爆炸沖擊下埋地油氣管道的力學仿真

魏韡 王澤京

摘? ?要：埋地管道設計規范通常僅考慮管內介質的性質、埋設方式和深度、地質條件和環境氣候條件，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特性，研究表明：管道結構影響峰值壓力抵達時間及大小分布，管道迎爆面背面正對爆心單元的拉應力最大;管道的最大Von mises應力隨炸藥量呈二次多項式函數變化。

關鍵詞：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之一[1]，對該力學行為進行定量分析，將抗爆能力融入管道初始設計階段，從而提高管道運營的可靠性。

1? 材料本構模型

（1）選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN高爆模型及JWL狀態方程對TNT性能進行定義[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? 爆炸的力學模型

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

3? 模型仿真計算

3.1 同一工況下管道的力學特性

炸藥質量為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，沖擊波在管道內外壁前后壁之間反射疊加，超壓值最大，且值隨遠離爆心而依次遞減。

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

3.2 不同工況下管道的力學特性

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

分析表1中的數據繪制出圖4，結果表明隨著炸藥量的增加，管道的Von mises應力與最大壓力值增加，其遞增規律的函數表達式見公式（2）

式中：σ為管道最大Von mises應力，MPa;P為管道受到的最大壓力，MPa;m為炸藥質量，g;R為爆心距，cm。

4? 結語

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

參考文獻

[1] 干勇， 周廉， 師昌緒. 材料延壽與可持續發展戰略研究[R]. 北京： 中國工程院， 2012.

[2] 周聽清. 爆炸動力學及其應用[M]. 合肥： 中國科學技術大學出版社， 2001.

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