基于洪水作用下杭甬线输气穿越管道的应力分析与防护研究

作     者：黄开宏 

作者单位：重庆科技学院 

学位级别：硕士

导师姓名：梁平;李海山

授予年度：2022年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 082003[工学-油气储运工程] 

主      题：悬空管道 流固耦合 动态分析 共振条件 抗洪措施 

摘      要：近年来,随着我国天然气管道工程的蓬勃发展,极大地提升了我国“清洁能源的保供能力。但与此同时,我国的天然气管网运行也面临着极大挑战,如长输管道的敷设总是避免不了穿越一些江河,而某些河流穿越管道所处地理位置洪水灾害较为频繁,如遇洪灾将可能导致穿越管道裸露悬空甚至断裂。而对河流穿越管道进行洪水作用下的应力分析与防护研究可以为河流穿越管道的抢险工作以及日常防护提供重要指导。本文先对洪水作用下的河流穿越管道悬空段进行了受力分析,后基于弹性地基梁理论分别建立了河流穿越管道埋地段与悬空段的微分方程,再对A、B两悬空管道分别先后进行了解析公式推导和基于ABAQUS软件的有限元静力分析,并用解析法的计算结果验证有限元管土模型创建的准确性。为使应力分析结果更加接近实际工况,进一步用能够反映洪水与管道间相互作用的流固耦合分析方法分析A、B两管道悬空段的应力、应变、位移的集中分布规律。然后使用基于应变的失效判别法对A、B两管道进行安全判别。并分析以不同角度穿越河流会对悬空管道的应力、应变分布产生什么影响。最后计算A、B两管道在当前洪水流速下的极限悬空长度。为研究在A、B管道穿越位置发生一次真实洪水爆发过程中管道所受最大应力是发生在什么时刻,本文选取了穿越位置流域一次典型的洪水爆发与消退过程线,对A、B管道进行了动态时程分析。直观显示管道在一次洪水涨消过程中受力的动态变化。为判别A、B两穿越悬空管道是否有与洪水发生共振的可能,分别对A、B悬空管道进行了模态分析和涡流频率分析,分别得到了管道固有频率和涡流频率。且研究了管道悬空长度以及土层性质的变化对管道的共振现象分别产生什么影响。根据第三章的应力分析结果,采用控制变量法进一步研究了管道参数、洪水参数、土体参数等主要影响因素变化对河流穿越悬空管段应力变化的影响规律,并找到最关键影响因素,为需兼顾安全性与经济性的管道敷设与运行提供参考依据。再从悬空管道的应急治理和管道日常防护两个角度出发,对杭甬线A、B两条穿越管道以及杭甬线其他河流穿越管道,分别提出了具体抗洪应急治理措施和日常防护措施建议。最后基于以上研究,开发一套洪水作用下输气穿越管道的失效判定及防护建议软件,可以实现洪水作用下管道受力情况的快速计算及管道极限悬空长度的快速计算,并能够对悬空管道进行运行状态初步判定和提出具体应急治理措施建议等功能。