常造成管道悬空现象,严重影响管道的安全运营。在万能材料试验机上对X80管线进行拉伸试验,得其本构关系,为仿真计算提供依据。借助弹性地基理论、Winkler假定对悬空管道力学模型进行分析,应用基于应变准则的失效判据来判断管道的安全状态,并用有限元软件ABAQUS对X80悬空输气管道的安全状态进行模拟与分析。结果表明:最大应力、应变及挠度与悬空长度、管径比(D/t)呈正相关;悬空管道的危险点,位于埋设段与悬空段交汇处。这些结论为悬空管道的安全评估提供了一定的理论基础。

输油悬空管道洪水冲刷作用下的安全评价

洪水冲刷是影响输油悬空管道稳定性的重要灾害之一。对洪水冲刷输油悬空管道进行受力分析可知,漂浮管道易产生拉弯变形。为此,建立了水冲管道力学分析模型,应用基于应变准则的失效判据关系式来判断管道的安全状态,并用有限元软件ABAQUS对X60输油管道在一定洪水流速和一定悬空长度2种工况下的安全状态进行模拟与分析。分析结果表明,最大应力、应变及挠度与悬空长度成正相关关系;一定悬空长度下,最大应力、应变及挠度与洪水流速成正相关关系,且当流速大于3 m/s时,管道的振动频率升高,加大管道失效可能性。水冲悬空管道的危险点位于埋设段与悬空段交汇处的水流入侧。

煤矿采空区管道监测方法的应用

煤矿采空塌陷对埋地管道长期安全运营造成严重威胁。介绍了煤矿采空区管道的受力特点,提出了管道安全监测的必要性。结合长距离输油气管道在煤矿采空区的实际情况,提出可行的监测方法,并在鄯乌线芦草沟段进行了实际应用。通过监测得到管体在采空塌陷过程中应力的变化特征和变化量,为长输管道沿线采空区的安全维护提供了经济可行的解决方案,并为处于其他地质灾害区的管道维护提供参考。

地震波动下悬空管道的动力响应分析

在分析管道振动原因和控制指标的基础上,采用ABAQUS有限元软件对悬空管道进行了模态分析,并以模态分析为基础,采取谱分析方法对悬空管道进行了动力响应分析。以兰成渝兰州段某段悬空管道为对象,分析了7级和8级罕见地震作用下管道的最大应力和位移。分析结果表明,8级地震作用下管道的最大应力和位移为7级地震的2.2倍,不同烈度下管道的横向位移和应力响应要远远大于轴向位移和应力响应;对于大多数悬空管道,地震造成的影响较小,在工程安全判定中地震的影响作验证即可。最后就管道的不同部位,提出了几点防震措施。

球壳容器在不同边界载荷下的应力分析

压力容器球壳接管处由于总体结构不连续和开孔面积突变而存在不连续边缘应力,应用ANSYS软件分析常见工况下球壳容器在赤道正切柱式支座、圆筒形裙式支座和混凝土连续基础支撑等3种典型情况下的薄膜应力情况。