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《西安建筑科技大学》 2011年
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矿浆管道极限承载能力和寿命预测研究

谭俊清  
【摘要】:包钢矿浆管线工程是目前国内第三条高压矿浆管线,是内蒙古自治区重点建设项目,也是目前为止国内压力最高、管径最大、双管线输送距离最长的矿浆管线,受到了国内外广泛的关注。整个项目的建设期历时六年,建成投产后每年为包钢集团创造12亿元的经济效益,社会效益和环境效益也十分可观。其中起始端的19公里采用的无缝管,是由包钢自行冶炼、自行轧制、自行施工的,对其进行运行的安全性风险评估和服役寿命的预测具有重要意义。 本文首先系统分析了埋地管线所承受的各种荷载,分别计算了管道内压力、土压力、纵向推力、弯矩、地震荷载、水锤效应、横向推力、爆破压力等荷载,确定高压管线的各种工况条件下,管线内压力是决定性的因素,远大于其他荷载的影响。 在分析材料的力学性能、缺陷的参数、管线失效模式的基础上,研究了管线的应力状态,引进了俞茂宏统一强度理论对极限承载能力进行研究,用解析的方法确定了弹性极限解和塑性极限解,揭示出壁厚、管径、缺陷尺寸、材料屈服极限之间的关系,对于决定管线应力状态的各个变量,包括缺陷深度、缺陷宽度、缺陷长度以及壁厚误差、失圆度等,分别分析了其对管道应力的影响。 承受极高压力的矿浆管道,其破坏特征是短暂的塑性发展阶段后即迅速爆裂,失效模式应避免脆性断裂和弹塑性撕裂,为此根据失效的强度模型和寿命模型,以及许用应力准则和剩余强度系数准则,建立了管线的极限状态方程和失效准则, 但是失效模式与评定参数都是模糊随机的,本文整理了大量的相关实验数据和施工现场实测数据,对这些数据的统计分析表明,包括缺陷尺寸、发展速率、材料强度等评定参数符合不同的概率分布规律,并且具有模糊随机的特性。 试验和实测数据有一定的局限性,需要通过最小二乘法对古比尔分布、正态分布、均匀分布的参数进行估计,确定了分布的均值、期望、方差、变异系数等参数取值,之后采用蒙特卡洛方法,生成大量的随机数据,对于最关键的缺陷尺寸,按照古比尔分布的函数,将有限的数据扩展生成大样本的模拟数据,进而建立了模糊随机概率数据空间。 缺陷的发展速率是另一个关键数据,依据磨损腐蚀试验所取得的42小时实验数据,为了预测任意时间的缺陷增加值,采用了灰色系统理论,以实验数据为原数列,采用累加生成,同样采用最小二乘法求解灰度向量,确定灰度参数,建立时间响应函数,从而预测出逐年的缺陷发展速率值。与初始缺陷尺寸相加,将模糊随机概率数据空间扩展到任意时间。 根据俞茂宏统一强度理论的弹性极限和塑性极限解,校核数据空间中各数据的承载能力,判定其是否达到极限状态,以及失效模式,再计算数据的失效概率和再现时间,最终绘制出管线的寿命曲线。 通过对寿命曲线的分析,确定包钢矿浆管线的安全服役期限,将管线的安全运行划分为安全运行期、监测运行期、有限安全期、超期服役期、加速失效期、失效破坏期、报废期等跨越60年的七个阶段,给出各个时期的失效概率,在管线的缺陷不断发展过程中,回答了的关于剩余强度、剩余寿命和超期服役可能性等三个基本的问题,为包钢的生产运行提供了科学决策的依据。 本文的研究以统一强度理论为核心内容,以试验和实测数据为背景依据,以受力分析为基础,以古比尔分布和灰色系统为关键手段,解决了矿浆管道的寿命预测的问题。文章涉及到了矿业、油气储运、冶炼、化工、机械、腐蚀防护等多个行业,适用了模糊随机概率理论、可靠度理论、灰色系统理论、极值分布参数估计、化学腐蚀与机械磨损理论,引进了流体力学、土力学、结构力学、断裂力学、损伤力学、弹塑性力学、材料力学的最新研究成果,推导了统一强度理论的解析解。 本文的研究成果可以直接用于矿浆管线、油气管线、化工管线、市政管网、煤浆管线等项目,对各类介质管线的承载能力极限状态、失效概率和寿命预测具有重要指导意义和实用价值。
【学位授予单位】:西安建筑科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:U171

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