爆炸冲击下埋地油气管道的力学仿真

魏韡 王泽京

摘   要：埋地管道设计规范通常仅考虑管内介质的性质、埋设方式和深度、地质条件和环境气候条件，而未考虑爆炸载荷的影响作用。考虑到爆炸冲击载荷对埋地管道的影响，基于Ls-dyna仿真方法，建立了爆炸冲击模型，分析了不同药量时油气管道的力学特性，研究表明：管道结构影响峰值压力抵达时间及大小分布，管道迎爆面背面正对爆心单元的拉应力最大;管道的最大Von mises应力随炸药量呈二次多项式函数变化。

关键词：爆炸冲击  油气管道  仿真

埋地油气管道的抗爆炸冲击性能成為管道安全评价的主要指标之一[1]，对该力学行为进行定量分析，将抗爆能力融入管道初始设计阶段，从而提高管道运营的可靠性。

1  材料本构模型

（1）选用HIGH_EXPLOSIVE_BURN高爆模型及JWL状态方程对TNT性能进行定义[2]，见下式：

选用SOIL_AND_FOAM作为土壤材料模型[3]，选用随动硬化双线弹塑性管材。

2  爆炸的力学模型

选取管道直径为508mm，壁厚为22.2mm，通过无反射面设置以有限土壤体代替无限大地。见图1炸药、土壤采用欧拉网格;管道采用拉格朗日网格;管道与土壤进行流固耦合，忽略输送介质。

3  模型仿真计算

3.1 同一工况下管道的力学特性

炸药质量为1000g，管道距爆心距离为200cm，爆炸时长为3000μs。图2为管道迎爆面上沿轴向距爆炸中心0cm、50cm、100cm、150cm、200cm、250cm处的压力时程曲线，在500～1000μs之间，冲击波在管道内外壁前后壁之间反射叠加，超压值最大，且值随远离爆心而依次递减。

正对爆心的管道截面上的4个单元中H36480沿Z方向的应力最大，表明此单元受到的沿管道轴向的弯曲拉应力最大。

3.2 不同工况下管道的力学特性

管道距爆心距离相同，炸药质量变化，得到5种工况的最大Von mises应力、最大压力列举在表1中，图3列举了工况5下的压、应力云图。

分析表1中的数据绘制出图4，结果表明随着炸药量的增加，管道的Von mises应力与最大压力值增加，其递增规律的函数表达式见公式（2）

式中：σ为管道最大Von mises应力，MPa;P为管道受到的最大压力，MPa;m为炸药质量，g;R为爆心距，cm。

4  结语

（1）因管道结构对爆炸冲击波的干扰，管道各单元的峰值压力延后出现，大小规律基本符合远离爆心而递减;（2）迎爆面背面正应爆心的单元拉应力最大;（3）管道距爆心距离不变，管道的最大Von mises应力与最大压力随着炸药量的增加而增大，函数曲线呈二次多项式。

参考文献

[1] 干勇， 周廉， 师昌绪. 材料延寿与可持续发展战略研究[R]. 北京： 中国工程院， 2012.

[2] 周听清. 爆炸动力学及其应用[M]. 合肥： 中国科学技术大学出版社， 2001.

[3] 刘建民， 陈文涛. 爆炸载荷下埋地管道动力响应分析研究[J]. 工程爆破， 2008， 14（2）： 20-24.