LS-DYNA埋地天然气管道爆炸毁伤模拟：安全评估新视角

概述：

LS-DYNA是LSTC公司开发的世界上最著名的通用显式动力分析程序。它可以模拟现实中各种复杂问题，在工程应用领域，它的绝佳性能得到了广泛的认可。本文通过拟合西部现场实验的弹坑数据，获得了带有修正系数的TNT当量公式。

1 西部现场实验数据

1）现场实验条件

实验场位于距离哈密市以南50公里的戈壁深滩处，实验采用X80钢材，OD1422mm口径的天然气管道，管道外径1422mm、壁厚为21.4mm、管道总长为430m。实验管道为埋地敷设，埋深1.8m（管道顶部距地面距离）。实验温度为0℃~25℃，实验管列由设置在两端的储气管和设在中间的实验管段组成，两端储气库长度为150m，实验管长度为130m，设计压力20MPa，由于本次实验受环境温度和实验管材所限，实际管内爆炸压力值为13.3MPa，土壤为砂砾。

2）实验方法及目的

该实验采用聚能切割器在管道中部正上方位置切开一个500mm 的贯穿裂缝，其中聚能切割器为装有高能条状炸药的爆破装置。通过裂纹扩展，迅速形成一个缺口，管内高压天然气通过缺口外溢形成物理爆炸，在近地面自由场形成空气冲击波向外传播。实验时在管路中充入13.3MPa天然气，在实验管段上安装压力传感器、位移传感器、温度传感器、应变片和时间线圈等检测元件，用于测试管道实验压力并在裂纹扩展期间监测压力衰减、局部残余塑性变形、局部应变场和管道形状变化，监测整个物理爆炸过程，测定物理爆炸发生区域弹坑的尺寸。根据实验实测得到的弹坑尺寸，提出计算弹坑深度的计算方法。

3）实验结论

1）现场实测结论

如图1.1所示，为现场实验人员拍摄的物理爆炸后弹坑的实物形态图。如图所示，在冲击波作用下，爆心区域沿管路方向延伸生成了巨型的开放式弹坑，并在埋入土层的管路内部伴随管路的破坏，有明显的坍塌现象出现。在爆心附近，X80天然气管路被严重破坏，碎片不可见，但随着管路延伸方向，特别是弹坑的底部，仍有被切割残存的管道壁结构被完整保留并沉入土层内部。  

图1.1 现场弹坑实物图

通过本次实验，获得了现场爆裂管道的如下数据，如表1.1所示。

表1.1 现场实测弹坑的形态与尺寸参数表

2）理论计算结论

坑的断面形状假设为如图1.2所示的椭圆状。弹坑的断面尺寸可以完全由宽度W、深度D和弹坑壁的倾角α来确定。同样，由于弹坑被假设为椭圆状，也可以由弹坑壁与地面交点的斜率tanα₁，在一半深度处的弹坑壁的斜率tanα₂和弹坑深度来定义弹坑的断面。在图中的参数a、b分别为这一假定的椭圆的短半轴和长半轴的长度。

图1.2 弹坑断面示意图

①  对顶部破裂，基于观察，管道底部的土壤很少或不会被吹走，弹坑深度由下列公式得到：

    D = Dp + Dc

②  对剪切破裂，弹坑深度还是土壤类型和含水量的函数，由参数w来描述，可以由公式（1.3）计算：

               R (w) = 0.28 + 0.62 (5－w) －0.07(25－^w2)          （1.3）

其中对于本实验条件下的砂砾，w=1.75，弹坑深度可由公式（1.4）计算：

                                                                                              （1.4）

其中 Dp—管道直径，m；

Dc—地面到管道中心的埋深，m；

w —无量纲参数，本次实验取1.75.

结合边坡理论，物理爆炸发生后造成的弹坑周围的土壤会回填弹坑，分析可得实际产生的弹坑深度应该略大于3.2m。通过前期天然气管路切口数值模拟结论，高压天然气管路轴向切口和环向切口对弹坑深度尺寸影响较小，即两种切口方式产生的弹坑深度较为相近。因此，可以利用公式（1.4）计算得到的环向切口高压天然气管路造成的弹坑深度5.6m作为本次实验物理爆炸实际产生的弹坑深度。因此，本次高压天然气管路物理爆炸产生的弹坑尺寸如表1.2所示：

表 1.2 实际弹坑尺寸表

3）现场实验物理爆炸量理论计算结果

本次实验中，测试管路长度为 130m，通过公式（1.1）和（1.2）计算可得到参加物理爆炸的气体转化为TNT炸药当量为1336kg。  

1.2 高压天燃气管路现场实验数值模拟

1）实验模型

在通用前处理器Altair HyperMesh 2017中构建基于LS-DYNA求解器的等当量TNT法天然气管道数值模拟模型如图1.3所示，其中（a）为沙土及管路结构，（b）为空气域及TNT装药与沙土管路结构重叠图。采用平均单元尺寸10cm进行模型网格划分，网格剖分共获得单元4618720个，模型尺寸长30m、宽18.75m、深6.72m。

（a）沙土及管路结构   
 

（b）空气域、TNT装药与沙土管路结构重叠图

图 1.3 天然气管路物理爆炸实验装药量标定计算模型-

2）数值模拟结论

（1）药剂参数

本次研究为了使数值模拟得到的弹坑尺寸与实验现场实测弹坑尺寸相似，先后建立了如下表所示的12组不同药量、不同药剂形态条件下的模型。

表1.3 弹坑尺寸模拟结果图

本次研究经过12组模型的数值模拟与计算，历时120小时左右的时间，最终，模拟得到装药系数为1.0时（即装药量为TNT理论装药量1336kg与装药系数乘积）、楔形药柱、药柱位于管壁中部正上方，其走向与轴向切口方向保持一致时，模拟所得物理爆炸产生的弹坑尺寸与现场实验实测的弹坑尺寸基本一致，如图1.4所示。

（a）药柱形态

（b）药柱位置

图1.4 现场实验装药系数1.0药柱形态及位置模型图

2）物理爆炸量弹坑模拟结果模型递交LS-DYNA V971 R8求解器进行求解。计算总时长为0.014s。根据此前的仿真计算经验，TNT装药的起爆在0.002s时间段内即可充分完成，在0.002s至0.014s时间段内，主要是爆炸产物，包括管道破片及土壤飞溅物在惯性作用下的成坑及飞溅行为。因此，分别提取0.002s（TNT爆炸结束）及0.014s（总体模拟计算结束）时刻的弹坑形态，如图1.5及图16所示。  

图1.5 0.002s时刻弹坑形态图

 图1.6 0.014s时刻弹坑形态图

图1.7给出了轴视图形态下的爆炸弹坑形态。冲击波在土层内部形成了巨大的纺锤形空穴，并在土壤表面形成了较小的近椭圆形开口。在0.014s计算结束时，仅获取了近表层的爆炸产物，包括土壤及管道残片的飞溅结果，对爆炸最终完成后，在重力作用下的纺锤形空穴的坍塌则并未涉及。因此最终仿真结果中弹坑尺寸的测量，应以纺锤形空穴的尺寸为准。如图所示，在q=1336kg条件下形成了长为18.8m，宽为5.6m，深为4.6m的弹坑。

（a）弹坑坑口形态图

b）弹坑尺寸图

图1.7 弹坑形态轴视图

1.3 现场实验物理爆炸量计算方法

根据1.2.1及1.2.2研究结论，实际参与高压天然气管路物理爆炸量与理论计算高压天然气物理爆炸量近似相等，即装药量修正系数为为1.0，拟合得到计算管道物理爆炸量计算公式为1.5所示。根据本章节模拟结可得，修正系数取值为1.0。

E_g1=α_1 α_2  PV/(k-1) [1-(0.1013/P)^((k-1)/k) ]×10^3       （1.5）

其中α1—装药量修正系数，取1.0；

α2—安全系数，取值1.2。

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