Analisi teorica della deformazione per tubi gas in acciaio tenendo conto degli effetti di taglio sotto carichi di esplosione superficiale

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8658 (2022) Citare questo articolo

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I carichi da esplosione del terreno sono di grande importanza per il funzionamento sicuro delle condotte in acciaio e del gas, e i risultati ottenuti dalle tradizionali formule teoriche per la previsione della sicurezza delle condutture sono in errore con i dati effettivi misurati. In questo articolo, vengono eseguiti test sul campo a grandezza naturale e corrispondenti simulazioni numeriche utilizzando la teoria delle travi di Timoshenko e la teoria delle onde di stress dell’esplosione, che considerano gli effetti di taglio. Allo stesso tempo, combinato con la teoria della rigidità della fondazione e del rapporto di flessibilità della rigidità della tubazione, si ottiene un modello teorico modificato in linea con le condizioni reali del sito, che può calcolare con precisione la deformazione e lo spostamento del carico di esplosione sotterraneo della tubazione, e notevolmente ridurre l’errore dei risultati delle previsioni teoriche. L'innovazione dei risultati della ricerca in questo articolo è che lo stress teorico nella trave Timoshenko può essere sostituito dalla deformazione circonferenziale. D'altro canto, la soluzione teorica modificata può ottenere il peso critico degli esplosivi per prevenire danni alle condutture a diverse profondità di sepoltura. Fornisce una base teorica per la protezione dei carichi da esplosione sotterranei delle condotte e fornisce idee di ricerca per la protezione e la progettazione sicura delle condotte.

Essendo la via principale per il trasporto di petrolio e gas, le condotte interrate di diverso diametro svolgono un ruolo enorme nel campo del trasporto energetico e la loro sicurezza strutturale è motivo di grande preoccupazione1,2,3. Tuttavia, con l’ulteriore aumento dell’urbanizzazione, che porta a una rete più fitta di condotte interrate, la sicurezza e la protezione delle condotte è nota come una questione sempre più importante4,5,6. Inoltre, alcune operazioni militari e la produzione civile tendono ad aumentare il rischio di danni esplosivi alle condutture in servizio7,8. Allo stesso tempo, in alcune zone è aumentato il rischio di attacchi terroristici, con diverse esplosioni lungo gli oleodotti e i gasdotti9. Nel frattempo, dopo un'indagine approfondita, è emerso che negli ultimi anni i danni a terzi sono la principale causa di guasti alle condotte interrate e hanno causato gravi incidenti10. Pertanto, è importante studiare le caratteristiche di danneggiamento delle condotte sottoposte a carico esplosivo.

Per lo studio delle condotte sottoposte a carichi esplosivi negli ultimi decenni sono stati condotti numerosi studi sperimentali e teorici su condotte interrate sottoposte a carichi esplosivi da terra11,12,13. Ad esempio, Zhang et al.14 hanno utilizzato la simulazione numerica per studiare gli effetti di diversi fattori sulla sicurezza della condotta, come il peso degli esplosivi, la distanza orizzontale degli esplosivi dal tubo e la profondità di seppellimento della condotta. Song et al.15 hanno selezionato il tubo X70 per i test di esplosione sul campo e hanno ottenuto quattro diverse modalità di cedimento in base alla deflessione e al livello di danno del tubo, tra cui (a) la modalità 1 è una grande deformazione elastico-plastica nella regione centrale; (b) la modalità 2 è che la superficie esterna del tubo subisce un'ampia deformazione plastica e diventa più sottile nella regione centrale; (c) la modalità 3 è quella in cui sia la superficie esterna che quella interna del tubo sono leggermente lacerate nella regione centrale; (d) la modalità 4 è quella in cui sia la parte anteriore che quella posteriore del tubo sono completamente strappate. Sulla base del lavoro di Mishra et al.16 e Zhang et al.17, il danno è stato normalizzato in criteri di danno locale e criteri di fallimento complessivo secondo il modello di danno. D'altra parte, il criterio del danno relativo al rapporto deviazione-campata è stato utilizzato per valutare l'entità del danno alle condotte sotterranee, e il danno alle condotte può essere classificato nelle seguenti quattro categorie, tra cui (a) danni minori; (b) danno moderato; (c) gravi danni e (d) crollo. Prendendo l'esempio del lavoro di Bambach et al.18, che hanno utilizzato studi di laboratorio per analizzare travi metalliche sotto carico d'esplosione trasversale, concentrandosi principalmente sulla parte solida di deformazione del metallo. Oltre agli studi di laboratorio, anche gli studi teorici sono altamente preferiti dai ricercatori, alcuni autori come Abedi et al.19 hanno utilizzato un metodo analitico teorico per trovare la deflessione del raggio sotto l'effetto dell'onda d'urto. Inoltre, Olarewaju et al.20 hanno condotto uno studio analitico e numerico sulla risposta statica e dinamica delle condotte interrate sotto carico da esplosione. Nel frattempo, alcuni studi hanno studiato le caratteristiche di frattura dei tubi oltre a semplici studi sulla deformazione, come Mirzaei et al.21, che hanno analizzato la frattura dinamica dei tubi sotto carichi di esplosione interni mediante simulazioni numeriche ed esperimenti.