Análise teórica da deformação para tubos de gás de aço levando em consideração os efeitos de cisalhamento sob cargas de explosão de superfície

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 8658 (2022) Citar este artigo

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As cargas de explosão do solo são de grande importância para a operação segura de dutos de aço e gás, e os resultados obtidos a partir de fórmulas teóricas tradicionais para previsão de segurança de dutos estão em erro com os dados reais medidos. Neste artigo, testes de campo em tamanho real e simulações numéricas correspondentes são realizados usando a teoria de vigas de Timoshenko e a teoria de ondas de tensão de explosão, que consideram os efeitos de cisalhamento. Ao mesmo tempo, combinado com a teoria da rigidez da fundação e da taxa de flexibilidade da rigidez da tubulação, um modelo teórico modificado é obtido de acordo com as condições reais do local, que pode calcular com precisão a deformação e o deslocamento da carga de explosão subterrânea da tubulação e muito reduzir o erro de resultados de previsão teórica. A inovação dos resultados da pesquisa neste artigo é que a tensão teórica na viga de Timoshenko pode ser substituída pela deformação circunferencial. Por outro lado, a solução teórica modificada pode obter o peso crítico de explosivos para evitar danos à tubulação em diferentes profundidades enterradas. Ele fornece uma base teórica para a proteção de cargas de explosão subterrâneas de dutos e fornece ideias de pesquisa para a proteção segura e projeto de dutos.

Como principal meio de transporte de petróleo e gás, dutos enterrados com diferentes diâmetros desempenham um papel importante no campo do transporte de energia, e sua segurança estrutural é uma grande preocupação1,2,3. No entanto, com o aumento da urbanização, levando a uma rede mais densa de dutos enterrados, a segurança e proteção dos dutos é conhecida como uma questão cada vez mais importante4,5,6. Além disso, algumas operações militares e produção civil tendem a aumentar o potencial de danos explosivos a dutos em serviço7,8. Ao mesmo tempo, o potencial de ataques terroristas aumentou em algumas áreas, mesmo com várias explosões ao longo de oleodutos e gasodutos9. Entretanto, após uma investigação detalhada, constatou-se que, nos últimos anos, os danos a terceiros são a principal causa de falha de dutos enterrados e têm causado graves acidentes10. Portanto, é importante estudar as características de dano de dutos sob carga de explosão.

Para o estudo de dutos sob cargas de explosão nas últimas décadas, tem havido muitos estudos experimentais e teóricos em dutos enterrados submetidos a cargas explosivas no solo11,12,13. Como exemplo, Zhang et al.14 usaram simulação numérica para estudar os efeitos de diferentes fatores na segurança da tubulação, como o peso dos explosivos, a distância horizontal dos explosivos da tubulação e a profundidade de soterramento da tubulação. Song et al.15 selecionaram o tubo X70 para testes de explosão de campo e obtiveram quatro diferentes modos de falha com base na deflexão e no nível de dano do tubo, incluindo (a) o modo 1 é uma grande deformação elástico-plástica na região central; (b) modo 2 é a superfície externa do tubo sofre grande deformação plástica, e torna-se mais fina na região central; (c) modo 3 é onde ambas as superfícies externa e interna do tubo estão levemente rasgadas na região central; (d) o modo 4 é onde ambas as partes frontal e traseira do tubo estão completamente rasgadas. Com base no trabalho de Mishra et al.16 e Zhang et al.17, o dano foi normalizado em critérios de dano local e critérios de falha geral de acordo com o modelo de dano. Por outro lado, o critério de dano da relação deflexão-vão foi usado para avaliar o grau de dano às tubulações subterrâneas, e os danos às tubulações podem ser classificados nas quatro categorias a seguir, incluindo (a) danos menores; (b) danos moderados; (c) danos graves e (d) colapso. A exemplo do trabalho de Bambach et al.18, que utilizou estudos de laboratório para analisar vigas metálicas sob carregamento transversal de explosão, focando principalmente na parte sólida de deformação do metal. Além dos estudos de laboratório, os estudos teóricos também são muito preferidos pelos pesquisadores, alguns autores como Abedi et al.19 utilizaram um método analítico teórico para encontrar a deflexão do feixe sob o efeito da onda de choque. Além do mais, Olarewaju et al.20 conduziram um estudo analítico e numérico da resposta estática e dinâmica de dutos enterrados sob carga de explosão. Enquanto isso, alguns estudos investigaram características de fratura de tubos além de estudos de deformação simples, como Mirzaei et al.21, que analisaram a fratura dinâmica de tubos sob cargas de explosão interna por meio de simulações numéricas e experimentos.