埋地管道的失效機理及其可靠性研究.pdf

1、埋地管道已經(jīng)成為現(xiàn)代社會中一種重要的基礎設施。絕大多數(shù)地下管道的日常破壞失效是由于管道損傷累積和抗力衰退到一定程度，再加上外部荷載作用導致管道超過其極限承載力所致，是一個不可逆的緩慢災變過程。目前國內(nèi)外城市中早期埋設的部分管網(wǎng)己經(jīng)面臨著破損頻繁、漏失嚴重、輸流能力不足等問題。因此，開展埋地管道的失效機理及其可靠性研究，可以在一定程度上預測地下管道的失效行為，合理制定修護或更換計劃，變被動管理為主動管理。本文采用理論分析、數(shù)值模擬、算例驗

2、證相結合的方法對埋地管道管土相互作用受力計算模型、金屬管道腐蝕模型和塑料管道的裂紋擴展模型、帶腐蝕缺陷管道的應力集中和剩余強度計算、管道失效的可靠度和模糊可靠性等方面進行了研究。 (1)基于溫克爾地基梁模型，考慮存在未支撐區(qū)、土體非線性和溫度荷載，建立和完善了管道縱向拉伸和縱向彎曲的彈塑性受力計算模型，并用有限元數(shù)值解驗證了解析模型的正確性。通過對參數(shù)如管徑、未支撐長度、土體縱向剛度、管材、溫差等進行敏感性分析得到如下規(guī)律：小直

3、徑管道以縱向應力導致的環(huán)向開裂失效為主，而較大直徑管道多數(shù)為環(huán)向應力導致的縱向開裂失效，溫度荷載產(chǎn)生的縱向拉伸應力和管道懸空造成的縱向彎曲應力更容易使小直徑管道破壞。彈塑性與彈性分析得到的應力相差較小，用彈性分析解來替代彈塑性分析解可以簡化方程的形式。 (2)各種管材具有各自不同的材料退化特性?？紤]土壤腐蝕對金屬管道的影響，建立定量描述腐蝕的冪函數(shù)模型、二階段腐蝕模型和線性模型；考慮UPVC塑料管初始裂紋的慢速擴展特性，給出裂紋

4、擴展的力學表達式。根據(jù)實測管道腐蝕深度和管周土壤腐蝕指標，分析了土壤腐蝕指標與管道腐蝕程度之間的相關性。實測數(shù)據(jù)與腐蝕模型計算值具有較大的離散性，在實際工程應用時應根據(jù)實測數(shù)據(jù)或地區(qū)經(jīng)驗對腐蝕模型進行修正。 (3)腐蝕或缺陷的產(chǎn)生削弱管道的承載能力。為考慮腐蝕或缺陷對管道失效的影響，從應力集中系數(shù)和剩余強度兩個不同的角度入手進行研究： 通過非線性有限元模型求解帶球形腐蝕坑灰口鑄鐵管道的應力集中系數(shù)，得到應力集中系數(shù)隨腐蝕

5、深度和管道應力變化的曲線。考慮鑄鐵材料的非線性，應力集中系數(shù)是管道的缺陷尺寸和管道所受應力的函數(shù)。 建立了有限元求解帶腐蝕缺陷管道的應力強度因子的三維數(shù)值模型，并分別對縱向拉伸、縱向彎曲、環(huán)向彎曲和環(huán)向拉伸四種工況下的應力強度因子進行了計算，得到了不同腐蝕坑形狀下應力強度因子沿裂紋線變化的規(guī)律，進而得到管道的應力強度因子與腐蝕坑尺寸之間的關系，并擬合得到剩余強度公式。 (4)考慮到管道失效的不確定性，基于隨機概率理論，利

6、用一次二階矩法(FORM)和蒙特卡羅(MC)隨機模擬法，通過自編程序?qū)铱阼T鐵管、鋼管和UPVC塑料管三個埋地管道典型算例進行了失效可靠度研究。參數(shù)敏感性分析表明：所有影響灰口鑄鐵管道安全因子的隨機參數(shù)中，未支撐長度、溫差、腐蝕參數(shù)、剩余強度參數(shù)是最重要的；對埋地鋼管來說，腐蝕參數(shù)、屈服強度、內(nèi)壓、壁厚、殘余應力對管道失效的作用較大；對UPVC塑料管來說，初始裂紋的影響最大，其次是管道內(nèi)壓、殘余應力和壁厚。 (5)通過深入比較各

7、種模糊運算算法的原理、適用范圍和計算效率，構建了埋地管道失效可靠性模糊分析的一般方法，提出了同時考慮隨機性和模糊性的不確定性分析方法；并分別編制了利用a-割集優(yōu)化方法求解復雜的模糊模型，以及聯(lián)合考慮模糊性和隨機性的數(shù)值計算程序。通過對埋地鋼管的腐蝕失效算例分析表明，模糊可靠性理論在管道失效分析中的應用，使獲取數(shù)據(jù)的難度大大降低，用概率區(qū)間度量失效概率反映了真實存在的不確定性，即信息的缺失量，給出的失效概率區(qū)間估計可為科學決策提供參考。