基于LS-DYNA的埋地天然氣管道物理爆炸毀傷研究

LS-DYNA是LSTC公司開發的世界上最著名的通用顯式動力分析程序。它可以模擬現實中各種復雜問題，在工程應用領域，它的絕佳性能得到了廣泛的認可。本文通過擬合西部現場實驗的彈坑數據，獲得了帶有修正系數的TNT當量公式。

西部現場實驗數據

實驗場位于距離哈密市以南50公里的戈壁深灘處，實驗采用X80鋼材，OD1422mm口徑的天然氣管道，管道外徑1422mm、壁厚為21.4mm、管道總長為430m。實驗管道為埋地敷設，埋深1.8m（管道頂部距地面距離）。實驗溫度為0℃~25℃，實驗管列由設置在兩端的儲氣管和設在中間的實驗管段組成，兩端儲氣庫長度為150m，實驗管長度為130m，設計壓力20MPa，由于本次實驗受環境溫度和實驗管材所限，實際管內爆炸壓力值為13.3MPa，土壤為砂礫。

該實驗采用聚能切割器在管道中部正上方位置切開一個500mm 的貫穿裂縫，其中聚能切割器為裝有高能條狀炸藥的爆破裝置。通過裂紋擴展，迅速形成一個缺口，管內高壓天然氣通過缺口外溢形成物理爆炸，在近地面自由場形成空氣沖擊波向外傳播。實驗時在管路中充入13.3MPa天然氣，在實驗管段上安裝壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、應變片和時間線圈等檢測元件，用于測試管道實驗壓力并在裂紋擴展期間監測壓力衰減、局部殘余塑性變形、局部應變場和管道形狀變化，監測整個物理爆炸過程，測定物理爆炸發生區域彈坑的尺寸。根據實驗實測得到的彈坑尺寸，提出計算彈坑深度的計算方法。

如圖1.1所示，為現場實驗人員拍攝的物理爆炸后彈坑的實物形態圖。如圖所示，在沖擊波作用下，爆心區域沿管路方向延伸生成了巨型的開放式彈坑，并在埋入土層的管路內部伴隨管路的破壞，有明顯的坍塌現象出現。在爆心附近，X80天然氣管路被嚴重破壞，碎片不可見，但隨著管路延伸方向，特別是彈坑的底部，仍有被切割殘存的管道壁結構被完整保留并沉入土層內部。

圖1.1 現場彈坑實物圖

通過本次實驗，獲得了現場爆裂管道的如下數據，如表1.1所示。

表1.1 現場實測彈坑的形態與尺寸參數表

坑的斷面形狀假設為如圖1.2所示的橢圓狀。彈坑的斷面尺寸可以完全由寬度W、深度D和彈坑壁的傾角α來確定。同樣，由于彈坑被假設為橢圓狀，也可以由彈坑壁與地面交點的斜率tanα1，在一半深度處的彈坑壁的斜率tanα2和彈坑深度來定義彈坑的斷面。在圖中的參數a、b分別為這一假定的橢圓的短半軸和長半軸的長度。

圖1.2 彈坑斷面示意圖

① 對頂部破裂，基于觀察，管道底部的土壤很少或不會被吹走，彈坑深度由下列公式得到：

② 對剪切破裂，彈坑深度還是土壤類型和含水量的函數，由參數w來描述，可以由公式（1.3）計算：

其中對于本實驗條件下的砂礫，w=1.75，彈坑深度可由公式（1.4）計算：                                                                                           （1.4）

其中 Dp—管道直徑，m；

Dc—地面到管道中心的埋深，m；

w —無量綱參數，本次實驗取1.75.

結合邊坡理論，物理爆炸發生后造成的彈坑周圍的土壤會回填彈坑，分析可得實際產生的彈坑深度應該略大于3.2m。通過前期天然氣管路切口數值模擬結論，高壓天然氣管路軸向切口和環向切口對彈坑深度尺寸影響較小，即兩種切口方式產生的彈坑深度較為相近。因此，可以利用公式（1.4）計算得到的環向切口高壓天然氣管路造成的彈坑深度5.6m作為本次實驗物理爆炸實際產生的彈坑深度。因此，本次高壓天然氣管路物理爆炸產生的彈坑尺寸如表1.2所示：

表 1.2 實際彈坑尺寸表

本次實驗中，測試管路長度為 130m，通過公式（1.1）和（1.2）計算可得到參加物理爆炸的氣體轉化為TNT炸藥當量為1336kg。

高壓天燃氣管路現場實驗數值模擬

在通用前處理器Altair HyperMesh 2017中構建基于LS-DYNA求解器的等當量TNT法天然氣管道數值模擬模型如圖1.3所示，其中（a）為沙土及管路結構，（b）為空氣域及TNT裝藥與沙土管路結構重疊圖。采用平均單元尺寸10cm進行模型網格劃分，網格剖分共獲得單元4618720個，模型尺寸長30m、寬18.75m、深6.72m。

（a）沙土及管路結構

（b）空氣域、TNT裝藥與沙土管路結構重疊圖

圖 1.3 天然氣管路物理爆炸實驗裝藥量標定計算模型

本次研究為了使數值模擬得到的彈坑尺寸與實驗現場實測彈坑尺寸相似，先后建立了如下表所示的12組不同藥量、不同藥劑形態條件下的模型。

表1.3 彈坑尺寸模擬結果圖

本次研究經過12組模型的數值模擬與計算，歷時120小時左右的時間，最終，模擬得到裝藥系數為1.0時（即裝藥量為TNT理論裝藥量1336kg與裝藥系數乘積）、楔形藥柱、藥柱位于管壁中部正上方，其走向與軸向切口方向保持一致時，模擬所得物理爆炸產生的彈坑尺寸與現場實驗實測的彈坑尺寸基本一致，如圖1.4所示。

（a）藥柱形態

（b）藥柱位置

圖1.4 現場實驗裝藥系數1.0藥柱形態及位置模型圖

物理爆炸量彈坑模擬結果模型遞交LS-DYNA V971 R8求解器進行求解。計算總時長為0.014s。根據此前的仿真計算經驗，TNT裝藥的起爆在0.002s時間段內即可充分完成，在0.002s至0.014s時間段內，主要是爆炸產物，包括管道破片及土壤飛濺物在慣性作用下的成坑及飛濺行為。因此，分別提取0.002s（TNT爆炸結束）及0.014s（總體模擬計算結束）時刻的彈坑形態，如圖1.5及圖16所示。

圖1.5 0.002s時刻彈坑形態圖

圖1.6 0.014s時刻彈坑形態圖

圖1.7給出了軸視圖形態下的爆炸彈坑形態。沖擊波在土層內部形成了巨大的紡錘形空穴，并在土壤表面形成了較小的近橢圓形開口。在0.014s計算結束時，僅獲取了近表層的爆炸產物，包括土壤及管道殘片的飛濺結果，對爆炸最終完成后，在重力作用下的紡錘形空穴的坍塌則并未涉及。因此最終仿真結果中彈坑尺寸的測量，應以紡錘形空穴的尺寸為準。如圖所示，在q=1336kg條件下形成了長為18.8m，寬為5.6m，深為4.6m的彈坑。

（a）彈坑坑口形態圖

（b）彈坑尺寸圖

圖1.7 彈坑形態軸視圖

現場實驗物理爆炸量計算方法

根據1.2.1及1.2.2研究結論，實際參與高壓天然氣管路物理爆炸量與理論計算高壓天然氣物理爆炸量近似相等，即裝藥量修正系數為為1.0，擬合得到計算管道物理爆炸量計算公式為1.5所示。根據本章節模擬結可得，修正系數取值為1.0。

其中α1—裝藥量修正系數，取1.0；

α2—安全系數，取值1.2。

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