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《西南石油大学》 2018年
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隧道内输气管道泄漏爆炸数值模拟及对邻管的损伤研究

文霞  
【摘要】:由于我国地形复杂,油气管道并行敷设于隧道内的情况日益增多。而输气管道具有发生泄漏从而导致爆炸的可能性,给与其并行的邻管造成威胁。因此,有必要研究隧道内输气管道的泄漏扩散规律、泄漏后爆炸对邻管的冲击效应以及邻管的损伤情况。本文以隧道内的并行管道为研究对象,通过对天然气泄漏扩散机理的研究,选取临界流的小孔泄漏模型作为输气管道泄漏率的计算模型。此外,通过分析爆炸冲击波的形成和特性,重点研究冲击波遇隧道内壁和管壁等障碍物的现象。针对隧道输气管道泄漏后导致爆炸的实际情况,主要研究化学反应所引起的爆炸,并选取TNT当量法用于输气管道泄漏致爆的后果估算。利用FLUENT软件对隧道内输气管道的泄漏扩散进行模拟,在泄漏模型得到网格无关性验证和经验公式验证后,分析输气管道泄漏后隧道内的甲烷浓度分布情况,侧重对泄漏孔径、泄漏口朝向和输气压力等影响因素进行泄漏扩散规律研究。在FLUENT软件中加载爆炸气体体积的UDF程序,计算出在不同泄漏时刻各因素影响的爆炸气体量和爆炸气量增速。研究结果表明,相比于泄漏口朝向和输气压力,泄漏孔径是影响爆炸气体量的主要因素。采用ANSYS/LS-DYNA软件建立隧道围岩、衬砌、管道、空气和炸药的多物质耦合模型,所建模型的合理性得到经验公式的验证。爆炸冲击波在隧道内会出现入射、反射和绕流现象,且冲击波在一定程度上得到补充并被空气耗散;距离爆源越近,邻管的动力参数值越大,迎爆点处动力响应最明显。在邻管受爆炸荷载的影响因素分析中,邻管的等效应力与泄漏孔径和邻管内压正相关,与爆心距和邻管壁厚负相关;邻管的峰值振速与泄漏孔径正相关,与爆心距和邻管壁厚负相关,与邻管内压几乎无关。当管墩与迎爆点的间距为3m~7m时,邻管的动力响应保持不变。在邻管的应力敏感性分析中,影响因素的重要度排序为:爆心距、邻管壁厚、泄漏孔径、邻管内压;在邻管的变形量敏感性分析中,影响因素的重要度排序为:爆心距、泄漏孔径、邻管内压、邻管壁厚。结合基于应力的失效准则和基于应变的失效准则,分析邻管在不同情况下的损伤情况。最后,选取岩鹰山隧道内并行敷设的油气管道实例,以30mm的泄漏孔径为基准,研究邻管损伤的极限参数值。结果表明:邻管在设计壁厚和运行压力范围内均处于安全状态;当管墩-迎爆点间距为2.76m~7.24m,爆心距减至1.91m时,邻管处于开始损伤的极限状态。本文所取得的研究成果将隧道内输气管道的泄漏和由此引发的爆炸紧密联系起来,不仅分析了输气管道在隧道这一受限空间内泄漏和爆炸的规律,还完善了穿隧道油气管道损伤的判定方法,为隧道内油气管道的安全运维和稳步发展提供了理论支撑。
【学位授予单位】:西南石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TE88

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【参考文献】
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