高压输气管道断裂爆炸及后效破坏作用

输气管道作为我国能源的生命线，对国民经济的持续发展具有十分重要的战略意义。然而，由于受到内外腐蚀、材料缺陷、自然灾害、第三方破坏及其他未知因素的影响，导致输气管道断裂事故时有发生，给人们和社会带来巨大的灾难。随着管道强度、韧性和压力的提高，传统的管道设计方法受到挑战，且管道断后带来的灾害更严重。有鉴于此，本书以控制管道断裂和评估其断后危害效应为主线，采用理论分析、试验和数值模拟相结合的方法，对输气管线的断裂行为及后效这一问题开展了深入研究。首先针对高压输气管道断裂爆炸的现状进行分析。然后分别从含裂纹损伤管道的断裂机理、气压管道裂纹扩展的动态过程及止裂机理、气压管道爆破模型试验研究、X90全尺寸气压管道断裂爆破试验研究、气压管道爆炸的破坏后效应等5个方面进行全面论述。

目录
前言
章 绪论 1
1.1 研究背景、必要性和意义 1
1.2 国内外研究现状 4
1.2.1 输气管道风险分析 4
1.2.2 输气管道断裂研究 4
1.2.3 输气管道的爆炸破坏后效应研究 11
1.2.4 X80全尺寸管道气压爆破试验研究 14
1.2.5 X100和X120全尺寸管道气压爆破试验研究 20
1.3 主要研究内容和研究方法 25
1.3.1 问题提出 25
1.3.2 本书框架结构 26
第2章 含裂纹损伤管道的断裂机理 28
2.1 含裂纹损伤管道断裂的理论分析 28
2.2 管道断裂分析模型 30
2.2.1 管道几何构型 30
2.2.2 材料模型 31
2.2.3 管道有限元模型 32
2.3 管道裂纹的J积分计算及结果分析 33
2.3.1 裂尖附近等效应力分布 33
2.3.2 裂纹深度对J积分的影响 34
2.3.3 裂纹长度对J积分的影响 36
2.3.4 管材性能对J积分的影响 38
2.3.5 内、外轴向裂纹J积分的对比 40
2.3.6 管径对J积分的影响 42
第3章 输气管道裂纹扩展的动态过程及止裂机理 44
3.1 输气管道的裂纹起裂成因 44
3.2 输气管道的裂纹扩展过程及特征 44
3.3 管道动态裂纹的止裂机理 48
3.3.1 Battelle双曲线方法 48
3.3.2 气体减压特性及其模型发展 49
3.3.3 裂纹断裂速度预测模型 52
3.3.4 预测止裂韧性的简化公式 55
3.4 管道动态裂纹止裂的影响因素 56
3.4.1 气体组分对止裂韧性的影响 56
3.4.2 管道壁厚对止裂韧性的影响 58
3.4.3 管型对止裂韧性的影响 59
3.4.4 气体温度对止裂韧性的影响 60
3.4.5 运行压力对止裂韧性的影响 60
3.5 含裂纹管道止裂基于微观损伤模型的管道断裂分析 62
3.5.1 仪器化DWTT试验 62
3.5.2 管道韧性断裂的微观损伤模型 66
3.5.3 管道韧性断裂数值计算及结果分析 68
第4章 输气管道爆破模型试验研究 74
4.1 概述 74
4.2 管道爆破系列模型试验设计 74
4.2.1 试验目的 74
4.2.2 线型爆炸聚能切割器的设计和验证 74
4.2.3 管道断裂相关动态参量测试方法的设计 77
4.2.4 试验总体方案的设计 80
4.3 管道爆破系列模型试验结果及分析 85
4.3.1 管道总体爆裂效果 85
4.3.2 高速摄影观测结果及分析 88
4.3.3 裂纹扩展速度测试结果及分析 91
4.3.4 管内气体压力测试结果及分析 94
4.3.5 管壁动态应变测试结果及分析 97
4.3.6 管道裂纹表面形貌特征及大范围屈服断裂分析 101
4.3.7 环焊缝强度测试(T-2)结果分析 104
4.4 研究结论 107
第5章 X90全尺寸输气管道断裂爆破试验研究 109
5.1 概述 109
5.2 全尺寸管道爆破试验设计 109
5.2.1 钢管的布设 110
5.2.2 天然气引燃装置的设计 111
5.2.3 空气冲击波测试的设计 112
5.2.4 地震波测试的设计 115
5.2.5 热辐射测试的设计 117
5.2.6 活体实验设计 117
5.3 全尺寸管道爆破试验实施 118
5.3.1 管沟开挖和钢管布设 119
5.3.2 钢管焊接与检测 119
5.3.3 传感器底座的安装 120
5.3.4 堵头的加工和焊接 120
5.3.5 传感器安装 121
5.3.6 线路的连接与布设 123
5.3.7 测试系统的连接调试 123
5.3.8 线型聚能切割器的安装 124
5.3.9 天然气的填充和起爆 125
5.4 试验结果及分析 125
5.4.1 管道断裂效果分析 125
5.4.2 天然气爆燃过程分析 127
5.4.3 空气冲击波测试结果分析 128
5.4.4 地震波测试结果分析 134
5.4.5 热辐射测试结果分析 140
5.4.6 活体实验结果分析 140
第6章 输气管道爆炸的破坏后效应 142
6.1 概述 142
6.2 输气管道爆炸冲击波的形成过程及工程计算方法 142
6.2.1 爆炸波破坏效应的评价准则 143
6.2.2 管道爆裂空气冲击波参数的预测 144
6.2.3 管道爆炸波试验结果及分析 147
6.2.4 输气管道爆炸能量的计算 152
6.2.5 理论模型的验证分析 153
6.2.6 输气管道爆裂空气冲击波危害范围评估 156
6.3 输气管道爆炸地震波的形成过程及其特性分析 158
6.3.1 地震波破坏效应的评价准则 158
6.3.2 管道破裂爆炸振动信号的测试 159
6.3.3 基于希尔伯特–黄变换(HHT)的振动信号时频特性分析 163
6.3.4 输气管道破裂爆炸危害范围评估 169
6.4 输气管道爆炸后效应的数值仿真研究 170
6.4.1 概述 170
6.4.2 数值计算程序相关关键技术 170
6.4.3 数值模拟相关材料模型 177
6.4.4 高压气体管道物理爆炸流固耦合数值模拟计算模型 181
6.4.5 计算结果及分析 182
6.4.6 小结 194
参考文献 195