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管道环境载荷与力学响应 版权信息
- ISBN：9787030730978
- 条形码：9787030730978 ; 978-7-03-073097-8
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
管道环境载荷与力学响应 内容简介
《管道环境载荷与力学响应》系统地研究了管道在介质环境、地质灾害及第三方活动等复杂服役环境下的失效形式；建立了管道冲蚀、腐蚀、流致振动、地震、山体滑坡、落石、采空塌陷、机械挤压、基坑开挖、悬空、爆炸载荷、地面压载等环境载荷下的管道力学模型，揭示了不同工况下管道力学行为及失效机理。
管道环境载荷与力学响应 目录
目录
“博士后文库”序言
前言
第1章 管道服役环境 1
1.1 复杂介质环境 1
1.2 地质灾害 1
1.3 第三方活动 7
**部分 复杂介质环境
第2章 管道冲蚀磨损机理 10
2.1 气固两相流弯管冲蚀磨损机理 10
2.1.1 冲蚀磨损模型 10
2.1.2 弯管冲蚀磨损 11
2.1.3 多弯管路冲蚀磨损 17
2.2 带缺陷弯管冲蚀磨损机理 20
2.2.1 含单一缺陷弯管冲蚀 20
2.2.2 缺陷几何尺寸的影响 24
2.2.3 多缺陷弯管冲蚀 26
2.3 气固两相流三通管冲蚀磨损机理 27
2.3.1 三通管计算模型 27
2.3.2 流场与冲蚀规律 28
2.4 液固两相流三通管冲蚀磨损机理 36
2.4.1 三通管计算模型 36
2.4.2 流场与冲蚀规律 36
第3章 含复杂腐蚀缺陷管道剩余强度评价 38
3.1 含腐蚀坑群管道剩余强度评价 38
3.1.1 单点腐蚀坑 38
3.1.2 多点腐蚀坑 42
3.2 基于多层腐蚀坑的管道剩余强度评价 44
3.2.1 含多层腐蚀缺陷模型 44
3.2.2 管道剩余强度 45
3.3 内外腐蚀共存的管道剩余强度评价 47
3.3.1 周向腐蚀缺陷影响 47
3.3.2 内外腐蚀缺陷重合 49
第4章 管路系统流致振动特性 51
4.1 多弯管路系统动力学分析 51
4.1.1 L型充液管道模态分析 51
4.1.2 水下管路系统模态分析 52
4.1.3 非定常流下管道振动特性 55
4.2 U形充液管道动力学分析 57
4.2.1 U形管道模型 57
4.2.2 管道模态分析 58
4.2.3 充液过程中管道力学分析 59
第二部分 地质灾害
第5章 地震灾害下埋地管道力学行为 64
5.1 跨断层埋地管道分析方法 64
5.2 走滑断层作用下埋地管道力学 65
5.2.1 软土地层中管道力学行为 65
5.2.2 硬岩地层中管道力学行为 72
5.3 逆断层作用下埋地管道力学 76
5.3.1 软土地层中管道力学行为 76
5.3.2 硬岩地层中管道力学行为 82
5.4 地震波作用下埋地管道力学响应 85
5.4.1 地震波作用下管道分析方法 86
5.4.2 黏弹性边界及地震动输入机制 90
5.4.3 数值计算模型 92
5.4.4 管道截面应力“偏移效应” 93
5.4.5 关键参数分析 95
第6章 山体滑坡作用下埋地管道力学行为 102
6.1 管道力学模型 102
6.2 控制方程 104
6.2.1 管段Ⅰ 104
6.2.2 管段Ⅱ 105
6.2.3 管段Ⅲ 105
6.3 力学模型求解 105
6.3.1 待定系数分析 105
6.3.2 待定系数求解 107
6.4 算例分析 109
6.4.1 滑坡宽度 109
6.4.2 滑坡力 110
6.4.3 管道壁厚 111
6.5 滑坡段埋地管道仿真分析 113
6.5.1 数值计算模型 113
6.5.2 滑坡床性质对管道力学影响 113
第7章 落石冲击作用下管道力学行为 116
7.1 落石冲击架设管道力学行为 116
7.1.1 计算模型 116
7.1.2 管道力学响应 116
7.1.3 参数分析 118
7.2 落石冲击埋地管道力学行为 121
7.2.1 计算模型 121
7.2.2 管道屈曲过程分析 122
7.2.3 参数分析 123
第8章 采空塌陷区埋地管道力学行为 126
8.1 塌陷区管道基本特征及力学模型 126
8.1.1 塌陷区管道基本特征 126
8.1.2 塌陷区管道力学模型 127
8.2 管道力学行为 128
8.2.1 计算模型 128
8.2.2 管道力学行为 129
8.2.3 管道参数影响 131
8.2.4 围土参数影响 136
第三部分 第三方活动
第9章 机械挤压作用下管道力学行为 139
9.1 埋地管道凹陷行为特征 139
9.1.1 管道载荷-变形关系 139
9.1.2 内压影响 141
9.2 外部硬物挤压管道凹陷行为 142
9.2.1 计算模型 142
9.2.2 管道凹陷演变过程 142
9.2.3 挤压方式影响 144
第10章 基坑开挖作用下邻近管道力学行为 153
10.1 埋地管道变形分析 153
10.1.1 弹性地基梁的微分方程 153
10.1.2 微分方程的通解 154
10.1.3 均布载荷下的特解 156
10.1.4 三角形载荷下的特解 157
10.2 无支护基坑开挖对邻近管道力学影响 158
10.2.1 计算模型 158
10.2.2 管道力学行为 158
10.2.3 土体参数的影响 160
10.2.4 管道参数的影响 163
10.2.5 基坑参数的影响 166
10.3 基坑支护对管道力学行为影响 167
10.3.1 计算模型 167
10.3.2 支护前后对比 168
10.3.3 支护结构厚度影响 169
10.4 基坑开挖对邻近并行管道影响 170
10.4.1 计算模型 170
10.4.2 并行管道力学 170
10.5 支护与开挖方式对邻近管道影响 171
10.5.1 不同支护方式 171
10.5.2 基坑开挖方式 176
第11章 悬空管道力学行为 180
11.1 管道悬空长度的影响 180
11.2 影响参数分析 184
11.2.1 管道直径 184
11.2.2 管道壁厚 185
11.2.3 输气管道内压 186
11.2.4 输油管道流体 187
第12章 爆炸载荷下埋地管道力学行为 189
12.1 数值仿真方法 189
12.1.1 ALE算法与耦合 189
12.1.2 材料模型与参数 189
12.2 地表爆炸载荷下埋地管道力学行为 191
12.2.1 无压管道力学行为 191
12.2.2 压力管道力学行为 195
12.3 空中爆炸载荷下埋地管道力学行为 198
12.3.1 数值计算模型 198
12.3.2 管道力学行为 199
12.4 地下爆炸载荷下埋地管道力学行为 202
12.4.1 数值计算模型 202
12.4.2 管道力学行为 203
12.5 两点爆炸载荷下埋地管道力学行为 206
12.5.1 数值计算模型 206
12.5.2 管道力学行为 206
第13章 地表压载区埋地管道力学行为 210
13.1 压载区管道力学行为 210
13.2 参数分析 211
13.2.1 地表载荷 211
13.2.2 载荷区长度 212
13.2.3 回填土弹性模量 213
13.2.4 管道内压 214
13.2.5 管道壁厚 215
第14章 落物冲击下海底管道力学行为 216
14.1 块状落物冲击海底管道力学行为 216
14.1.1 几何模型 216
14.1.2 基本假设 217
14.1.3 数值模型对比 217
14.1.4 计算结果 217
14.1.5 敷设条件影响 219
14.1.6 块状落物冲击速度影响 223
14.1.7 块状落物端部形状影响 224
14.2 梁式落物冲击海底管道力学行为 226
14.2.1 数值计算模型 226
14.2.2 梁式落物形状影响 228
14.2.3 梁式落物交错冲击影响 230
14.3 受冲击海底管道的压溃失效机理 232
参考文献 234
编后记 238
“博士后文库”序言
前言
第1章 管道服役环境 1
1.1 复杂介质环境 1
1.2 地质灾害 1
1.3 第三方活动 7
**部分 复杂介质环境
第2章 管道冲蚀磨损机理 10
2.1 气固两相流弯管冲蚀磨损机理 10
2.1.1 冲蚀磨损模型 10
2.1.2 弯管冲蚀磨损 11
2.1.3 多弯管路冲蚀磨损 17
2.2 带缺陷弯管冲蚀磨损机理 20
2.2.1 含单一缺陷弯管冲蚀 20
2.2.2 缺陷几何尺寸的影响 24
2.2.3 多缺陷弯管冲蚀 26
2.3 气固两相流三通管冲蚀磨损机理 27
2.3.1 三通管计算模型 27
2.3.2 流场与冲蚀规律 28
2.4 液固两相流三通管冲蚀磨损机理 36
2.4.1 三通管计算模型 36
2.4.2 流场与冲蚀规律 36
第3章 含复杂腐蚀缺陷管道剩余强度评价 38
3.1 含腐蚀坑群管道剩余强度评价 38
3.1.1 单点腐蚀坑 38
3.1.2 多点腐蚀坑 42
3.2 基于多层腐蚀坑的管道剩余强度评价 44
3.2.1 含多层腐蚀缺陷模型 44
3.2.2 管道剩余强度 45
3.3 内外腐蚀共存的管道剩余强度评价 47
3.3.1 周向腐蚀缺陷影响 47
3.3.2 内外腐蚀缺陷重合 49
第4章 管路系统流致振动特性 51
4.1 多弯管路系统动力学分析 51
4.1.1 L型充液管道模态分析 51
4.1.2 水下管路系统模态分析 52
4.1.3 非定常流下管道振动特性 55
4.2 U形充液管道动力学分析 57
4.2.1 U形管道模型 57
4.2.2 管道模态分析 58
4.2.3 充液过程中管道力学分析 59
第二部分 地质灾害
第5章 地震灾害下埋地管道力学行为 64
5.1 跨断层埋地管道分析方法 64
5.2 走滑断层作用下埋地管道力学 65
5.2.1 软土地层中管道力学行为 65
5.2.2 硬岩地层中管道力学行为 72
5.3 逆断层作用下埋地管道力学 76
5.3.1 软土地层中管道力学行为 76
5.3.2 硬岩地层中管道力学行为 82
5.4 地震波作用下埋地管道力学响应 85
5.4.1 地震波作用下管道分析方法 86
5.4.2 黏弹性边界及地震动输入机制 90
5.4.3 数值计算模型 92
5.4.4 管道截面应力“偏移效应” 93
5.4.5 关键参数分析 95
第6章 山体滑坡作用下埋地管道力学行为 102
6.1 管道力学模型 102
6.2 控制方程 104
6.2.1 管段Ⅰ 104
6.2.2 管段Ⅱ 105
6.2.3 管段Ⅲ 105
6.3 力学模型求解 105
6.3.1 待定系数分析 105
6.3.2 待定系数求解 107
6.4 算例分析 109
6.4.1 滑坡宽度 109
6.4.2 滑坡力 110
6.4.3 管道壁厚 111
6.5 滑坡段埋地管道仿真分析 113
6.5.1 数值计算模型 113
6.5.2 滑坡床性质对管道力学影响 113
第7章 落石冲击作用下管道力学行为 116
7.1 落石冲击架设管道力学行为 116
7.1.1 计算模型 116
7.1.2 管道力学响应 116
7.1.3 参数分析 118
7.2 落石冲击埋地管道力学行为 121
7.2.1 计算模型 121
7.2.2 管道屈曲过程分析 122
7.2.3 参数分析 123
第8章 采空塌陷区埋地管道力学行为 126
8.1 塌陷区管道基本特征及力学模型 126
8.1.1 塌陷区管道基本特征 126
8.1.2 塌陷区管道力学模型 127
8.2 管道力学行为 128
8.2.1 计算模型 128
8.2.2 管道力学行为 129
8.2.3 管道参数影响 131
8.2.4 围土参数影响 136
第三部分 第三方活动
第9章 机械挤压作用下管道力学行为 139
9.1 埋地管道凹陷行为特征 139
9.1.1 管道载荷-变形关系 139
9.1.2 内压影响 141
9.2 外部硬物挤压管道凹陷行为 142
9.2.1 计算模型 142
9.2.2 管道凹陷演变过程 142
9.2.3 挤压方式影响 144
第10章 基坑开挖作用下邻近管道力学行为 153
10.1 埋地管道变形分析 153
10.1.1 弹性地基梁的微分方程 153
10.1.2 微分方程的通解 154
10.1.3 均布载荷下的特解 156
10.1.4 三角形载荷下的特解 157
10.2 无支护基坑开挖对邻近管道力学影响 158
10.2.1 计算模型 158
10.2.2 管道力学行为 158
10.2.3 土体参数的影响 160
10.2.4 管道参数的影响 163
10.2.5 基坑参数的影响 166
10.3 基坑支护对管道力学行为影响 167
10.3.1 计算模型 167
10.3.2 支护前后对比 168
10.3.3 支护结构厚度影响 169
10.4 基坑开挖对邻近并行管道影响 170
10.4.1 计算模型 170
10.4.2 并行管道力学 170
10.5 支护与开挖方式对邻近管道影响 171
10.5.1 不同支护方式 171
10.5.2 基坑开挖方式 176
第11章 悬空管道力学行为 180
11.1 管道悬空长度的影响 180
11.2 影响参数分析 184
11.2.1 管道直径 184
11.2.2 管道壁厚 185
11.2.3 输气管道内压 186
11.2.4 输油管道流体 187
第12章 爆炸载荷下埋地管道力学行为 189
12.1 数值仿真方法 189
12.1.1 ALE算法与耦合 189
12.1.2 材料模型与参数 189
12.2 地表爆炸载荷下埋地管道力学行为 191
12.2.1 无压管道力学行为 191
12.2.2 压力管道力学行为 195
12.3 空中爆炸载荷下埋地管道力学行为 198
12.3.1 数值计算模型 198
12.3.2 管道力学行为 199
12.4 地下爆炸载荷下埋地管道力学行为 202
12.4.1 数值计算模型 202
12.4.2 管道力学行为 203
12.5 两点爆炸载荷下埋地管道力学行为 206
12.5.1 数值计算模型 206
12.5.2 管道力学行为 206
第13章 地表压载区埋地管道力学行为 210
13.1 压载区管道力学行为 210
13.2 参数分析 211
13.2.1 地表载荷 211
13.2.2 载荷区长度 212
13.2.3 回填土弹性模量 213
13.2.4 管道内压 214
13.2.5 管道壁厚 215
第14章 落物冲击下海底管道力学行为 216
14.1 块状落物冲击海底管道力学行为 216
14.1.1 几何模型 216
14.1.2 基本假设 217
14.1.3 数值模型对比 217
14.1.4 计算结果 217
14.1.5 敷设条件影响 219
14.1.6 块状落物冲击速度影响 223
14.1.7 块状落物端部形状影响 224
14.2 梁式落物冲击海底管道力学行为 226
14.2.1 数值计算模型 226
14.2.2 梁式落物形状影响 228
14.2.3 梁式落物交错冲击影响 230
14.3 受冲击海底管道的压溃失效机理 232
参考文献 234
编后记 238
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管道环境载荷与力学响应 节选
第1章 管道服役环境 我国管网跨越的地质条件复杂，管道沿线的地震、山体滑坡、地表沉降、塌陷、落石等地质灾害事故频发；人类施工作业、地下开采等活动频繁，在役管道保护措施缺乏，导致临近管道极易遭受第三方活动的影响而发生泄漏；随着深层、超深层和非常规油气资源的开发及氢能产业的发展，管道输送介质更加复杂，冲蚀和腐蚀严重，使管道承载能力降低、服役寿命缩短。 1.1 复杂介质环境 气藏中采出未经过净化处理的天然气常含有砂砾等固体杂质，在输送过程中将对管道内壁造成较为严重的冲刷磨损，使管壁减薄甚至刺穿，引发安全事故[1，2]。其中，弯头和三通等工艺组件作为管道系统中的薄弱环节，所受的冲蚀磨损更为严重[3]。 复杂的外界环境、内部流动介质极易造成管壁腐蚀，腐蚀破坏已成为长输管道的主要失效形式[4]。例如，架设管道暴露在大气环境中会受到大气腐蚀，此外湿度、氧含量及温度等环境因素均会影响管道的腐蚀程度[5]；土壤是一个包含固、液、气三相的复杂介质体系，内部充满了空气、水、盐离子及不同微生物等，土壤腐蚀成为埋地管道腐蚀穿孔的主要原因；海水中含有丰富的无机盐成分，是天然的多电解质溶液，相比陆上管道，海底管道的介质环境更加复杂，管内输送介质与管道内壁发生化学或电化学作用时将对管道内壁造成腐蚀，管内介质中含有H2S、CO2、SO2等腐蚀性物质，与水蒸气化合形成酸腐蚀管道内壁[4]。 管道运行过程中压力、介质流动时产生的湍流等复杂环境都将不同程度地加剧管道腐蚀[6]。 1.2 地质灾害 我国地域辽阔、地质条件复杂，而长输管道需要穿越多个地区，管道沿线地质灾害频发且较为复杂。根据地质灾害产生的原因，可将其分为三大类[7]： （1）地壳内部构造引起的地质灾害，包括地震、地层塌陷、地面沉降、地表裂缝等。 （2）地壳外部构造引起的地质灾害，包括滑坡、泥石流、洪水、沙埋、风蚀等。 （3）特殊土体导致的地质灾害，包括湿陷性黄土、膨胀土、盐渍土、冻土等引起的灾害等。 根据统计资料，表1-1为我国主要管道沿线地质灾害分布情况。 忠武输气管道和川气东送管道分别于2004年和2009年竣工并投产运营，它们穿越川东至鄂西山区，该地段为典型的地质灾害多发区。根据2010年对这两条管线的统计结果，发现管道沿线地质灾害发育量较大，主要为滑坡（含潜在不稳定斜坡）、崩塌（危岩、高边坡）和水毁（坡面水毁、河沟道水毁、台田地水毁）[9]，如表1-2所示。 对中缅管道安顺—贵阳段沿线进行地质调查，发现灾害点34处，主要为滑坡、崩塌、不稳定斜坡、地面沉降等（表1-3）[10]，该地区管道沿线地质灾害发育相对集中、分布密度大。 2002年7月兴建西气东输管道工程，全长4200km，沿线经过新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏、上海、浙江10个省（区、市），跨越了青藏高原、黄土高原、山西山地、皖苏丘陵平原、长江三角洲等，沿线主要地质灾害类型如表1-4 [11]所示。 地质灾害对管道工程的危害主要表现为两个方面：一是管道建设施工期间，地质灾害容易导致施工人员受伤、施工机具损坏；二是管道运营期间，地质灾害对管道本体及伴行路、阀室、站场和其他设施造成破坏[12]。地质灾害对管道的危害形式多，危害机理较为复杂，地质作用引起的地层运动和围土变形、管土相互作用及复杂力学行为使管道发生变形、断裂、弯曲、压溃、扭曲等失效形式，特别是近年来大口径管道的应用使围土作用下管道失效现象更加突出。 1. 地震 地震对埋地管道产生破坏的原因有两种：一是永久地面变形，虽然其影响范围有限，但能在较小范围内造成较大的相对位移，导致管道破裂或断裂失效，危害性极大；二是地震的波动效应，虽然其影响范围较大，但对管道造成的破坏相对较小[13]。 地壳岩层因受力达到一定强度而破裂，并在破裂面出现明显相对位移的构造现象称为断层，断层可分为正断层、逆断层和走滑断层三类。 地震作用下埋地钢管的破坏形式可分为三类：①管道破坏失效，主要有拉伸失效、局部屈曲失效和梁式弯曲失效三种失效模式[14]；②管道接口破坏失效，破坏形式与连接方式有关；③三通、弯头、闸阀和管道与其他构筑物连接处由于应变集中的运动相位不一致而造成的破坏[15]。 2. 山体滑坡 滑坡是指斜坡上的土体或岩体受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下沿着一定的软弱面或软弱带，整体或分散地顺坡向下滑动的自然现象。运动的岩（土）体称为变位体或滑移体，未移动的下伏岩（土）体称为滑床。 滑坡对管道的危害主要表现为[12]：当管道在滑坡下部通过时，滑坡体对管道进行加载；当管道在滑坡中部通过时，管道因承受滑坡体巨大的拖拽力而发生弯曲变形、拉裂甚至整体断裂等失效；当管道在滑坡上部通过时，在滑坡体作用下管道出现悬空或被拉断。 表1-6为滑坡灾害下部分地区管道破坏事故统计。滑坡灾害处理费时、整治费用高，因而在选定管道线路时，应尽量采取绕避方案。对于一般易滑坡段的治理，可采取适当措施稳定坡体，或在滑坡体后缘修筑截、排、导水系统，以防地表水汇入滑坡体；在滑坡体前缘运用浆砌片石护坡，防止水流的侧向侵蚀，造成抗滑力减小，从而使坡体稳定，保证管道安全[7]。 3. 落石 落石是我国山区常发生的一种自然灾害，特别是西部山区油气管道沿线，具有分布范围极广、发生突然、发生频率高、难以预防等特点。 落石对管道的危害主要表现为两个方面：①崩落落石对管道产生冲击载荷，特别是在高程差较大的区域，落石冲击管道上方覆土产生巨大的瞬时冲击载荷，引起管道变形失稳甚至破裂泄漏；②崩塌落石破坏伴行路，中断交通，影响管道的正常维修防护等[16]。 落石灾害已成为影响忠武输气管线安全*严重的地质灾害之一，已发生数起落石冲击管道事件，其中重庆忠县段曾发生落石冲破地表15cm厚钢筋混凝土防护板，将管道砸出直径约30cm的凹陷[17]。经调查发现，兰成渝管道阳坝段沿线的主要地质灾害类型为崩塌、滑坡、泥石流和不稳定斜坡等，其中崩塌灾害占总数的50%。受2008年汶川地震的影响，康县段阳坝发生体积近1000m3的崩塌，其中*大块石直径为4m，近50t的巨石将兰成渝管道接头处砸开，造成柴油泄漏[18]。据中缅管道云南段地灾评估资料，中缅管道沿线滑坡及不稳定斜坡有186处，崩塌15处，泥石流16处[19]，使得中缅管道成为我国乃至世界上建设难度*大管道工程之一。 4. 采空塌陷 在人为和自然地质的作用下，地表岩土向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的地质现象称为地面塌陷，其主要原因有地下水抽取致塌、渗水致塌、振动致塌、超载致塌、采空致塌等。一旦地表发生塌陷或沉降，将会造成埋地管道弯曲变形、悬空或断裂，从而带来安全隐患。 如采煤挖空导致平顶山油气管道发生扭曲变形；2005年雨水冲击造成广东佛山地面塌陷，导致煤气管道破裂而泄漏；2007年渗水致南京路面塌陷，导致天然气管道发生断裂爆炸；2007年10月美国圣迭戈出现严重塌方，地面多处下陷导致管道扭曲破裂[8]；2010年12月温州西山南路小区人行道沉降严重导致燃气管道接头焊接口出现应力集中突然发生断裂，造成大量燃气泄漏继而引发爆炸事故; 2019年6月山西煤层气（天然气）集输有限公司所属天然气管线通过某煤矿采空区段出现两处褶皱变形。
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