天然氣管道水下穿越爆裂事故模擬分析

李 強

中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

1. 引言

近些年國內(nèi)對水下天然氣管道爆裂故的研究主要集中于泄漏天然氣在水中迅速發(fā)生遷移擴散，氣體到達水面后存在著火災(zāi)和爆炸等危險的分析[1]和氣體泄漏產(chǎn)生的沖擊波在水中的擴散規(guī)律的研究[2]。為保障天然氣運輸?shù)某掷m(xù)性和安全性，天然氣水下穿越管道實際建設(shè)和運行中基本都采用雙管道，其中一條為主管道，另一條為備用管道，如果主管道發(fā)生事故時，可以緊急切斷氣源后啟用備用管道，在這種情況下研究主管道發(fā)生爆裂事故對備用管道產(chǎn)生的影響就尤為重要了，但是目前國內(nèi)在這方面的研究資料很少，本文描述了利用ANSYS/LS-DYNA 軟件系統(tǒng)對管道爆裂事故進行物理數(shù)值模擬的過程。通過對水環(huán)境中壓縮波擴散過程的數(shù)值模擬，確定了從泄漏點氣體流動達到準靜止流動狀態(tài)前的氣泡運動參數(shù)和天然氣管道的運動學特性，基于試驗結(jié)果分析了下天然氣管道爆裂事故對相鄰管道的力學影響程度。

2. 雙線水下管道數(shù)值建模

LS-DYNA 為通用型的有限元軟件，可同時進行Implicit 及Explicit 的分析，故適合仿真線性、非線性、靜態(tài)、動態(tài)、接觸力學、耦合等等的真實結(jié)構(gòu)行為。目前全球工業(yè)界廣泛地應(yīng)用于：航空航天、汽車工業(yè)、國防工業(yè)、電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析、生物醫(yī)學、土木建筑結(jié)構(gòu)、鈑金成型、與其它制造業(yè)。

為了研究水下主管道爆裂對事故現(xiàn)場附近物體的力學影響水平，本文對管道爆裂事故進行了數(shù)值模擬[3]，基于ANSYS/LS-DYNA 軟件系統(tǒng)開發(fā)出了管道和周圍環(huán)境模型。

水下穿越模擬采用了雙線管道的形式，其中一條為運行管道，另一條為備用管道，管道之間的間距為2 m，管道內(nèi)徑為1 m，材質(zhì)為低合金鋼16 Mn，壁厚20 mm。管道外部用厚為100 mm 的混凝土保護層與外界隔絕，管道位于25 m 深處，管道內(nèi)天然氣壓力為7.5 MPa。

3. 爆裂事故模擬分析

對管道的破壞過程采用了兩種方式進行模擬：1) 管道瞬間爆裂，裂痕長度20 m；2) 爆裂事故發(fā)生后裂紋以150 m/s 的速度擴展并達到相似裂痕長度。在考慮了管道混凝土保護層的影響下，利用管道鋼材彈塑性變形模型對裂縫的展開過程進行了計算[4]。

在圖1 的例子中展示了在事故最初的0.05 s 時裂紋以有限的速度擴展時，管道的應(yīng)力強度(a)和塑性應(yīng)變(b)狀態(tài)。

計算結(jié)果顯示，在初始時刻，氣泡開始膨脹(見圖2)，其中的壓力隨著時間不斷降低。氣泡的形狀和大小很大程度上取決于管道爆裂的類型。下文中提到的計算網(wǎng)格的原點位于管道事故中心和網(wǎng)格對稱平面的交叉處[5]。在裂痕位于管道的兩側(cè)、上部和下部等各種情況時，計算了管道爆裂對相鄰管道的影響和事故產(chǎn)生聯(lián)級效應(yīng)的可能性。

Figure 1. Sea pipeline stress intensity (a) and structural yielding (b) at 0.05 sec 圖1. 爆裂事故最初0.05 秒時管道應(yīng)力強度(a)和塑性應(yīng)變(b)示意圖

Figure 2. Pipe rupture gas flowfield based on calculations using models of sudden burst pipe of 20 m (a) and crack enlargement with an average speed of 150 m/s at 0.02 sec (b) 圖2. 管道瞬間爆裂20 m 泄漏氣體截面(a)和裂痕以150 m/s 速度擴展0.02 s 時泄漏氣體截面(b)

圖3 中展示了不同時刻的氣流物理圖形和壓力場的變化情況。作為例子，對第二條管道沿側(cè)面爆裂，裂紋并以150 m/s 的速度擴展為模型進行了計算?？梢钥闯?，初始階段氣泡迅速膨脹，并且在接近0.07 s時候，其中的壓力幾乎下降到管道附近的水壓大小。

Figure 3. Pressure pattern of crack enlargement at 0.02, 0.04 and 0.06 sec 圖3. 在0.02，0.04 和0.06 秒時裂紋擴展模型中的壓力場圖

圖4～7 展示了在管道爆裂處沿著X 軸和Y 軸(分別為管道橫截面的水平向和垂直向)的管道橫截面上方空間點的壓力變化曲線。從曲線中可以看出，爆裂事故發(fā)生后，隨著壓縮波在水中的不斷擴散，壓縮波中的最大壓力從爆裂處開始迅速消退。

考慮到氣泡的驅(qū)使作用，對事故管道朝相鄰管道的最大移動速度進行了計算。圖8 作為例子展示了管道側(cè)面瞬間爆裂(A)和平緩爆裂(B)事故發(fā)生在0.06 秒時的速度場情況。

4. 結(jié)語

通過對水環(huán)境中壓縮波擴散的數(shù)值模擬確定了爆裂事故開始到爆裂點泄漏氣體流動達到準靜止流動狀態(tài)過程中氣泡的運動參數(shù)和天然氣管道的運動學特性。

Figure 4. Water pressure dependence for matching points position on the X axis in the horizontal plane (Y = 0) used in modelling crack enlargement at the speed of 150 m/sec 圖4. 模擬裂紋擴展速度為150 米/秒時水環(huán)境中沿X 軸方向(Y = 0)壓力變化曲線

Figure 5. Water pressure dependence for matching points position on the Y axis in the horizontal plane (X = 0) used in modelling crack enlargement at the speed of 150 m/sec 圖5. 模擬裂紋擴展速度為150 米/秒時水環(huán)境中沿Y 軸方向(X = 0)壓力變化曲線

Figure 6. Water pressure variation curve for matching points position on the X axis in the horizontal plane (Y = 0) at sudden burst pipe 圖6. 模擬管道瞬間爆裂時水中沿X 軸方向(Y = 0)壓力變化曲線

Figure 7. Water pressure variation curve for matching points position on the Y axis in the horizontal plane (X = 0) at sudden burst pipe 圖7. 模擬管道瞬間爆裂時水中沿Y 軸方向(X = 0)壓力變化曲線

Figure 8. Velocity field of pipelines at time of 0.06 sec from rupture initiation for models of sudden burst pipe (A) and smooth burst pipe (B) 圖8. 管道瞬間爆裂模型(A)和平緩爆裂模型(B)爆裂事故開始0.06 秒時的速度場

可以確定的是，由于管道爆裂點形成在水中擴散的壓縮波和氣泡的膨脹的影響，事故發(fā)生0.07 秒后相鄰管道距離爆裂點最近的截面受到?jīng)_擊速度達到峰值(4 米/秒左右)。氣泡邊界的運動速度可達到最大50 米/秒，之后隨時間推移減慢。在這種情況下，膨脹氣泡的反作用力不會導(dǎo)致管道之間的匯集和碰撞。

對相鄰管道造成的最大壓力為3.5 Mpa，壓力分布呈非撞擊性平穩(wěn)增長。在最初設(shè)定的條件下，爆裂事故點5 米以外區(qū)域的壓力波振幅不超過1 Mpa。在爆裂事故影響下，相鄰管道的最大應(yīng)力和應(yīng)變不超過塑性變形的初始水平。