爆破塌落触地载荷下浅埋缺陷PE-HD管道力学响应分析_张鹏.pdf

文章编号:1009-6094(2023)06-1844-08爆破塌落触地载荷下浅埋缺陷PEHD 管道力学响应分析张 鹏1,安兆暾1,李 虎2(1 西南石油大学土木工程与测绘学院,成都 610000;2 四川省地质工程勘察研究院集团有限公司,成都 610000)摘要:针 对 含 划 痕 缺 陷 高 密 度 聚 乙 烯(High-DensityPolyethylene,PEHD)管道面临爆破拆除工程中塌落物冲击问题,设计了浅埋管道落锤冲击和拉伸试验,再结合 Abaqus有限元软件研究了触地载荷下含缺陷管道的力学响应,探究了不同因素下管道力学行为规律和防护措施的有效性。结果表明:冲击试验中管顶应力高于管底应力,管材在屈服后应力明显下降;硬化路面下划痕管道的最大 Mises 应力显著减小;当划痕深度系数为 0.5 时,管顶部和底部存在划痕的管道最易失效;内压在一定程度上对划痕管道有保护作用;管道在高触地速度冲击下应力集中现象更明显;对冲击下的缺陷管道进行聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyren,EPS)缓冲垫层和多级复合缓冲垫层防护后,管道最大应力分别下降40%和 72%,因此建议根据工程实际情况中针对临近触地载荷下的管道选取合理的防护措施。关键词:安全工程;高密度聚乙烯(PEHD)管道试验;划痕缺陷;爆破塌落;力学性能中图分类号:X937 文献标志码:ADOI:10.13637/j.issn.1009-6094.2022.0151收稿日期:20220125作者简介:张鹏,教授,博士,从事管道风险评价、完整性管理及结构可靠性研究,zp_swpi ;安兆暾(通信作者),助理工程师,硕士,从事油气 管 道 结 构 安 全 的 研 究,azt4swpu 。基金项目:国家自然科学基金项目(50974105);中国工程院重大咨询研究项目(2011ZD20)0 引 言根据国家能源局最新发布的中国天然气发展报告(2021 年),5 年来中国天然气储产量快速增长。在“全国一张网”的成型过程中,由于高密度聚乙烯(High-Density Polyethylene,PEHD)天然气管道的诸多优点,其在城镇燃气管道系统中被广泛应用1。同时由于近年来城市的不断扩建及改造,建(构)筑物控制爆破拆除工程日益增多2,建筑物拆除解体塌落过程中塌落载荷将导致管道的变形和应力集中,严重时将会导致管道破裂失效,从而严重威胁人民群众生命财产安全。根据欧洲燃气管道事故数据组 织(Europe Gas Pipeline Incident Data Group,EGIG)最新的第 11 版报告3,外部干扰是燃气管道主要的失效原因,包括爆破、拆除和地面工程等作业活动,同时,施工与材料结构缺陷也占了相当大的比例。关于缺陷聚乙烯(Polyethylene,PE)管道的力学行为研究,近年来得到了国内外学者的广泛关注。2010 年,秦永泉4最先对含工艺缺陷的聚乙烯管道焊接接头进行了试验研究,提出了热熔接头缺陷的分类和表征方法,得到了缺陷接头的硬度分布规律。2002 年,Zhao 等5首次对不同夹杂缺陷的 PE 接头进行了拉伸试验研究,得到了 4 种失效模式下的应力应变关系。曹鹏等6对含椭球形体积缺陷 PE 管道进行了数值模拟分析,得到了地面载荷和缺陷参数对管道应力和变形量的影响。Abid 等7模拟了聚乙烯管道法兰连接处、焊缝根部和焊缝间隙的变形量和剩余压力。孙明等8选取 PE80 和 PE100 的缺陷管道进行极限承载力研究,初步确定了管道仅受内压时极限承载力和缺陷尺寸的关系。王博9研究了典型复杂载荷(占压、沉降)下 PE 缺陷管道的力学行为,发现两种载荷下的挤压作用是管道屈服的主要原因。2019 年,陈国华等10首次考虑温度和占压综合作 用对聚乙烯球形缺陷管道的影响,探讨了不同影响参数对管道力学性能的影响。陈星宇等11基于 Ansys 软件对输气下的含热熔孔洞缺陷 PE管道进行了应力分析,并根据 Suleiman 本构模型对管道进行了寿命预测。李明阳等12基于有限元平台建立了 PE 管 土 挖斗接触模型,分析了管道缺陷位置、尺寸和挖掘深度对含缺陷管道力学性能的影响。由上述学者的研究可知,PE 管材缺陷研究主要集中于含内部缺陷的管道在静载荷作用下的力学响应。在实际工况中,聚乙烯管道在运输和施工过程中往往产生外划痕缺陷,而鲜有关于爆破拆除塌落冲击载荷对浅埋外划痕缺陷 PEHD 管道影响的研究,因此本文对塌落载荷下含划痕缺陷管道的力学行为和防护进行研究。本文进行落锤冲击浅埋管道的试验,该试验的落锤载荷冲击机制与建构筑物塌落体塌落触地的情况是一致的13 14。随后探讨缺陷深度、缺陷位置、内压及防护措施对缺陷管道力学特性的影响,以期为浅埋城镇聚乙烯燃气管道的安全运行与第三方施工的安全实施提供理论依据。1 浅埋管道的冲击试验1.1 试验准备试验管材选用四川亚大塑料制品有限公司生产4481第 23 卷第 6 期2023 年 6 月 安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and Environment Vol.23 No.6Jun.,2023的 PE100 级高密度聚乙烯燃气管道,并且采用目前城镇输配气工 程 中 广 泛 使 用 的 标 准 尺 寸 比 为SDR17、公称直径为 DN110 管道,壁厚 t 为 6.5 mm,长度为 800 mm。落锤采用铸铁材料,其长 宽 高为 22 cm 15 cm 12 cm。其中土体模型长和宽均为 1 m,高度为 0.8 m。试验采用江苏泰斯特电子设备制造有限公司生产的 TST5912 动态信号测试分析系统,试验时信号采集频率为 48 kHz。模型试验采用河砂作为模型箱的填充材料。河沙取自成都的长江。试验前风干过 2 mm 筛。土壤材料参数见表 1。1.2 试验方案落锤冲击浅埋 PE 管道的试验图如图1 所示,其 图 1 落锤冲击埋地 PEHD 管道试验图Fig.1 Test diagram of PEHD buried pipelineimpacted by drop hammer表 1 土体参数Table 1 Soil parameters密度/(kgm-3)相对密度相对密实度内摩擦角/()弹性模量/kPa泊松比1 60029.30.72920 0000.4中试验模型箱的长度和宽度均为 1 m,高度为 0.8m。本试验通过改变落锤自由落体的高度和管道的埋深来获取不同试验工况下管道不同位置的应力和应变,其中管道埋深设为 20 cm 和25 cm。试验采用电阻应变 应力方法15获取浅埋 PE 管道在落锤冲击下的应变;同时采用二分之一桥连接,利用弹性力学的第四强度理论计算得到检测点的应力。1.3 试验结果通过多次的落锤塌落触地试验并采集数据,除去重复试验及无效试验结果,将试验测量得到的管道应力峰值和土体凹陷值进行了汇总,见表 2。由试验结果可知,在埋深和塌落高度一定的情况下,管顶的峰值应力大于管底的应力;当埋深增加时,土体对管道保护作用增强,管道的应力峰值减小;塌落触地中心的土体凹陷随着塌落高度的增加而增加。2 PEHD 管道的失效准则管材的拉伸试验最能直接观察管道剪切屈服的宏观行为,通过美特斯工业系统(中国)有限公司制造的 SANSCMT4304 型万能试验机在规定的条件下测定聚乙烯管材在50 mm/min 拉伸速率下的应力应变关系。由图 2 的试验管材的完整拉伸曲线可知,当外加载荷达到它的屈服应力时,PEHD 已发生明显的塑形变形,出现颈缩现象,管材壁厚明显变薄弱,这意味着 PEHD 管道达到屈服后的承载能力将发生明显改变。因此本文选取第四强度理论来判断 PEHD 管材的安全状况。等效应力采用 表 2 浅埋管道的冲击试验结果Table 2 Impact test results of shallow buried pipelines序号锤质量/kg埋深/cm塌落高度/cm管顶应力/MPa管底应力/MPa12025303.61.422025605.42.132025906.62.8420251207.83.3520251508.94.162020305.52.372020607.83.282020909.04.19202012010.14.610202015011.15.25481 2023 年 6 月 张 鹏,等:爆破塌落触地载荷下浅埋缺陷 PEHD 管道力学响应分析 Jun.,2023Von Mises 等效应力,其表达式为eq 4=(1-2)2+(2-3)2+(1-3)220.2)增长明显;当工况是 A为 0.5 和内压为 0、0.8 MPa 组合时,Mises 应力显著高于其他情况,且管道出现的最大 Mises 应力超过了其屈服强度,表明高内压和深划痕的组合非常不利于管道的安全运行。此外,对于不同划痕深度的管道,随管道内压增大,各缺陷管道的最大位移逐渐减小。这是因为随管道内压增加,整个管线系统的刚度变相增加,在冲击力的作用下不易弯曲变形。图 8 不同内压下管道最大 Mises 应力和位移Fig.8 The maximum Mises stress and displacement ofpipelines under different internal pressures4.5 触地速度对管道的影响触地速度不同表示塌落体触地冲击土体的载荷不同,因此分别设置计算触地冲击速度为 8 m/s、10m/s、12 m/s、14 m/s 和16 m/s 的塌落体触地冲击浅埋 PEHD 不同划痕深度管道的模型。图 7 缺陷在管道不同位置时的最大 Mises 应力Fig.7 The maximum Mises stress of defect atdifferent positions of pipelines8481 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期图 9 为不同速度下管道最大 Mises 应力和位移随划痕深度的动力响应。由图 9 可知,随着划痕深度逐渐加深,管道的最大 Mises 应力随速度增加也在增加。当划痕深度系数 A 为 0.5 时,管道的最大应力增加明显。随着触地冲击速度的增加,管道位移增加。值得注意的是,当触地速度超过 12 m/s时,A 0.4 的管道最大应力超过屈服强度,这也表明爆破拆除施工时,对于高层建构筑物应该采用分段折叠倒塌技术及管道被动防护等措施,以降低塌落体的冲击能量,从而减轻对临近浅埋在役输气管道的影响。图 9 不同触地速度下管道最大 Mises 应力和位移Fig.9 The maximum Mises stress and displacement ofpipelines under different touchdown velocities4.6 管道防护措施探究为了保护爆破拆除施工时临近埋地管道的安全,通常会在埋地管道上方采取防护措施,对于可能存在缺陷的管道更应该做好防护。因此设计了两种管道被动防护措施进行建模分析,一种是聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyren,EPS)垫层防护,另一种是利用沙袋墙、钢板和旧轮胎进行多级复合缓冲防护,见图 10。模型计算工况为管道埋深 1.5 m,塌落体体积为 80 m3,划痕缺陷深度系数 A 为 0.1,触地冲击速度为 9.8 m/s。图11 是防护前后缺陷管道最大 Mises 应力随时间的变化曲线。由图 11 可知,未采取防护措施缺陷管道的最大 Mises 应力在计算工况下已经超过管道的屈服强度。当管道经过 EPS 缓冲垫层防护后,缺陷管道的最大应力减小了约 40%;当管道经过多级复合缓冲垫层防护后,缺陷管道的最大应力下降了72%,此时管道的最大应力已经远小于屈服强度;另外,进行被动防护的缺陷管道最大应力出现的时间出现了明显的延迟。5 结 论1)硬化路面对缺陷管道有一个保护作用。在硬化路面下,缺陷管道的最大应力和位移显著小于未硬化路面的工况,对于容易受到冲击影响的埋地管道,应该铺设硬化的路面以提高管道的安全性。2)当 A 为 0.5 时,各计算工况下管道的最大应力均显著增大,因此对于深划痕的管道应及时发现并更换;根据缺陷在不同位置的模拟和冲击试验结果,可知管顶部存在深划痕时更危险;各计算工况下的位移变化很小,在管线安全评估中可忽略其影响。3)内压对较浅划痕缺陷管道(A=0.1、0.2)起保护作用;当内压达到 0.8 MPa 时,缺陷管道更易发图 10 塌落冲击下管道被动防护措施示意图Fig.10 Schematic diagrams of passive protectivemeasures for pipeline under collapse impact图 11 防护后缺陷管道最大 Mises 应力时变曲线Fig.11 Time-varying curves of the maximum Misesstress of defective pipelines after protection9481 2023 年 6 月 张 鹏,等:爆破塌落触地载荷下浅埋缺陷 PEHD 管道力学响应分析 Jun.,2023生应力集中,应对划痕缺陷管道的运行压力进行限制;施加 EPS 缓冲垫层和多级复合缓冲垫层防护措施的缺陷管道最大应力分别下降了 40%和 72%,因此建议根据工程实际情况针对临近触地载荷下的管道进行合理的防护。参考文献(References):1 施建峰,胡安琪,郑津洋.聚乙烯管材标准发展现状分析J.中国塑料,2021,35(3):112123.SHI J F,HU A Q,ZHENG J Y.Development status oftechnical standards in polyethylene piping J.ChinaPlastics,2021,35(3):112123.2 张鹏,安兆暾.爆破拆除塌落触地冲击下浅埋 HDPE燃气管道损伤分析J.安全与环境环报,2020,20(6):21232130.ZHANG P,AN Z T.Damage analysis approach to theshallow buried HDPE urban gas pipeline under thecollapse impact load in the demolition blasting J.Journal of Safety and Environment,2020,20(6):21232130.3 European Gas Pipeline Incident Data Group.Gas pipelineincidents R.Groningen:EuropeanGasPipelineIncident Data Group,2020:2027.4 秦永泉.含工艺缺陷聚乙烯管道热熔焊接接头力学性能试验研究D.杭州:浙江大学,2010.QIN Y Q.Experimental study on mechanical properties ofhot melt welded joints of polyethylene pipes with processdefectsD.Hangzhou:Zhejiang University,2010.5 ZHAO J,DAIGLE L,BEAULIEU D.Effect of jointcontamination on the quality of butt-fused High-DensityPolyethylene(HDPE)pipe jointsJ.Canadian Journalof Civil Engineering,2002,29(5):787798.6曹鹏,吴明,刘广鑫,等.城镇燃气埋地含缺陷聚乙烯管道应力分析J.中国安全生产科学技术,2016,12(3):7781.CAO P,WU M,LIU G X,et al.Stress analysis onburied urban gas PE pipeline containing defects J.Journal of Safety Science and Technology,2016,12(3):7781.7ABID M,SIDDIQUE 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withdefect of hot melt holeJ.Journal of Safety Science andTechnology,2019,15(2):7781.12 李明阳,陈国华,严大鹏,等.挖掘过程对含缺陷埋地 PE 管影响有限元分析J.塑料,2019,48(6):8790.LI M Y,CHEN G H,YAN D P,et al.Finite elementanalysis ofburied polyethylenepipelineduringtheexcavation processJ.Plastics,2019,48(6):8790.13 谭雪刚,贺五一,田永良,等.爆破塌落体对地下管道的冲击作用探讨J.爆破,2012,29(1):23 26.TAN X G,HE W Y,TIAN Y L,et al.Impact ofblasting collapse on underground pipelineJ.Blasting,2012,29(1):2326.14WANG M,ZHONG M S,LONG Y,et al.Study ondynamic strain regularity and influencing factors ofshallow buried metal pipe under collapse impact loadJ.Shock and Vibration,2018,2018(2):111.15 刘永峰.输气管道沉降变形的监测与应力分布研究D.广州:华南理工大学,2011.LIU Y F.Research on monitoring and stress distributionof gas pipeline settlement deformationD.Guangzhou:South China University of Technology,2011.0581 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期16 MOSADEGH A,NIKRAZ H.Buried pipe responsesubjected to traffic load experimental and numericalinvestigationsJ.International Journal of 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cause the failure and leakage of thepipeline.For example,the collapse effect of viaducts andchimneys in blasting demolition.To explore its impact on thesafe operation of gas pipelines,the shallow-buried PEHDpipes were subjected to a drop hammer impact test and a pipetensile test.The Abaqus finite element software was alsoreasonably utilized,the dynamic response of the scratched PEHD pipe under touchdown load was studied,and the dynamicresponse law of the scratched pipe under different parameters wasexplored.Important parameters include defect depth,defectlocation,and internal pressure on the dynamic response of thepipeline.And the following research results were obtained.First,the stress at the top of the pipeline is higher than the stressat the bottom of the pipeline in the test,and the stress-straincurve dropssignificantlyafterexceedingtheyieldstress.Second,the maximum stress and displacement of the pipeline aresignificantlyreducedunderthehardenedpavement.Themaximum Mises stress of the pipeline increases with increasingthe scratch depth.The peak time of pipeline stress anddisplacement is not synchronous.Pipelines with scratches on thetop and bottom of the pipeline are more likely to fail as thescratch depth coefficient is 0.5.Third,the internal pressureprotects the pipes with shallow scratch defects(A=0.1,0.2).The pipeline displacement decreases slightly with theincrease of internal pressure.Fourth,when the gas transmissionpressureofthepipelineexceeds0.6MPa,thestressconcentration of the pipeline with deep scratches increasessignificantly.The stress concentration of the pipeline is moreobvious when the touchdown velocity is high,and the defectivepipelineisinamoredangerousstate.Themaximumdisplacement of the pipeline increases even with the increase oftouchdown velocity.The maximum stress decreases significantlyafter the pipeline is protected.Key words:safety engineering;High-Density Polyethylene(PEHD)pipe test;scratch defect;blasting collapse;mechanical property1581 2023 年 6 月 张 鹏,等:爆破塌落触地载荷下浅埋缺陷 PEHD 管道力学响应分析 Jun.,2023