CN112561147A - 一种薄壁钢管爆破压力预测方法 - Google Patents

一种薄壁钢管爆破压力预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种爆破点靠近接头的情形下薄壁钢管爆破压力预测方法，包括如下步骤：S1）根据薄壁壳理论，确定管壁在内压载荷下的径向变形方程；S2）确定径向形变量最大点的位置；S3）确定内压载荷下管壁径向变形量；S4）获取管壁最大径向变形量；S5）获取内压载荷下管壁最大环向应变；S6）获取内压载荷下管壁内最大环向应力；S7）以管壁中环向应力是否达到抗拉强度作为管道破坏的判据，判断
Figure 55567DEST_PATH_IMAGE002
是否大于管材的抗拉强度。本发明的优点为：适用于薄壁钢管内压爆破试验中爆破点靠近接头的情形，得到的爆破压力值更接近试验结果，对评估钢管抗内压性能具有重要的参考价值。

Description

一种薄壁钢管爆破压力预测方法
技术领域
本发明涉及薄壁钢管爆破压力预测技术领域，具体涉及一种爆破点靠近接头时薄壁钢管爆破压力的预测方法。
背景技术
管道接头是整个管网最重要的组成部分之一，但管道接头又是整个管网系统最薄弱的环节之一。目前，工业界和学术界对于管道接头的研究主要集中于分析接头在外载荷下的力学性能以及改进接头结构以满足特定工况要求。钢管内压爆破试验显示，多数情形下爆破点的位置位于管道中部，在此情形下采用传统力学模型求解的管道爆破压力与试验值较吻合。另外一些情形下爆破点位于靠近接头的部位，此情形下传统力学模型求解的管道爆破压力与试验结果相差较远，其原因在于接头所引起的应力集中效应影响了管道的整体变形状态，管道受压膨胀时的径向变形在轴向方向上是不连续的。因此，在爆破点靠近接头时，管道爆破压力的预测需要考虑应力集中效应。
发明内容
本发明的目的是提供一种爆破点靠近管道接头时薄壁钢管爆破压力的预测方法。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
“传统力学模型”的理论基础为经典弹塑性力学理论，计算过程中假设管道受内压载荷时各处的变形均匀一致。钢管爆破试验中，当爆破点靠近管道中间位置时，采用该模型计算的管道爆破压力与试验值较吻合。
本发明提出一种爆破点靠近管道接头时的薄壁钢管爆破压力预测方法，预测计算前需确定的参数包括钢管几何尺寸（管道内径、外径、壁厚）、爆破点与接头的距离、管材的弹性模量和抗拉强度。预测计算中，假设管道长度无限长，假设无限远处（远离接头位置）的管壁在内压载荷下形变状况不受接头的约束，假设管道接头为刚性结构，不考虑接头因内压导致的形变。基于薄壁壳理论，在计算中考虑了接头材料刚度与管道材料刚度不同，管道受内压载荷时，靠近接头的管壁其径向形变沿轴向方向是不连续的。
具体地，一种考虑应力集中效应的薄壁钢管爆破压力预测方法，包括如下步骤：
S1）根据薄壁壳理论，确定管壁在内压载荷下的径向变形方程：
Figure 992445DEST_PATH_IMAGE001
（1）；其中，w为管壁径向变形量，x为该点距离接头的轴向距离，k 为无量纲值，q(x)为管壁上轴向分布压力载荷；
S2）确定径向形变量最大的点位置
对式（1）求导并令其为零，可得径向形变最大处x值
Figure 234071DEST_PATH_IMAGE002
（2）；其中，
Figure 961724DEST_PATH_IMAGE003
为 待定常数，E为管材的弹性模量，t为管壁厚度，r为管道平均半径，D为管道的抗弯刚度且
Figure 870774DEST_PATH_IMAGE004
；
可得
Figure 205941DEST_PATH_IMAGE005
（3）；
S3）确定内压载荷下管壁径向变形量：
Figure 341387DEST_PATH_IMAGE006
Figure 420202DEST_PATH_IMAGE007
（4）；其中，p为加载内压，w 0 为x=0处管壁的径向形变 量，v为管材泊松比；
S4）获取管道最大径向形变量
将式（3）代入式（4）中得到管道最大径向形变量
Figure 449337DEST_PATH_IMAGE008
；
S5）获取内压载荷下管壁内最大环向应变：
Figure 220984DEST_PATH_IMAGE009
（5）；
S6）获取内压载荷下管壁内最大环向应力：
Figure 624153DEST_PATH_IMAGE010
（6）；
S7）以管壁中环向应力是否达到抗拉强度作为管道破坏的判据，判断
Figure 506658DEST_PATH_IMAGE011
是否大 于管材的抗拉强度
若
Figure 87DEST_PATH_IMAGE012
，则继续迭代，以一定步长（如0.1）增加压力p取p=1.1，重复步骤S1） 至S7）直至
Figure 942636DEST_PATH_IMAGE013
；其中，
Figure 911729DEST_PATH_IMAGE014
为管材的抗拉极限；
若
Figure 332346DEST_PATH_IMAGE015
，则认为管道已破坏，迭代结束。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明一种爆破点靠近管道接头时的考虑应力集中效应的薄壁钢管爆破压力预测方法，适用于薄壁钢管内压爆破试验中爆破点靠近接头的情形，基于薄壁壳理论，本发明提出的计算模型考虑了接头刚度和管道刚度不一致导致的管道受内压载荷时各处形变的不连续性，靠近接头部位的管道会因径向形变不连续而产生应力集中现象。通过与常规弹性理论计算得到的管道爆破压力对比，该方法得到的爆破压力值更接近试验结果，对评估钢管抗内压性能具有重要的参考价值。
附图说明
图1是本发明中得到的靠近接头部位管壁的径向形变示意图。
图2是本发明中钢管受内压后管壁的实际径向形变示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的实施例作进一步详细的描述。
一种考虑应力集中效应的薄壁钢管爆破压力预测方法，包括如下步骤：
S1）根据薄壁壳理论，确定管壁在内压载荷下的径向变形方程：
Figure 257445DEST_PATH_IMAGE001
（1）；其中，w为管壁径向变形量，x为该点距离接头的轴向距离，k 为无量纲值，q (x) 为管壁上轴向分布的压力载荷；
S2）确定径向形变量最大的点位置
对式（1）求导并令其为零，可得径向形变最大处x值
Figure 370895DEST_PATH_IMAGE016
（2）；其中，
Figure 702650DEST_PATH_IMAGE003
为 待定常数，E为管材的弹性模量，t为管壁厚度，r为管道平均半径，D为管道的抗弯刚度且
Figure 926958DEST_PATH_IMAGE004
；
可得
Figure 254034DEST_PATH_IMAGE005
（3）；
S3）确定内压载荷下管壁径向变形量：
Figure 538385DEST_PATH_IMAGE006
Figure 606704DEST_PATH_IMAGE007
（4）；其中，p为加载内压，w 0 为x=0处管壁的径向形变 量，v为管材泊松比；
S4）获取管道最大径向形变量
将式（3）代入式（4）中得到管道最大径向形变量
Figure 634703DEST_PATH_IMAGE008
；
S5）获取内压载荷下管壁内最大环向应变：
Figure 19548DEST_PATH_IMAGE009
（5）；
S6）获取内压载荷下管壁内最大环向应力：
Figure 209221DEST_PATH_IMAGE010
（6）；
S7）以管壁中环向应力是否达到抗拉强度作为管道破坏的判据，判断
Figure 374623DEST_PATH_IMAGE011
是否大 于管材的抗拉强度
若
Figure 940733DEST_PATH_IMAGE012
，则继续迭代，以一定步长（如0.1）增加压力p取p=1.1，重复步骤S1） 至S7）直至
Figure 898194DEST_PATH_IMAGE013
；其中，
Figure 258768DEST_PATH_IMAGE014
为管材的抗拉极限；
若
Figure 849150DEST_PATH_IMAGE015
，则认为管道已破坏，迭代结束。
上述迭代过程可通过MATLAB程序进行。
如图1所示，基于本发明中预测模型得到的靠近接头部位管壁的理论径向形变示意图。图中x=0表示管道与接头结合处，由于刚性接头限制了管壁的径向形变，此处管道径向形变量y=0。靠近接头处管壁的径向形变量有一最大值，此处即为基于本发明中预测模型得到爆破点。
如图2所示，为靠近接头处管壁实际径向形变示意图，刚性接头约束了管壁的径向形变，此处受应力集中效应影响，导致靠近接头处的管壁的径向变形为近似弧形。
以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种薄壁钢管爆破压力预测方法，其特征在于包括如下步骤：
S1）根据薄壁壳理论，确定管壁在内压载荷下的径向变形方程：
Figure 896435DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
其中，w为管壁径向变形量，x为该点距离接头的轴向距离，k为无量纲值，q(x)为管壁轴向分布压力载荷；
S2）确定径向形变量最大的点位置
对式（1）求导并令其为零，可得径向形变最大处x值
Figure 220100DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
其中，
Figure 999837DEST_PATH_IMAGE003
为待定常数，E为管材的弹性模量，t为管壁厚度，r为管道平均半径，D为管道的抗弯刚度且
Figure 191784DEST_PATH_IMAGE004
；
可得
Figure 6156DEST_PATH_IMAGE005
（3）；
S3）确定内压载荷下管壁径向变形量：
Figure 484411DEST_PATH_IMAGE007
Figure 751444DEST_PATH_IMAGE009
（4）；
其中，p为加载内压，w 0 为x=0处管壁的径向形变量，v为管材泊松比；
S4）获取管壁最大径向变形量
将式（3）代入式（4）中得到管道最大径向形变量
Figure 888028DEST_PATH_IMAGE010
；
S5）获取内压载荷下管壁内最大环向应变：
Figure 88065DEST_PATH_IMAGE011
（5）；
S6）获取内压载荷下管壁内最大环向应力：
Figure 81429DEST_PATH_IMAGE012
（6）；
S7）以管壁中环向应力是否达到抗拉强度作为管道破坏的判据，判断
Figure 491550DEST_PATH_IMAGE013
是否大于管材的抗拉强度：
若
Figure 494141DEST_PATH_IMAGE014
，则继续迭代，以一定步长增加压力p，重复步骤S1）至S7）直至
Figure DEST_PATH_IMAGE015
；其中，
Figure 424051DEST_PATH_IMAGE016
为管材的抗拉强度；
若
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，则认为管道已破坏，迭代结束。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113074858A (zh) * 2021-04-01 2021-07-06 昆明理工大学 测量动态爆破的状态的传感系统、样本系统及试验方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113074858A (zh) * 2021-04-01 2021-07-06 昆明理工大学 测量动态爆破的状态的传感系统、样本系统及试验方法

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