天然氣管道爆炸的案例
基于LS-DYNA的埋地天然氣管道物理爆炸毀傷研究
基于LS-DYNA的埋地天然氣管道物理爆炸毀傷研究
概述：LS-DYNA是LSTC公司開發(fā)的世界上最著名的通用顯式動(dòng)力分析程序。它可以模擬現(xiàn)實(shí)中各種復(fù)雜問題，在工程應(yīng)用領(lǐng)域，它的絕佳性能得到了廣泛的認(rèn)可。本文通過擬合西部現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的彈坑數(shù)據(jù)，獲得了帶有修正系數(shù)的TNT當(dāng)量公式。
正文：
1.1 西部現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
1）現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)條件
實(shí)驗(yàn)場位于距離哈密市以南50公里的戈壁深灘處，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)管道為埋地敷設(shè)，埋深1.8m（管道頂部距地面距離）。實(shí)驗(yàn)溫度為0℃~25℃，實(shí)驗(yàn)管列由設(shè)置在兩端的儲(chǔ)氣管和設(shè)在中間的實(shí)驗(yàn)管段組成，兩端儲(chǔ)氣庫長度為150m，實(shí)驗(yàn)管長度為130m，設(shè)計(jì)壓力20MPa，由于本次實(shí)驗(yàn)受環(huán)境溫度和實(shí)驗(yàn)管材所限，實(shí)際管內(nèi)爆炸壓力值為13.3MPa，土壤為砂礫。
2）實(shí)驗(yàn)方法及目的
該實(shí)驗(yàn)采用聚能切割器在管道中部正上方位置切開一個(gè)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(kuò)展，迅速形成一個(gè)缺口，管內(nèi)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(shí)驗(yàn)時(shí)在管路中充入13.3MPa天然氣，在實(shí)驗(yàn)管段上安裝壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、應(yīng)變片和時(shí)間線圈等檢測元件，用于測試管道實(shí)驗(yàn)壓力并在裂紋擴(kuò)展期間監(jiān)測壓力衰減、局部殘余塑性變形、局部應(yīng)變場和管道形狀變化，監(jiān)測整個(gè)物理爆炸過程，測定物理爆炸發(fā)生區(qū)域彈坑的尺寸。根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測得到的彈坑尺寸，提出計(jì)算彈坑深度的計(jì)算方法。
展開 用戶作品賞析 | 基于LS-DYNA的埋地天然氣管道物理爆炸毀傷研究
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(huì)被吹走，彈坑深度由下列公式得到：
D = Dp + Dc
② 對剪切破裂，彈坑深度還是土壤類型和含水量的函數(shù)，由參數(shù)w來描述，可以由公式（1.3）計(jì)算：
R (w) = 0.28 + 0.62 (5－w) －0.07(25－w2) （1.3）
其中對于本實(shí)驗(yàn)條件下的砂礫，w=1.75，彈坑深度可由公式（1.4）計(jì)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(shù)，本次實(shí)驗(yàn)取1.75.
結(jié)合邊坡理論，物理爆炸發(fā)生后造成的彈坑周圍的土壤會(huì)回填彈坑，分析可得實(shí)際產(chǎn)生的彈坑深度應(yīng)該略大于3.2m。通過前期天然氣管路切口數(shù)值模擬結(jié)論，高壓天然氣管路軸向切口和環(huán)向切口對彈坑深度尺寸影響較小，即兩種切口方式產(chǎn)生的彈坑深度較為相近。因此，可以利用公式（1.4）計(jì)算得到的環(huán)向切口高壓天然氣管路造成的彈坑深度5.6m作為本次實(shí)驗(yàn)物理爆炸實(shí)際產(chǎn)生的彈坑深度。
展開 Fluent 摻氫天然氣管道泄露擴(kuò)散過程仿真(一)
<p>本案例對埋地?fù)綒?em>天然氣管道在土壤多孔介質(zhì)影響下的氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律展開了仿真計(jì)算。主要涉及到多孔介質(zhì)，組分傳輸，局部初始化三個(gè)部分。計(jì)算模型依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行設(shè)置，對摻氫20%的天然氣泄漏擴(kuò)散情況展開分析，通過對該案例的學(xué)習(xí)與掌握，后續(xù)可以對制定管道泄露應(yīng)急決策方案進(jìn)行相關(guān)指導(dǎo)。</p><p><br></p><p><strong>1 workbench 設(shè)置</strong></p><p>本案例的計(jì)算模塊如下圖所示：</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/6OCfD1OjTxpXGRhdSbGgRj7IyicwxCoUyzd408XKBeb96yj80iaDQlNHoX6h7hTjouLic1vROju7BErketGTloVtA/640?wx_fmt=png&from=appmsg"></p><p><br></p><p><strong>2 SCDM 設(shè)置</strong></p><p><strong>2.1 導(dǎo)入幾何</strong></p><p>依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，對幾何模型進(jìn)行建立，其中管道為wall，y軸上方壁面為壓力出口，其他面位symmetry，管道泄露孔為φ=10mm的壓力入口，具體幾何尺寸如下：</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/6OCfD1OjTxpXGRhdSbGgRj7IyicwxCoUywo4JxvkEbn2icVY7uFSJhhGfIvRI0ick87ne232cbqZfUV3w6ktib51nw/640?
展開 陳珂，等：天然氣管道摻氫輸送對離心壓縮機(jī)氣動(dòng)性能的影響
氣態(tài)輸送方式根據(jù)運(yùn)輸工具的不同可分為管道輸送和長管拖車輸送，其中管道輸送是大規(guī)模、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸氫氣最有效的方式[2]。管道輸送純氫氣體具有建設(shè)周期長、成本高的特點(diǎn)，相比之下天然氣管道摻氫輸送既減少了天然氣使用過程中的碳排放，也有利于降低管道建設(shè)和維護(hù)成本[3-4]，能有效促進(jìn)氫能行業(yè)的發(fā)展。天然氣管網(wǎng)受水力摩阻、管道材質(zhì)、環(huán)境溫度等因素影響，若增加混合氣體中氫氣的濃度會(huì)使管道壓力損失增大[5]，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮機(jī)負(fù)荷增大，穩(wěn)定工作范圍降低，極易引發(fā)壓縮機(jī)失速或喘振狀態(tài)。而天然氣離心壓縮機(jī)作為管網(wǎng)中重要的增壓設(shè)備，其實(shí)際工作性能與氣體組分密切相關(guān)[6]，因此，深入研究摻氫后壓縮機(jī)內(nèi)部流場的變化對于壓縮機(jī)安全運(yùn)行、提高輸氣效率影響重大。
國內(nèi)外學(xué)者主要通過實(shí)驗(yàn)測試、數(shù)值模擬、相似理論等方法對摻氫天然氣管網(wǎng)開展研究。Bainier 等[7]通過建立管網(wǎng)輸運(yùn)模型研究了不同摻氫比對天然氣物性以及管網(wǎng)內(nèi)壓縮機(jī)性能的影響，研究結(jié)果表明在相同增壓比條件下，當(dāng)摻氫比分別為 10％、40％時(shí)，管網(wǎng)輸送的能量分別降低了 4％、14％，同時(shí)壓縮機(jī)消耗的功率分別增加了 7％、30％。周靜[8]運(yùn)用 Pipeline Studio軟件，采用相似性理論探究了摻氫比 0~30％下壓縮機(jī)的性能變化，發(fā)現(xiàn)隨著摻氫比的增加，壓比曲線下移，在失速邊界周圍，壓比最高降低 20.7％；聯(lián)合管網(wǎng)分析，平衡工作點(diǎn)向小流量、低壓力偏移，壓力、流量分別下降了 6％、10％。王瑋等[9]采用流體力學(xué)相似理論，將離心壓縮機(jī)與摻氫天然氣管網(wǎng)聯(lián)合進(jìn)行一維分析，發(fā)現(xiàn)隨著摻氫比增加，管網(wǎng)與壓縮機(jī)的平衡工作點(diǎn)下移；摻氫比由 0 增加至 30％時(shí)，壓比下降了 20％，對應(yīng)的壓力、流量分別降低了約 7％、11％。朱建魯?shù)萚10]利用 SPS 仿真軟件建立壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)模型，研究發(fā)現(xiàn)天然氣摻氫后壓縮機(jī)的喘振區(qū)域增大，穩(wěn)定工作區(qū)變窄。
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中俄東線天然氣管道穿越長江 多項(xiàng)參數(shù)挑戰(zhàn)世界之最
中俄東線天然氣管道南段自北向南途經(jīng)河北、山東、江蘇、上海，預(yù)計(jì)2025年建成投產(chǎn)。屆時(shí)，俄氣將直通長三角，實(shí)現(xiàn)“北氣南下”，投產(chǎn)后日輸氣量超過5000萬立方米，比現(xiàn)有輸送能力提升近三倍。
全球最大海工船開始在芬蘭鋪設(shè)天然氣管道
據(jù)俄羅斯衛(wèi)星通訊消息，全球最大海工船“Pioneering Spirit”號(hào)開始在芬蘭專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)鋪設(shè)“北溪2”天然氣管道。北溪2號(hào)天然氣管道項(xiàng)目承建商是Nord Stream 2 AG公司。
“Pioneering Spirit”號(hào)將接替“Solitaire”號(hào) 9月份在芬蘭的鋪設(shè)工作?！癝olitaire”號(hào)前往瑞典南部的專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)，未來幾個(gè)月內(nèi)將鋪設(shè)510公里長的管道。
“Pioneering Spirit”號(hào)長382米，寬124米，船員人數(shù)為570人?！癝olitaire”號(hào)長300米，寬41米，船員人數(shù)為420人，船東為Allseas公司。目前已經(jīng)鋪設(shè)大約370公里的天然氣管道。
Nord Stream2AG公司已經(jīng)在五個(gè)國家中的四個(gè)國家獲得了必要的許可證，目前正在瑞典、芬蘭、德國和俄羅斯按照發(fā)放的國家許可證施工。俄羅斯和德國沿海地區(qū)也在施工中。“Audacia”號(hào)星期六在德國水域完成管道鋪設(shè)工程。
展開 數(shù)字工程助力石油天然氣運(yùn)營商降低復(fù)合材料管道成本
仿真有助于Magma生產(chǎn)出石油和天然氣領(lǐng)域中最堅(jiān)固可靠的熱塑性復(fù)合材料管道。盡管使用盡可能少的材料，這些管道仍然可以應(yīng)對石油和天然氣組件所要求的極端工作條件。這有助于降低產(chǎn)品成本，使企業(yè)能夠在與其他供應(yīng)商的競爭中立于不敗之地。
Magma的CAE流程
雖然復(fù)合材料管道的概念看似相對簡單，但在實(shí)際過程中，數(shù)值模型卻非常復(fù)雜。層壓材料可包含超過50層，每一層的方向都是為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)還要達(dá)到制造參數(shù)要求。金屬端接頭固定在管道的任一端，以便與第三方設(shè)備實(shí)現(xiàn)牢固連接。在分析流程中，工程師對產(chǎn)品的使用壽命（包括存儲(chǔ)、運(yùn)輸、測試、安裝和運(yùn)行）進(jìn)行了仿真。
第一步通常是使用Orcaflex（面向海底系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析軟件）進(jìn)行研究，以確定系統(tǒng)的全局響應(yīng)。提取局部力和力矩，并將其應(yīng)用于管體和端部接頭FEA模型。此外，Orcaflex還可用于對Magma現(xiàn)場周圍管道的轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)（從制造卷盤卸到存儲(chǔ)卷盤上，或進(jìn)行提吊作業(yè)）進(jìn)行仿真。
管體有限元分析
我們開發(fā)了專屬的管體“Magma Ansys前處理與后處理器”(MAPPS)接口，該接口通過Microsoft Excel接口驅(qū)動(dòng)，以便創(chuàng)建Ansys參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(APDL)腳本。MAPPS可為Magma的所有工程師（即使是沒有深入了解Ansys軟件的工程師）提供一款易于使用的設(shè)計(jì)工具。
展開 35 Fluent實(shí)用案例 | 摻氫天然氣管道泄露擴(kuò)散過程仿真
本案例對埋地?fù)綒?em>天然氣管道在土壤多孔介質(zhì)影響下的氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律展開了仿真計(jì)算。主要涉及到多孔介質(zhì)，組分傳輸，局部初始化三個(gè)部分。計(jì)算模型依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行設(shè)置，對摻氫20%的天然氣泄漏擴(kuò)散情況展開分析，通過對該案例的學(xué)習(xí)與掌握，后續(xù)可以對制定管道泄露應(yīng)急決策方案進(jìn)行相關(guān)指導(dǎo)。
1 workbench 設(shè)置
本案例的計(jì)算模塊如下圖所示：
2 SCDM 設(shè)置
2.1 導(dǎo)入幾何
依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，對幾何模型進(jìn)行建立，其中管道為wall，y軸上方壁面為壓力出口，其他面位symmetry，管道泄露孔為φ=10mm的壓力入口，具體幾何尺寸如下：
2.2 網(wǎng)格設(shè)置
采用Fluent meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對泄漏孔附近網(wǎng)格進(jìn)行加密，具體的網(wǎng)格劃分如下圖所示：
3 FLUENT 設(shè)置
3.1 General設(shè)置與網(wǎng)格導(dǎo)入
首先導(dǎo)入網(wǎng)格，因?yàn)槭茄芯繑U(kuò)散規(guī)律，因此需要開始瞬態(tài)，具體設(shè)置如下圖所示。
展開 綠色氫能仿真測試解決方案合集 I 電化學(xué)、燃料電池、輸氫管道、天然氣、Star-CCM+...
直播時(shí)間：9月7日 19:30
講師：陳登 | 資深技術(shù)顧問，西門子數(shù)字化工業(yè)軟件
☆第三期 基于機(jī)理模型的氫能管網(wǎng)系統(tǒng)性能數(shù)字孿生
Simcenter Flomaster 作為專業(yè)的熱流體系統(tǒng)仿真工具在能源行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用
直播內(nèi)容：將分享 Flomaster 最新技術(shù)及在氫能管網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，包括現(xiàn)有天然氣管線產(chǎn)氫改造，高壓氣氫運(yùn)輸，液氫運(yùn)輸化學(xué)載氫，CO2 壓縮等應(yīng)用。
中國力學(xué)學(xué)會(huì)工程爆破專業(yè)委員會(huì) 2018年年度工作會(huì)議暨學(xué)術(shù)交流會(huì)在武漢召開
本次會(huì)議的主題是爆炸能量的高效利用與控制。會(huì)議由工程爆破專業(yè)委員會(huì)主任委員張志毅研究員主持，盧文波教授代表本次會(huì)議的承辦方發(fā)表致辭，向與會(huì)代表表示歡迎并預(yù)祝大會(huì)順利召開；隨后武漢航空港發(fā)展集團(tuán)有限公司董事長、著名工程爆破專家謝先啟院士發(fā)表講話，并作了專題報(bào)告，他通過“江天大廈爆破拆除工程案例”分析和思考了爆炸能量的高效利用與控制問題，謝院士的報(bào)告引發(fā)了與會(huì)代表的熱烈討論。會(huì)議還邀請了9位專家學(xué)者對“爆炸能量的高效利用與控制問題”作專題報(bào)告，分別是：龍?jiān)唇淌诘摹?em>天然氣管道爆炸產(chǎn)生的沖擊波和地震波能量傳播與衰減》、熊代余研究員的《科技時(shí)代炸藥爆破研發(fā)的幾個(gè)方向性問題》、胡英國和吳新霞教授級(jí)高工的《基于連續(xù)—非連續(xù)的巖體爆破塊度數(shù)值仿真技術(shù)及其驗(yàn)證》、楊年華研究員的《爆破振動(dòng)波的精細(xì)分析與振動(dòng)控制》、盧文波教授的《巖石爆破破碎中的爆炸能量傳輸與分配》、鄒宗山和楊軍教授的《露天臺(tái)階爆破礦巖移動(dòng)規(guī)律研究》、喻智和史秀志教授的《復(fù)雜賦存條件礦體礦廢分離爆破技術(shù)》、包士杰和費(fèi)鴻祿教授的《水下鉆孔爆破不同方向的能量傳遞差異》、冷振東博士的《側(cè)向起爆條件下的爆炸能量傳輸機(jī)制與效應(yīng)》。本次學(xué)術(shù)交流內(nèi)容涵蓋了不同領(lǐng)域的爆炸能量利用和控制問題，與會(huì)代表一致認(rèn)為收獲很大，對促進(jìn)工程爆破理論和技術(shù)的發(fā)展有重要意義。
會(huì)議最后議程還討論了工程爆破專業(yè)委員會(huì)2019年的工作規(guī)劃，初步確定2019年8月中下旬由昆明理工大學(xué)承辦學(xué)術(shù)交流會(huì)，會(huì)議主題為——綠色爆破理論與技術(shù)。
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