CN117150807A - 计及结构动态断裂影响的氢气管道物理爆炸冲击波超压预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种计及结构动态断裂影响的氢气管道物理爆炸冲击波超压预测方法，具体包括：获取氢气管道的管道外径D，并确定氢气管道服役环境的大气压力P0；查阅氢气管道的压力表记录数据，确定氢气管道爆炸前内部气体压力Pi；计算管道无量纲物理爆炸压力Pburst＝Pi/P0；确定管道破口上方目标距离管道中心的实际距离L，计算目标的无量纲距Ln＝L/D；根据Pn＝aLn 4‑bLn 3+cLn 2‑dLn+e计算计入结构动态断裂影响的目标位置无量纲冲击波超压Pn，最后计算实际冲击波超压P＝Pn×P0。本发明的预测方法预测精度高，实施难度低，步骤简单明确。
Description
技术领域
本发明涉及氢气管道爆炸后果预测领域，具体涉及一种计及结构动态断裂影响的氢气管道物理爆炸冲击波超压预测方法。
背景技术
氢气管道在服役过程中由于机械损伤、局部腐蚀、自然灾害等因素可能导致其承压能力下降而发生物理爆炸，氢气管道物理爆炸会产生冲击波、破片等，其中冲击波的传播距离远且范围大，是氢气管道物理爆炸危害预测及评估需要考虑的主要因素。管道物理爆炸时冲击波超压分布具有明显的方向性，特别是在近场和中场，其中管道破口指向的气体射流方向的冲击波超压最高，是管道物理爆炸冲击波超压预测和后果评估所主要关注的。
目前管道物理爆炸冲击波超压预测方法可以分为两类，一类是经验法，如TNT当量法、Baker-Tang爆炸曲线法等，该类方法认为物理爆炸发生时爆炸能量瞬间释放于环境空气中，未考虑管道动态断裂过程对爆炸能量的吸收以及断口对管道内高压气体释放的几何约束作用，即使结合系数缩放，往往也难以较为准确地预测氢气管道物理爆炸沿破口射流方向的冲击波超压；另一类是数值模拟方法，这一类方法又可细分为传统计算流体力学方法(CFD)方法和流-固-断裂耦合方法，前者仅对爆炸流场仿真，同样无法计入管道动态断裂的产生的具体影响，后者需要构建管道物理爆炸的流-固-断裂多场耦合模型，可以同时对管道动态断裂及冲击波形成、传播进行模拟，通常可以获得更为准确的冲击波超压预测结果，但存在模型构建难度高、需要加以验证以及实施周期长的不足。综上，目前缺乏一种考虑管道动态断裂影响的、方便易实施的、合理准确的氢气管道物理爆炸超压预测方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种计及结构动态断裂影响的氢气管道物理爆炸冲击波超压预测方法，该方法属于经验法范畴，结合实验、氢气管道物理爆炸流-固-断裂多场耦合模拟以及冲击波超压无量纲分析，建立了计入结构动态断裂影响的氢气管道物理爆炸冲击波超压随距离衰减的无量纲函数关系，该方法预测准确度高。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种计及结构动态断裂影响的氢气管道物理爆炸冲击波超压预测方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：获取氢气管道的管道外径D，并确定氢气管道服役环境的大气压力P0；查阅所述氢气管道的压力表记录数据，确定氢气管道爆炸前内部气体压力Pi；计算管道无量纲物理爆炸压力Pburst＝Pi/P0；
步骤二：确定管道破口上方目标距离管道中心的实际距离L，计算目标的无量纲距Ln＝L/D；
步骤三：根据下式计算计入结构动态断裂影响的目标位置无量纲冲击波超压Pn
Pn＝aLn 4-bLn 3+cLn 2-dLn+e
其中，a、b、c、d、e为系数；
步骤四：计算实际冲击波超压P＝Pn×P0。
进一步地，系数a、b、c、d、e由管道无量纲物理爆炸压力Pburst确定，在40-120无量纲爆炸压力范围内，无量纲爆炸压力Pburst与上述系数的对应关系如下表：
| Pburst | a | b | c | d | e |
| 40 | 0.003213 | 0.092091 | 0.972812 | 4.759418 | 10.482072 |
| 60 | 0.005170 | 0.143859 | 1.472278 | 6.899297 | 14.257095 |
| 80 | 0.007564 | 0.206687 | 2.065369 | 9.288495 | 17.899935 |
| 100 | 0.007507 | 0.211141 | 2.175987 | 10.091393 | 19.912772 |
| 120 | 0.006553 | 0.191667 | 2.048201 | 9.826488 | 20.036052 |
若所分析管道的无量纲爆炸压力不在上表中时，则根据相邻无量纲爆炸压力计算的无量纲冲击波超压Pn线性插值计算得到。
进一步地，所述氢气管道的管道外径D通过查阅分析氢气管道设计资料或实地测量确定。
本发明的有益效果如下：
1.对氢气管道物理爆炸冲击波超压的预测准确度更高。本发明中通过无量纲分析和无量纲参量定义，在冲击波超压计算中计入了结构动态断裂对冲击波强度造成的影响，准确度较现有方法有很大提升。
2.实施难度低，步骤简单明确，对相关人员的专业水平要求低。采用本发明预测爆炸超压时，仅须查询收集管道参数和环境参数，而后按照步骤带入公式计算即可，无须测量复杂数据以及建立高难度数值模型。
附图说明
图1为目标位置距离示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种计及结构动态断裂影响的氢气管道物理爆炸冲击波超压预测方法，包括如下步骤：
1.获取氢气管道基本数据
查阅所分析氢气管道设计资料或实地测量确定管道外径D，确定氢气管道服役环境大气压力P0，在多数情况下可取105Pa；查阅所分析管道压力表记录数据，确定管道爆炸前内部气体压力Pi，定义管道无量纲物理爆炸压力Pburst＝Pi/P0。
2.计算目标位置无量纲距离
确定管道破口上方目标距离管道中心的实际距离L，如图1所示。进一步计算目标的无量纲距离Ln，目标无量纲距离定义为目标实际L除以管道外径D，即Ln＝L/D。
3.计算目标位置无量纲冲击波超压
计入结构动态断裂影响的目标位置无量纲冲击波超压Pn由氢气管道无量纲物理爆炸压力Pburst和目标位置的无量纲距离Ln计算获得，其中Pn为Ln的4次多项式函数，表示为：
Pn＝aLn 4-bLn 3+cLn 2-dLn+e
式中，a、b、c、d、e为系数，由管道无量纲物理爆炸压力Pburst确定，在40-120无量纲爆炸压力范围内，无量纲爆炸压力Pburst与上述系数的对应关系如下表：
表1无量纲爆炸压力Pburst与上述系数的对应关系表
| Pburst | a | b | c | d | e |
| 40 | 0.003213 | 0.092091 | 0.972812 | 4.759418 | 10.482072 |
| 60 | 0.005170 | 0.143859 | 1.472278 | 6.899297 | 14.257095 |
| 80 | 0.007564 | 0.206687 | 2.065369 | 9.288495 | 17.899935 |
| 100 | 0.007507 | 0.211141 | 2.175987 | 10.091393 | 19.912772 |
| 120 | 0.006553 | 0.191667 | 2.048201 | 9.826488 | 20.036052 |
若所分析管道的无量纲爆炸压力不在上表中时，则根据相邻无量纲爆炸压力计算的无量纲冲击波超压Pn线性插值计算得到。
4.计算目标位置的实际冲击波超压
实际冲击波超压P为无量纲冲击波超压Pn与管道环境大气压力P0的乘积，即P＝Pn×P0。
下面通过一个具体的实施实例去验证本发明的效果。
该实施例中，氢气管道材料为API X65。对管道充氢加压至12MPa，控制裂纹起爆位置，激发管道爆炸破裂。根据本发明的技术方案步骤，对该氢气管道物理爆炸冲击波超压进行预测：
1.获取氢气管道基本数据
管道外径D为267mm；氢气管道服役环境大气压力P0＝0.1MPa，管道爆炸前内部气体压力Pi＝12MPa。计算管道无量纲物理爆炸压力Pburst＝Pi/P0＝120。
2.计算目标位置无量纲距离
管道破口上方目标距离管道中心的实际距离L＝1200mm，由此可计算目标的无量纲距离Ln＝L/D＝4.5。
3.计算目标位置无量纲冲击波超压
Pburst＝120时，根据表1可得到对应公式：
Pn＝0.006553Ln 4-0.191667Ln 3+2.048201Ln 2-9.826488Ln+20.036052
将无量纲距离Ln代入公式计算可得Pn＝2.5135。
4.计算目标位置的实际冲击波超压
实际冲击波超压P＝Pn×P0＝251.3kPa。
该位置模拟得到的冲击波超压为236.1kPa，计算可得误差为6.05％，因此预测准确度高。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种计及结构动态断裂影响的氢气管道物理爆炸冲击波超压预测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：获取氢气管道的管道外径D，并确定氢气管道服役环境的大气压力P0；查阅所述氢气管道的压力表记录数据，确定氢气管道爆炸前内部气体压力Pi；计算管道无量纲物理爆炸压力Pburst＝Pi/P0；
步骤二：确定管道破口上方目标距离管道中心的实际距离L，计算目标的无量纲距Ln＝L/D；
步骤三：根据下式计算计入结构动态断裂影响的目标位置无量纲冲击波超压Pn
Pn＝aLn 4-bLn 3+cLn 2-dLn+e
其中，a、b、c、d、e为系数；
步骤四：计算实际冲击波超压P＝Pn×P0。
2.根据权利要求1所述的计及结构动态断裂影响的氢气管道物理爆炸冲击波超压预测方法，其特征在于，系数a、b、c、d、e由管道无量纲物理爆炸压力Pburst确定，在40-120无量纲爆炸压力范围内，无量纲爆炸压力Pburst与上述系数的对应关系如下表：
若所分析管道的无量纲爆炸压力不在上表中时，则根据相邻无量纲爆炸压力计算的无量纲冲击波超压Pn线性插值计算得到。
3.根据权利要求1所述的计及结构动态断裂影响的氢气管道物理爆炸冲击波超压预测方法，其特征在于，所述氢气管道的管道外径D通过查阅分析氢气管道设计资料或实地测量确定。
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