Análisis teórico de la deformación de tuberías de gas de acero teniendo en cuenta los efectos cortantes bajo cargas de explosión superficial

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 8658 (2022) Citar este artículo

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Las cargas explosivas en tierra son de gran importancia para la operación segura de las tuberías de acero y gas, y los resultados obtenidos de las fórmulas teóricas tradicionales para la predicción de la seguridad de las tuberías son erróneos con los datos reales medidos. En este documento, las pruebas de campo de tamaño real y las simulaciones numéricas correspondientes se llevan a cabo utilizando la teoría de vigas de Timoshenko y la teoría de ondas de tensión de explosión, que consideran los efectos de corte. Al mismo tiempo, combinado con la teoría de la rigidez de la base y la relación de flexibilidad de la rigidez de la tubería, se obtiene un modelo teórico modificado de acuerdo con las condiciones reales del sitio, que puede calcular con precisión la deformación y el desplazamiento de la carga de explosión subterránea de la tubería, y en gran medida reducir el error de los resultados de la predicción teórica. La innovación de los resultados de la investigación en este artículo es que la tensión teórica en la viga de Timoshenko se puede reemplazar por la deformación circunferencial. Por otro lado, la solución teórica modificada puede obtener el peso crítico de los explosivos para evitar daños en la tubería a diferentes profundidades enterradas. Proporciona una base teórica para la protección de las cargas explosivas subterráneas de las tuberías y proporciona ideas de investigación para la protección y el diseño seguros de las tuberías.

Como la principal forma de transporte de petróleo y gas, las tuberías enterradas con diferentes diámetros juegan un papel muy importante en el campo del transporte de energía, y su seguridad estructural es de gran preocupación1,2,3. Sin embargo, con el mayor aumento de la urbanización, que conduce a una red más densa de tuberías enterradas, la seguridad y protección de las tuberías se considera un tema cada vez más importante4,5,6. Además, algunas operaciones militares y la producción civil tienden a aumentar el potencial de daño por explosión en las tuberías en servicio7,8. Al mismo tiempo, el potencial de ataques terroristas ha aumentado en algunas áreas, incluso con varias explosiones a lo largo de oleoductos y gasoductos9. Mientras tanto, luego de una investigación detallada, se encontró que en los últimos años, el daño de terceros es la principal causa de fallas en tuberías enterradas y ha causado accidentes graves10. Por lo tanto, es importante estudiar las características de daño de las tuberías bajo carga explosiva.

Para el estudio de tuberías bajo cargas explosivas en las últimas décadas, ha habido muchos estudios experimentales y teóricos sobre tuberías enterradas sujetas a cargas explosivas terrestres11,12,13. Como ejemplo, Zhang et al.14 utilizaron simulación numérica para estudiar los efectos de diferentes factores en la seguridad de la tubería, como el peso de los explosivos, la distancia horizontal de los explosivos desde la tubería y la profundidad de enterramiento de la tubería. Song et al.15 seleccionaron la tubería X70 para pruebas de voladura en campo y obtuvieron cuatro modos de falla diferentes basados ​​en la deflexión y el nivel de daño de la tubería, incluyendo (a) el modo 1 es una gran deformación elástico-plástica en la región central; (b) el modo 2 es la superficie exterior de la tubería que sufre una gran deformación plástica y se vuelve más delgada en la región central; (c) el modo 3 es donde las superficies exterior e interior de la tubería están ligeramente rotas en la región central; (d) el modo 4 es donde tanto la parte delantera como la trasera de la tubería están completamente rotas. Con base en el trabajo de Mishra et al.16 y Zhang et al.17, el daño se normalizó en criterios de daño local y criterios de falla general de acuerdo con el modelo de daño. Por otro lado, se utilizó el criterio de daño de la relación de deflexión a luz para evaluar el grado de daño a las tuberías subterráneas, y el daño a las tuberías se puede clasificar en las siguientes cuatro categorías, que incluyen (a) daños menores; (b) daño moderado; (c) daño severo y (d) colapso. Por el ejemplo del trabajo de Bambach et al.18, quienes utilizaron estudios de laboratorio para analizar vigas metálicas bajo carga de explosión transversal, enfocándose principalmente en la parte de deformación metálica sólida. Además de los estudios de laboratorio, los estudios teóricos también son muy preferidos por los investigadores, algunos autores como Abedi et al.19 han utilizado un método analítico teórico para encontrar la desviación del haz bajo el efecto de la onda expansiva. Además, Olarewaju et al.20 realizaron un estudio analítico y numérico de la respuesta estática y dinámica de tuberías enterradas bajo carga explosiva. Mientras tanto, algunos estudios han investigado las características de fractura de tuberías además de estudios de deformación simples, como Mirzaei et al.21, quienes analizaron la fractura dinámica de tuberías bajo cargas explosivas internas mediante simulaciones numéricas y experimentos.

Queda claro del análisis anterior que, a pesar del uso extensivo de métodos experimentales y analíticos en la literatura, los análisis de simulación numérica no se pueden descuidar porque pueden proporcionar información valiosa sobre los detalles de respuesta de miembros estructurales con propiedades materiales más complejas22,23,24. Recientemente, muchos académicos han utilizado software de simulación numérica como ABAQUS, LS-DYNA y AUTODYN para estudiar el efecto de la carga explosiva en las tuberías y se obtuvieron parámetros de respuesta dinámica más detallados, que no se pudieron obtener experimentalmente25,26,27. Sin embargo, estas piezas de literatura no son lo suficientemente sistemáticas para el estudio de los parámetros de respuesta dinámica, y el software de simulación numérica tiene más parámetros, en los que es difícil encontrar muchos estudios que contengan la correspondencia entre pruebas de campo y simulaciones numéricas. Sin embargo, vale la pena mencionar que el movimiento posterior al daño de los fragmentos explosivos es muy importante en el análisis dinámico de las estructuras, mientras que es difícil cuantificar las propiedades del material al momento de la deformación y el daño, la deformación de las tuberías ha sido difícil de cuantificar. predecir hasta ahora.

Además, la investigación sobre parámetros de voladuras y parámetros de tuberías no es lo suficientemente completa y no hay suficiente explicación teórica sobre cómo aplicar las características de respuesta dinámica a la protección de seguridad de tuberías. Más importante aún, muchos de los métodos utilizados para analizar los datos de respuesta de la simulación numérica no son lo suficientemente completos y precisos, y los modos de falla de las tuberías enterradas de diferentes diámetros y profundidades de enterramiento bajo cargas explosivas superficiales no se han investigado adecuadamente. Además, la mayoría de las simulaciones numéricas son software comercial y los resultados de la investigación son similares. Por lo tanto, este documento presenta un enfoque de análisis teórico, que tiene la ventaja de que el modelo de criterio de seguridad para tuberías bajo diferentes cargas explosivas superficiales se puede estudiar combinando el enfoque de análisis teórico con criterios de discriminación de daños.

Sobre la base del análisis anterior, este documento considera el impacto de la carga de explosión superficial en la tubería, al mismo tiempo, se analizan múltiples parámetros de respuesta dinámica y se evalúa el daño por pandeo de la tubería enterrada con base en el método de análisis teórico. Las pruebas de campo y el modelo de cálculo numérico en tuberías de acero de tamaño completo X42 (L290) se diseñaron y ejecutaron bajo cargas explosivas superficiales. Mientras tanto, los parámetros relevantes del modelo numérico fueron bien verificados comparando los datos de campo con los datos de simulación numérica. Al mismo tiempo, combinado con la teoría de vigas de Timoshenko que considera el efecto de corte y la teoría de la relación flexible de la rigidez de la base a la rigidez de la tubería, se modifica la ecuación de predicción del desplazamiento vertical de la tubería. Más importante aún, las pruebas de campo en general se reprodujeron bien, lo que también investigó más a fondo el daño por flexión de las tuberías enterradas bajo la acción de la explosión del suelo. Finalmente, los efectos de la profundidad del entierro y el nivel explosivo en diferentes características dinámicas de la tubería se discuten junto con el enfoque de mínimos cuadrados, y el desplazamiento vertical máximo de la tubería está bien predicho, y los resultados del análisis teórico reflejan bien los fenómenos clave. .

Cuando se detona el explosivo, la onda de tensión explosiva estará a lo largo de la superficie libre de la dirección del impacto de propagación rápida alrededor del cuerpo rocoso. Cuando la onda de tensión explosiva alcanza la interfaz entre el aire y la roca, la fuerza externa que actúa sobre la interfaz de la roca es la presión de impacto inicial. Se han introducido muchas ecuaciones de presión de impacto28,29,30 para explosivos y la presión de impacto inicial se puede utilizar para expresar la presión de la onda de tensión explosiva, como se muestra en la ecuación. (1):

donde P0 es el papel de la presión de explosión, ρ0 es la densidad de la explosión, D es la velocidad de la explosión, β es el índice de expansión adiabático de los productos de la explosión, se toma como 3.0. Cuando se detona el explosivo de superficie, la onda expansiva y la onda de tensión producirán una zona de fragmentación, una zona de fractura y una zona elástica alrededor del centro del explosivo. Los valores de las ondas de choque y estrés disminuyen a medida que aumenta el tiempo de explosión. Las curvas de las ondas de choque y estrés con el tiempo de explosión tienen la forma de una función exponencial. El coeficiente de atenuación es como se muestra en las ecuaciones. (2)–(3).

donde μs es la relación de Poisson del suelo. La onda de tensión alcanza el borde exterior de la zona de fractura y luego ingresa a la zona elástica. En la zona elástica, la acción de la onda de tensión solo produce vibración elástica, la presión de explosión como se muestra en la Ec. (4):

donde Pe es la presión de explosión en el límite de la zona elástica, rb es el radio del paquete; rc y rf son el radio de la zona de fractura y el radio de la zona elástica, respectivamente, el radio de la zona de fractura causada por explosivos convencionales rc es 3–5 veces el radio del paquete, el radio de la zona elástica rf es 10–15 veces el radio del paquete31, en este documento, rc = 3rb, rf = 11rb.

Suponiendo que la onda de tensión se propaga a la presión máxima de explosión en el punto G de la tubería es PG:

Debido a la simetría de la tubería con la carga explosiva, solo se considera la mitad de la carga que actúa sobre la tubería. También ignorando el componente de carga axial de la tubería (dirección Z en la Fig. 1), la carga explosiva q(x) que actúa sobre la tubería se puede expresar como Eq. (7):

Diagrama esquemático de las fuerzas sobre la tubería.

Como se mencionó anteriormente, hemos discutido principalmente las características de propagación de las ondas de tensión explosiva en el suelo. Cuando la superficie de una tubería se somete a una onda de choque transversal, la deformación de la tubería pertenece al problema de flexión dinámica de la tubería, que puede describirse mediante el tratamiento de la vibración o mediante el tratamiento de las fluctuaciones, donde las fluctuaciones se denominan ondas de flexión. Mientras tanto, las ondas de flexión son la consecuencia del acoplamiento conjunto de perturbaciones de momento de flexión interdependientes y perturbaciones de cortante, en las que el efecto de cortante ya está incluido. En contraste con el papel del cortante en la respuesta cuasiestática de una tubería, el estudio de la respuesta dinámica de una tubería sometida a cargas de impacto transversal juega un papel más importante debido a la inclusión del cortante de inercia transversal en el conjunto de ecuaciones de control. . La explosión de la superficie superior del suelo provoca una concentración de tensión, que a su vez provoca la flexión y deformación de la tubería de abajo. Para simplificar los cálculos, se hacen las siguientes suposiciones en el modelo de cálculo de este documento: (1) se supone que la tubería es una viga Timoshenko con efectos de corte; (2) la interacción tubería-suelo se considera a través del modelo de cimentación de Winkler; (3) no se consideran la fluencia del terreno blando ni la consolidación del drenaje. El modelo de cálculo se resolvió mediante el método de análisis en dos etapas comúnmente utilizado32,33,34. En primer lugar, la carga adicional distribuida en la tubería provocada por la voladura explosiva de superficie se calcula mediante la ecuación mecánica de ondas de tensión de explosión; en segundo lugar, se utiliza el método de diferencias finitas para establecer la solución analítica para la deformación longitudinal de la tubería bajo la carga distribuida adicional. La figura 3 muestra el modelo para calcular el efecto de la explosión superficial en una tubería subyacente. La explosión explosiva en la superficie da como resultado una concentración de tensión en el suelo existente, lo que hace que se aplique una carga vertical adicional q(x) distribuida a la tubería, como se muestra en la Fig. 2. Se obtiene la carga adicionalmente distribuida q(x) resolviendo la sección "Método de cálculo del modelo teórico para la presión de impacto inicial".

Modelo de cálculo del impacto en el gasoducto.

Bajo la carga adicional q(x), la ecuación diferencial de equilibrio para la viga de Timoshenko sobre cimientos Winkler en relación con el desplazamiento vertical w(x) y el ángulo de rotación θ se puede obtener como se muestra en la ecuación. (8).

donde: EIeq es la rigidez longitudinal equivalente a la flexión de la tubería, (κ′GA)eq es la rigidez equivalente a cortante de la tubería, Dt es el diámetro de la tubería, k es el coeficiente de reacción de la cimentación y q(x) es la carga adicional causada por la explosión superficial.

Donde t es el espesor de pared de la tubería:

Para los manantiales de suelo portante vertical, según el trabajo de la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA) y la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (ASCE)35, se puede obtener la máxima capacidad portante vertical hacia arriba del suelo Qd.

donde: Nc, Nq, Nγ son factores de capacidad portante, γ es el peso unitario total del suelo, γ′ es el peso unitario efectivo del suelo, ∆qd es el desplazamiento vertical para desarrollar Qd, c es la cohesión del suelo, Dt es el diámetro de la tubería, H es la profundidad de cobertura hasta la línea central de la tubería.

donde ∆qd es el desplazamiento en Qd, ∆qd = 0,2D.

Ecuación de desacoplamiento (8), podemos obtener las ecuaciones diferenciales para el desplazamiento vertical w(x) y el ángulo de rotación θ, respectivamente.

La deformación longitudinal de la tubería existente bajo la carga adicional q(x) causada por la voladura del explosivo en la superficie se puede obtener resolviendo la ecuación. (11a). Como Ec. (11a) es una ecuación diferencial ordinaria de cuarto orden, existe cierta dificultad para resolverla matemáticamente. Para simplificar el cálculo, se utiliza el método de diferencias finitas para resolver la ecuación. La figura 3 muestra el diagrama discreto de la tubería. La tubería se discretiza en n + 5 unidades nodales (incluidas 2 unidades nodales ficticias en los extremos de la tubería), cada una con una longitud de l (0,2 m). De acuerdo con el principio de diferencia finita estándar, la forma de diferencia finita de los términos diferenciales de la ecuación. (11a) es como sigue.

donde: wi es el desplazamiento vertical de la unidad nodal i, y qi es la carga adicional en la unidad nodal i. Sustituyendo las ecuaciones. (12a)–(12c) en la ecuación. (11a), la expresión en diferencias finitas para la viga de Timoshenko sobre cimentaciones Winkler se obtiene de la siguiente manera en la ecuación. (13).

Diagrama discreto de la tubería.

Suponiendo que el tubo está libre en ambos extremos, el momento flector M y la fuerza cortante Q en ambos extremos del tubo son 0.

La ecuación (15) se puede obtener de la ecuación. (8b).

Tomando una derivada de las Ecs. (8a), (16) y (17) se pueden obtener.

Combinando Ecs. (15)–(17), (14b) se puede escribir como Eq. (18).

Tomando la forma diferencial de la Ec. (18), la expresión diferencial para la fuerza cortante Q en cada extremo de la tubería se puede obtener como se muestra en la ecuación. (19).

La ecuación (20) se puede obtener de la ecuación. (8a).

Después de sustituir la Ec. (20) en la ecuación. (17), podemos obtener la Ec. (21).

La ecuación (22) se obtiene a partir de las Ecs. (21a)–(21b).

Sustituyendo las ecuaciones. (22a)–(22b) en las ecuaciones. (19a)–(19b), podemos obtener la ecuación. (23).

La ecuación (13) se puede escribir en forma de matriz como se muestra en la ecuación. (24).

donde: [K1] es la matriz de rigidez de desplazamiento de la tubería, [K2] es la matriz de rigidez de corte de la tubería, [K3] es la matriz de rigidez de flexión de la tubería, {w} es el vector columna de desplazamiento vertical de la tubería , Q1 es el vector de columna de carga adicional de la tubería, Q2 es el vector de columna de corrección de carga de la tubería y Q3 es el vector suplementario de la tubería para la solución.

Las pruebas de campo a gran escala se realizaron en el sitio de prueba de campo donde los explosivos se colocaron en la superficie del suelo directamente sobre el centro de la tubería, y el esquema de la configuración experimental se muestra en la Fig. 4. La carga de explosión fue causada por la explosión del explosivo de emulsión de roca No.2, en el estudio de los testículos de campo, se varió el peso del explosivo de 0.1 a 0.3 kg para lograr diferentes cargas de explosión, en las que la velocidad máxima de partículas (PPV) y el desplazamiento tanto de la tubería y la superficie fueron registrados. El esquema de pruebas de campo a gran escala se muestra en la Tabla 1. El procedimiento de prueba de campo se muestra en la Fig. 5.

Diagrama esquemático de las pruebas de campo a gran escala.

Procedimiento de las pruebas de campo.

La mecánica de explosión es un problema no lineal, en el que es muy difícil estudiar el daño por pandeo de tuberías enterradas sujetas a cargas explosivas superficiales mediante cálculos analíticos. Por lo tanto, la simulación numérica es más adecuada para resolver este problema36. El diagrama esquemático del modelo computacional se muestra en la Fig. 6. En este documento, el diámetro interior de la tubería de acero es de 1000 mm con un espesor de pared de 10 mm, que es un tamaño típico de una tubería de transmisión de petróleo y gas. El tipo de tubería de acero es X42(L290), lo que significa que su límite elástico es de 290 MPa37. Mientras tanto, la profundidad de enterramiento de la tubería es la misma que la de la prueba de campo, y la carga explosiva de emulsión de roca n.° 2 se usa para simular la explosión en el suelo. Las dimensiones de todo el modelo computacional son 10 m × 4,8 m × 6,0 m en las direcciones X, Y y Z, respectivamente.

Diagrama esquemático del modelo computacional.

En este documento, el comportamiento de los materiales se modela utilizando varios modelos de materiales no lineales y ecuaciones de estado. Estos modelos materiales y ecuaciones de estado se describen brevemente a continuación. Antes de que se detone la explosión, el modelo de material para el explosivo de emulsión de roca No. 2 se puede describir como HIGH_EXPLOSIVE_BURN. Después de la explosión, la emulsión de roca explosiva No. 2 exhibe propiedades gaseosas y se modela utilizando la ecuación de estado JWL, que describe la presión resultante de la expansión de los productos de la explosión del explosivo químico. Se puede escribir como se muestra en la Ec. (25) a continuación38.

donde p es la presión del explosivo, E1 es la energía interna por unidad de volumen de explosivo y V1 es el volumen relativo del explosivo. Los valores de las constantes para muchos explosivos comunes, como A, B, R1, R2 y ω, se determinan mediante experimentos dinámicos. Los valores utilizados para los parámetros del estado explosivo y la ecuación JWL se enumeran en la Tabla 2.

El comportamiento mecánico de suelos y rocas se describe mediante el modelo de material *MAT_PLASTICITY_POLYMER, los parámetros físicos del suelo y roca se muestran en la Tabla 3.

Los elementos sólidos se aplican a las áreas de explosivos, suelos, rocas y tuberías. La interfaz entre la tubería y otros materiales se simula utilizando un algoritmo de acoplamiento fluido-sólido. Excepto por la superficie libre en la parte superior de la zona de aire, la capa infinita se simula utilizando condiciones de contorno no reflectantes para evitar resultados de perturbación de ondas reflectantes.

Como se muestra en la Tabla 1, los diferentes pesos de los explosivos de emulsión de roca No. 2 se colocaron en la superficie del suelo directamente sobre la tubería, y se contaron los VPP de la tubería y la superficie del suelo y se compararon con los resultados de la simulación numérica anterior, como se muestra en Fig. 7. La velocidad de la tubería aumentó a medida que aumentaba el peso del explosivo, y la mayoría de los resultados de la simulación numérica fueron más pequeños que los resultados de las pruebas de campo, mientras tanto, la variación de la forma de onda de la velocidad de vibración al mismo tiempo es consistente. Esto se debe a que la influencia de las juntas del suelo en la propagación de las olas no se considera en la simulación numérica, y la refracción y reflexión de las juntas de las olas en el suelo aumenta la amplitud de las ondas en la superficie de la tubería. Al mismo tiempo, es fácil ver en la forma de onda del modelo que la tendencia de variación entre las dos curvas es consistente, lo que indica que los parámetros del modelo numérico están en línea con la práctica de ingeniería real. Además, en una inspección más cercana de la Fig. 7c, no es difícil encontrar que el error entre los resultados de la simulación numérica y los resultados de la prueba de campo disminuye a medida que aumenta el peso del explosivo. Esto se debe a que con el aumento del peso de los explosivos, la amplitud de la velocidad de la onda de vibración de voladura se vuelve cada vez más grande, y el error de velocidad en la tubería causado por el reflejo de la onda se vuelve cada vez más pequeño gradualmente. Por lo tanto, los parámetros del modelo numérico están disponibles para estudiar el efecto de pandeo de la tubería bajo la carga de explosión superficial, mientras que los resultados de la simulación numérica son más precisos y confiables cuando el peso del explosivo es mayor.

Comparación de datos medidos en campo y simulación numérica: (a) resultados de prueba de campo de D1, (b) resultados de simulación numérica de D1, (c) PPV de suelo y tubería, (d) comparación de resultados de prueba de campo y simulación numérica con una solución teórica.

Sin embargo, con base en el desplazamiento vertical máximo de la tubería en la Fig. 7d, se puede ver que los resultados de la simulación numérica están muy cerca de los resultados de la prueba de campo, mientras que por el contrario, la diferencia entre los resultados teóricos y las otras dos curvas es sorprendentemente grande. Esto se debe a que cierto parámetro en el modelo teórico conduce a una gran tensión en la tubería, lo que resulta en un gran desplazamiento de la tubería. Después de comparar con los datos de campo, no es difícil encontrar que dicho resultado no es exacto, por lo que la fuerza que actúa sobre la tubería debe analizarse y resolverse más a fondo. Por lo tanto, el proceso de solución teórica debe modificarse aún más antes de que pueda satisfacer la necesidad de ajustar la ecuación de predicción de seguridad de la tubería con respecto al peso de los explosivos en el proyecto real.

La rigidez relativa de la tubería a su medio incrustado afecta la concentración de esfuerzos en la estructura restringida. Para todos los propósitos prácticos, una estructura restringida debe considerarse completamente flexible cuando la relación entre la flexibilidad de la tubería y la flexibilidad del suelo es mayor que 1039, lo que se denomina teoría de la relación flexible entre la rigidez de la cimentación y la rigidez de la tubería. Para tuberías, la relación de flexibilidad J de la rigidez de la cimentación a la rigidez de la tubería se define mediante la ecuación. (26):

donde Es y E son el módulo de Young del suelo y la tubería, μs y μL son la relación de Poisson del suelo y la tubería respectivamente, r es el radio de la tubería e I es la inercia rotacional de la tubería.

Combinando la ecuación. (26) podemos obtener la Ec. (27):

Rigas y Sebos40 muestran que la tubería de acero debe considerarse completamente flexible en comparación con el suelo, ya que la relación de flexibilidad entre el suelo y la rigidez de la tubería es más de 100 veces. Las deformaciones y tensiones en el peor de los casos debido a explosiones de tuberías ocurren en deformaciones por flexión y tensión paralelas al eje de la tubería y perpendiculares a las tensiones circunferenciales. Estos se pueden calcular mediante la siguiente Ec. (28)39:

donde V0 es la velocidad máxima de la partícula, ε es la deformación, b es la dirección de flexión, S es la dirección de estiramiento, C es la dirección circunferencial, Cs y Cl son las velocidades de propagación de las ondas de corte y de compresión, y Fv es la frecuencia de la onda .

Mediante el uso de la ecuación biaxial41, las tensiones circunferenciales y axiales (longitudinales) se pueden calcular a partir de las deformaciones de la siguiente manera.

Usando la Ec. (29b), podemos obtener las tensiones en la tubería a partir de la carga explosiva superficial, que consiste principalmente en tensiones axiales y circunferenciales. De estos, son los esfuerzos circunferenciales los que deberían aplicarse a la teoría de Timoshenko, por lo que la Sc calculada en la Ec. (29b) se sustituye por q(x) y su valor se lleva a las Ecs. (21)–(24), lo que permite resolver de esta manera el valor de la deformación longitudinal de la tubería existente bajo carga explosiva superficial, como se muestra en la Fig. 8. Como se puede ver en la Fig. 8, la teoría modificada La solución está cerca de los resultados de la prueba de campo y los resultados de la simulación numérica, y la tendencia de las tres curvas es la misma. Al mismo tiempo, se puede ver en la Fig. 8 que el desplazamiento máximo de la tubería en el resultado de la simulación numérica es similar al resultado de la prueba de campo, y con el aumento del peso del explosivo, el desplazamiento del la tubería tiene poca diferencia y fluctúa en un rango pequeño, mientras que la solución teórica es más baja que los resultados de la prueba de campo, principalmente porque el cálculo de la ecuación teórica ignora los problemas que pueden ocurrir durante la propagación de la onda. Además, este problema está relacionado principalmente con la disipación secundaria de la energía de las olas causada por la reflexión y la refracción. Pero en cualquier caso, el error global entre los tres es bajo y el error máximo no supera el 12,9%. Sin embargo, al comparar la Fig. 7d, se puede ver que ha mejorado significativamente y su error máximo es inferior al 15%, por lo que la solución teórica modificada se puede utilizar para la solución del modelo de criterio de seguridad de la tubería bajo cargas explosivas superficiales.

Comparación de resultados de la solución teórica modificada y pruebas de campo y simulación numérica.

La seguridad de las tuberías subterráneas está influenciada por muchos parámetros, y los criterios de daño con respecto a las tuberías se pueden dividir en daños por fluencia de fuerza y ​​daños por deformación40,42,43,44,45. En este documento, el criterio de daño de la relación de deflexión a luz se utiliza para evaluar la extensión del daño a la tubería en carga explosiva superficial, como se muestra en la Tabla 4.

A través del modelo de cálculo teórico validado, se derivó el modelo de criterio de seguridad de la tubería bajo diferentes cargas explosivas superficiales, mientras que se estudió el cambio de desplazamiento vertical máximo de la tubería bajo cargas explosivas superficiales bajo diferentes condiciones de trabajo, como se muestra en la Fig. 9. Mientras tanto, se Es fácil notar que los principales cambios en la Fig. 9 son el peso del explosivo sobre la tubería y la profundidad de enterramiento de la tubería. Además, después de ajustar la curva donde se encuentra la Fig. 9b, se obtiene la fórmula de predicción del valor crítico del peso del explosivo para evitar daños en la tubería a diferentes profundidades de enterramiento, como se muestra en la Ec. (30). Además, no es difícil encontrar a través de la Fig. 9a que cuando la profundidad de enterramiento de la tubería es mayor o igual a 3 m, el desplazamiento vertical máximo de la tubería varía ligeramente y el desplazamiento de la tubería disminuye linealmente con una pequeña pendiente a medida que aumenta el peso del explosivo. Sin embargo, a medida que disminuye la profundidad de enterramiento de la tubería, el desplazamiento vertical máximo de la tubería aumenta gradualmente. Además, cuando la profundidad de enterramiento de la tubería es menor o igual a 2 m, el desplazamiento vertical máximo de la tubería aumenta con el aumento del peso máximo del explosivo, y la forma de función de la curva de ajuste es la función exponencial . Esto se debe al efecto amortiguador del suelo sobre las ondas sísmicas de voladura generadas por los explosivos de superficie, y al hecho de que los suelos más gruesos contienen más juntas y fisuras, que tienen un efecto absorbente sobre las ondas sísmicas de voladura. Además, a medida que aumenta la profundidad del suelo, la onda sísmica de voladura se refracta y refleja constantemente y disminuye gradualmente, lo que resulta en un mayor desplazamiento vertical máximo de la tubería cuando la profundidad de enterramiento es mayor. Además, el peso crítico de los explosivos para evitar daños en la tubería aumenta exponencialmente con el aumento de la profundidad de enterramiento de la tubería. Mientras tanto, también es interesante notar que cuando la profundidad de entierro es menor o igual a 2 m, el peso crítico del explosivo no cambia mucho, pero a medida que aumenta la profundidad de entierro, el peso crítico del explosivo aumenta exponencialmente. .

Cambio del desplazamiento vertical máximo de la tubería bajo cargas explosivas superficiales bajo diferentes condiciones de trabajo.

El estudio teórico de la deformación de tuberías por cargas explosivas superficiales ha sido un tema candente de investigación en el país y en el extranjero. En este artículo, combinando la teoría de vigas de Timoshenko y la teoría de la relación elástica entre la rigidez de la base y la rigidez de la tubería, se obtiene el modelo teórico modificado de acuerdo con la situación real en el campo, y las leyes de deformación y las pautas de seguridad de diferentes tipos de tuberías bajo el La acción de las cargas explosivas superficiales se estudia de acuerdo con este modelo teórico.

El modelo para calcular el desplazamiento de la tubería sin considerar la teoría de la relación flexible entre la rigidez de la base y la rigidez de la tubería está lejos de los resultados de la simulación numérica y los resultados de las pruebas de campo, mientras que al aplicar las tensiones teóricas en la viga de Timoshenko, la tensión original se reemplazó con la tensión circunferencial. , la solución teórica modificada está cerca de los resultados de las pruebas de campo y los resultados de la simulación numérica. Mientras tanto, el modelo de cálculo teórico validado resultó en un modelo de los criterios de seguridad de la tubería para diferentes cargas explosivas superficiales, mientras que el desplazamiento vertical máximo de la tubería aumentó exponencialmente con el peso del explosivo a diferentes profundidades de enterramiento. Más importante aún, cuando la profundidad de enterramiento es mayor a 2 m, el cambio en el peso crítico del explosivo varía dramáticamente con el aumento de la profundidad de entierro, por lo que se recomienda que para una mejor protección contra daños por cargas explosivas en la superficie, la profundidad de entierro recomendada de la tubería es de al menos 2 m.

El modelo propuesto en este documento solo considera el impacto de la carga de explosión sobre la superficie vertical de la tubería en el desplazamiento de la tubería, pero no considera el impacto de los explosivos enterrados en el suelo o diferentes distancias horizontales en la fórmula de predicción del desplazamiento de la tubería. Además, proporciona una base teórica para la protección de las cargas explosivas subterráneas de las tuberías y proporciona ideas de investigación para la protección y el diseño seguros de las tuberías.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Grant Nos. 41807265, 41972286 y 42072309), y la Fundación de Ingeniería de Voladuras del Laboratorio Clave de Hubei (Grant Nos. HKLBEF202001, HKLBEF202002).

Facultad de Ingeniería, Universidad China de Geociencias (Wuhan), Wuhan, 430074, Hubei, China

Tingyao Wu, Nan Jiang, Chuanbo Zhou y Xuedong Luo

CCCC Second Highway Consultants Co., Ltd., Wuhan, 430056, Hubei, China

hongan yu

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Los objetivos generales de la investigación fueron desarrollados por TW y NJ, HY, CZ y XL analizaron los resultados calculados de la prueba fied. CZ y TW analizaron los resultados calculados de los resultados teóricos. El borrador inicial del manuscrito fue escrito por TW y NJ

Correspondencia a Nan Jiang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Wu, T., Yu, H., Jiang, N. et al. Análisis teórico de la deformación de tuberías de gas de acero teniendo en cuenta los efectos cortantes bajo cargas de explosión superficial. Informe científico 12, 8658 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12698-0

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Recibido: 05 febrero 2022

Aceptado: 06 mayo 2022

Publicado: 23 mayo 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12698-0

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